急傾斜煤層分段開采下部煤巖體應力及位移演化規律

王正帥

(中煤科工集團重慶研究院有限公司, 重慶 400037)

新疆近年來煤炭產量大幅增加,已位居中國產煤省份第四位,2021年原煤產量達3.19億t。新疆急傾斜特厚煤層儲量占比較大,僅烏魯木齊礦區急傾斜煤層儲量就占中國急傾斜煤層儲量的25%以上[1]。急傾斜特厚煤層賦存條件特殊、開采方式獨特,常采用水平分段綜放方式開采[2],諸多學者對此開展了大量研究并取得了很多成果。王家臣等[3]給出了頂板“傾倒式”和“滑塌式”兩種破壞模式及判別準則;來興平等[4]建立了急傾斜煤層覆巖結構力學模型,分析了覆巖聯動致災特征;王紅偉等[5]揭示了采場頂板運動演化、底板破壞滑移及圍巖承載結構泛化特征;董建輝等[6]研究了上覆巖層的移動擠壓變形區特征;程磊等[7]研究了采動覆巖裂隙發育及導水裂隙帶高度特征;王曉蕾等[8]總結了覆巖破壞特征數值模擬研究現狀及進展;黃旭超[9]、杜昌昂等[10]研究了回采巷道及頂板應力及裂隙演化規律;雷道學[11]、林劉軍等[12]研究了底板破壞機理;屠洪盛等[13]建立了急傾斜工作面底板下端和上端力學模型,給出了底板最大破壞深度的表達公式;劉程[14]得出了急傾斜煤層底板力學極限判據解析公式;張志沛等[15]研究了急傾斜厚煤層群采空區上覆和下伏巖層集中應力影響下的初期破壞強度。綜上,已有的研究大多集中于急傾斜煤層上覆巖層的破壞判別準則、移動變形特征、裂隙演化規律,為數不多的涉及急傾斜厚煤層開采工作面下部煤巖體的研究主要針對底板的破壞機理、模型和判據等,針對下部煤巖體的應力場和位移場的研究相對還不完善,但掌握下部煤巖體應力和位移分布演化規律對下分段的分段高度、回采巷道布置、下分段卸壓瓦斯抽采、沖擊地壓防治都有重要意義。為此,現以烏東煤礦急傾斜特厚煤層分段綜放工作面為研究對象,采用數值模擬方法重點分析了工作面下部煤巖體和底板的應力、位移分布,并分析了分段高度、開采深度對工作面下部煤巖體應力及位移的影響。研究成果為新疆及具有相似條件的急傾斜特厚煤層開采條件確定、災害治理措施的制定提供參考。

1 礦井與工作面概況

烏東煤礦位于烏魯木齊東北部,設計生產能力為每年600萬t,高瓦斯礦井。+575 m水平45#煤層西翼綜放工作面為試驗面,煤層厚度平均22 m,采用水平分段綜采放頂煤工藝,工作面斜長約35 m,設計分段高度25 m,設計回采長度為1 124 m,采高3.5 m,采放比6.1,工作面埋深約200 m。煤層結構簡單,平均傾角45°,運輸巷靠頂板布置,回風巷靠底板布置,U形通風。頂板主要為粉砂巖、細砂巖;底板主要為炭質泥巖、粉砂巖、細砂巖,工作面地質構造較簡單。急傾斜煤層水平分段開采示意如圖1所示。

圖1 急傾斜煤層分段開采示意Fig.1 Schematic diagram of segmented mining of steep coal seam

2 應力及位移演化數值分析

2.1 模型建立

利用FLAC3D以烏東煤礦+575 m水平45#煤層西翼綜放工作面為原型建立數值計算模型,如圖2所示,模型尺寸500 m×300 m×250 m(長×寬×高),模型采用六面體進行網格劃分,共劃分約41.1萬個單元、42.9萬個節點。模型左右邊界、前后邊界為位移約束邊界,底部邊界為固定,上邊界為自由,模型底部為+500 m水平。考慮巖石尺度效應,模型采用的巖體力學參數如表1所示。工作面開采45#煤層,工作面底板標高+575 m,開切眼距ZX平面50 m,距XY平面75 m,沿Y方向推進。第一次開挖10 m,之后以5 m為開挖步循環,開挖階段高度為25 m。

表1 烏東煤礦45#煤層西翼工作面煤巖力學參數

圖2 三維數值計算模型Fig.2 Three dimensional numerical calculation model

2.2 下部煤巖體應力、位移分布

開采130 m時工作面下分段不同深度煤巖體垂直應力分布如圖3所示,由此可知不同深度煤巖體卸壓范圍均呈長軸沿煤層走向的橢圓狀,但卸壓范圍并不對稱,底板側和頂板側的煤巖體卸壓程度不同,靠近底板側卸壓程度更大,頂板側一定范圍甚至出現了應力集中,但應力集中范圍隨深度的增加逐漸減小。

圖3 開采130 m時工作面下部不同深度垂直應力云圖Fig.3 Vertical stress distribution at different depths under the working face when mining 130 m

工作面推進130 m時下分段煤體頂板側(距頂板法距2 m)、工作面中部、底板側(距底板法距2 m)垂直應力變化情況如圖4所示(y=115 m截面),應力云圖如圖5所示(y=115 m截面),根據保

圖4 下分段煤體不同位置垂直應力隨深度變化Fig.4 Variation of vertical stress with depth at different positions of lower coal body

圖5 推進130 m下分段煤巖體垂直應力云圖Fig.5 Vertical stress cloud diagram of the lower coal rock of 130 m advance

護層開采理論,保護層開采后,被保護層垂直應力減小的區域看作是被保護層的卸壓影響區域,被保護層垂直應力變化量大于0.2倍被保護層垂直應力的區域為有效卸壓區。據此,上分段開采后,在工作面下分段煤體頂板側有效卸壓深度約5 m,卸壓影響深度約15 m;煤體中部有效卸壓深度約15 m,卸壓影響深度約20 m;底板側有效卸壓深度約25 m,卸壓影響深度約35 m。沿煤層走向卸壓角為57°。下分段煤體卸壓深度大小為底板側>工作面中部>頂板側,下分段煤體靠近頂板側卸壓深度最小,說明其受上分段采動影響最小,在實際生產過程中,可據此先施工下分段或下下分段運輸巷,將其作為瓦斯治理措施巷向上部煤體施工抽采鉆孔。

2.3 底板應力、位移分布

開采100 m時煤層底板不同深度的垂直應力分布云圖如圖6所示,在煤層靠近回采分段上端部垂直應力明顯集中,底板15 m深時,垂直應力的集中程度明顯降低。底板在不同深度出現卸壓區也不對稱,靠近開采分段頂端的煤層底板處出現應力集中。

圖6 煤層底板不同深度垂直應力云圖Fig.6 Vertical stress cloud diagram at different depths of coal seam floor

開采100 m時底板不同深度垂直位移曲線如圖7所示,隨著深度的增加,煤層底板的垂直位移逐漸減小,煤層直接底(深度2 m)發生的最大位移為23.7 mm,深度20 m處的底板最大位移為15.4 mm。

圖7 煤層底板沿傾斜方向垂直位移分布Fig.7 Vertical displacement distribution of coal seam floor along the inclined direction

2.4 分段高度對下部煤巖體應力及位移的影響

為了研究不同分段開采高度對圍巖應力及裂隙的影響,分別建立分段開采高度為5 m和25 m兩個模型,模型幾何尺寸及煤巖力學參數不變,以5 m為開挖步開采至180 m。

2.4.1 垂直應力分布

不同分段高度下,開采130 m后采空區中部斷面垂直應力分布云圖如圖8所示,不同段高H時下部不同深度D煤體垂直應力曲線如圖9所示。由圖8可知,段高5 m和25 m情況下,段高越大煤層底板卸壓范圍也越大。結合圖9,段高5 m和25 m時,工作面下部煤體相同深度處的垂直應力分布變化不大,例如,兩種不同段高下,采空區中部卸壓穩定區域(走向距離80～150 m)下部煤體深5 m處的垂直應力僅相差0.052 MPa,下部煤體深15 m處的垂直應力相差0.172 MPa,下部煤體深25 m處的垂直應力相差0.12 MPa,說明急傾斜特厚煤層分段開采,段高對工作面下部煤體卸壓深度范圍影響較小。

圖8 不同段高時采空區中部斷面垂直應力云圖Fig.8 Vertical stress cloud diagram of central section of goaf at different section heights

圖9 不同段高時下部不同深度煤體垂直應力Fig.9 Vertical stress of coal body at different depths under different section heights

2.4.2 垂直位移分布

不同段高時下部煤體中部不同深度垂直位移分布曲線如圖10所示,當段高分別為5 m和25 m時,隨著深度的增加,下部煤體垂直位移均逐漸減小,但是下部煤體同一深度處的垂直位移分布變化不大,例如,兩種段高情況下,采空區中部卸壓穩定區域(走向距離80～150 m)下部煤體深5 m處的垂直位移相差1.299 mm,下部煤體深15 m處的垂直位移僅相差1.081 mm,下部煤體深25 m處的垂直應力相差1.308 mm,說明急傾斜特厚煤層分段開采,段高對工作面下部煤體垂直位移分布影響較小。

圖10 不同段高時下部不同深度煤體垂直位移Fig.10 Vertical displacement of coal body at different depths at different section heights

2.5 開采深度對下部煤巖體應力及位移的影響

在模擬過程中采取在模型上部直接添加應力模擬不同埋深,來分析開采深度對下部煤巖體的影響,在模型上部分別施加2.5、5.0 MPa應力模擬埋深增加50、100 m,其他邊界條件及煤巖力學參數不變,以5 m為開挖步開采至180 m。

2.5.1 垂直應力分布

埋深增加值Δh為50 m和100 m,工作面推進100 m時采空區中部斷面的煤巖垂直應力分布云圖如圖11所示,不同埋深S時下部不同深度煤體垂直應力曲線如圖12所示。

圖11 不同埋深采空區中部斷面垂直應力云圖Fig.11 Vertical stress cloud diagram of central section of goaf with different buried depth

圖12 不同埋深時下部不同深度煤體垂直應力Fig.12 Vertical stress of coal body at different depths under different buried depths

由圖11可知,隨著煤層埋深增加,工作面下部煤巖體應力集中區域增大。結合圖12可知,當前埋深、埋深增加50 m,埋深增加100 m時,采空區中部(70～130 m區域)深度5 m處的煤體垂直應力分別為1.29、1.59、1.82 MPa;深度15 m處的煤體垂直應力分別為4.32、5.38、6.41 MPa;深度25 m處的煤體垂直應力分別為5.08、6.32、7.55 MPa。隨著埋深的增加,同一深度煤體的垂直應力均出現明顯增加,表明開采深度對工作面下部煤體垂直應力影響明顯,埋深越大,垂直應力越大。

2.5.2 垂直位移分布

埋深增加值Δh為50 m和100 m時,工作面推進100 m時采空區中部斷面的煤巖垂直位移分布云圖如圖13所示,不同埋深時工作面下部不同深度煤體垂直位移曲線如圖14所示。

圖13 不同埋深采空區中部斷面垂直位移云圖Fig.13 Vertical displacement cloud diagram of central section of goaf with different buried depth

圖14 不同埋深時下部不同深度煤體垂直位移Fig.14 Vertical displacement of coal body at different depths under different buried depths

由圖13、圖14可知,采深相同時,工作面下部煤體隨著深度的增加垂直位移逐漸減小。當前埋深、埋深增加50 m,埋深增加100 m時,采空區中部(70～130 m區域)深度5 m處的煤體垂直位移分別為48.02、62.34、77.38 mm;深度15 m處的煤體垂直位移分別為12.98、17.05、21.56 mm;深度25 m處的煤體垂直位移分別為2.44、3.15、4.00 mm,說明隨著埋深的增加,工作面下部煤體同一深度處的垂直位移均出現明顯增大,表明埋深對工作面下部煤體垂直位移影響明顯,埋深越大,工作面下部煤體同一深度處的垂直位移也越大。

3 結論

(1)上分段開采后,下分段不同深度煤巖體卸壓范圍均呈長軸沿煤層走向的橢圓狀,但卸壓范圍并不對稱,底板側和頂板側的煤巖體卸壓程度不同,靠近底板側卸壓程度更大。下分段煤體卸壓深度大小為底板側>工作面中部>頂板側,下分段煤體靠近頂板側卸壓深度最小,受上分段采動影響最小。

(2)煤層底板不同深度出現不對稱卸壓區,靠近回采分段上端部的煤層底板處垂直應力明顯集中,隨著深度增加,應力集中程度降低,煤層底板的垂直位移逐漸減小,直接底發生的最大位移為23.7 mm,深度20 m處的底板最大位移為15.4 mm。

(3)急傾斜煤層分段開采,分段高度不同時,下部煤體相同深度處垂直應力、垂直位移變化不大,段高對下部煤體的卸壓深度范圍影響較小。開采深度不同時,隨著埋深增加,工作面下部煤巖體應力集中區域增大,下部同一深度煤體的垂直應力、垂直位移均出現明顯增加,開采深度對工作面下部煤巖體的卸壓范圍影響明顯,埋深越大卸壓范圍也越大。