特厚煤層采動覆巖裂隙演化規律物理及數值模擬研究

陳德山, 楊婉欣, 張建江, 焦 健, 周繼國

(1.蘭州石化職業技術大學資源環境工程學院, 甘肅 蘭州 730207;2.甘肅靖遠煤電股份有限公司 魏家地煤礦, 甘肅 白銀 730913)

1 前言

近年來,隨著煤層開采深度的增加和煤礦自動化程度的提高,礦井瓦斯涌出量也隨之增大,瓦斯災害已成為制約煤礦安全高效生產的關鍵因素[1-2]。在“雙碳”目標下,煤與瓦斯共采技術已成為煤炭綠色開采的關鍵技術[3-4]。瓦斯抽采過程中,工作面上覆巖層裂隙的密度、連續性對瓦斯抽采效率有極大影響,尤其是工作面推進過程中采動覆巖裂隙的演化規律對瓦斯抽采及瓦斯控制至關重要。

針對覆巖受煤層開采擾動影響后的活動規律及裂隙網絡發育特征,眾多學者進行了大量的研究,取得了豐碩的成果。對于采動覆巖裂隙形態,錢鳴高、許家林[5]利用模型實驗、圖像分析、離散元模擬等方法,對上覆巖層采動裂隙分布特征進行了研究,提出了“O”型圈模型。袁亮[7]以顧橋煤礦1115工作面為試驗點,運用實時監測手段、COSFLOW數值模擬及CFD模擬技術對工作面采動覆巖裂隙場進行了研究,提出了高位裂隙環形模型。伍永平[8]等采用理論分析與數值模擬對煤層開采過程中圍巖變形破壞規律進行研究,發現圍巖應力分布特征呈“拱殼”型、工作面圍巖塑性區分布呈“馬鞍形”分布。基于關鍵層理論,李樹剛[9]利用數值模擬與物理相似模擬相結合的方法,提出了多因素影響下的采動裂隙呈“橢拋帶”分布。楊科[10]通過物理相似模擬試驗及現場觀測相結合的方法,研究了關鍵層運移時采動裂隙的動態演化規律,發現沿工作面走向采動裂隙隨關鍵層破斷“跳躍式”向上擴展。文獻[12-16]運用物理模擬、數值模擬及理論分析相結合的方法,對采動覆巖裂隙的演化規律進行了研究,獲得了圍巖應力演化和來壓規律,為預防頂板事故的發生提出了解決方法。文獻[17]對不同條件下的采動覆巖裂隙演化規律進行研究,為瓦斯抽采系統的布置奠定了基礎,解決了回采過程中瓦斯頻繁超限的難題。

通過文獻檢索,眾多學者對薄煤層及厚煤層采動覆巖變形破壞規律開展了大量研究,但針對特厚煤層采動覆巖變形破壞規律研究較少。本文以魏家地煤礦北1103工作面的為試驗原型,基于物理相似模擬試驗,對采動裂隙的發育特征進行分析,通過數值模擬試驗,對工作面采動覆巖應力、位移及裂隙分布規律進行研究,以期掌握厚煤層采動裂隙場演化分布規律,為回采過程中瓦斯抽采系統的布置提供參考依據。

2 物理相似模擬試驗

2.1 試驗原型及相似設計

試驗以魏家地礦北1103工作面為基本原型,該工作面走向長度785 m,傾斜長度205 m,地面標高1 655～1 676 m。煤層傾角7°～23°,平均12°,煤層厚度5.71～16.96 m,平均可采厚度9.2 m。采用走向長臂綜合機械化一次采全高采煤法,用全部垮落法控制頂板。煤巖層的物理力學參數見表1。

表1 北1103工作面頂板巖層物理力學參數

試驗利用大比尺相似模擬試驗系統進行,模型幾何相似常數取值為100,模擬開采長度170 m,兩側留設8 m邊界煤柱,開切眼為8 m,日進尺為5 m、推進2次,工作面共推進33次。試驗模型相似常數見表2。

表2 試驗模型相似常數

為準確模擬采動影響覆巖的位移變化規律,在模型上共布置10條監測線監測頂板覆巖的垮落情況,其中第1條監測線距煤層的距離為5 cm,各監測線之間的距離為10 cm,每個監測線布置19個測點。試驗時,對煤層進行分步開挖,模擬工作面推進過程中覆巖“三帶”的變化規律。模型布置如圖1所示。

圖1 物理相似模型布置圖

2.2 采動覆巖破斷及運移規律

不同推進距離下采動覆巖裂隙發育及垮落特征如圖2所示。

圖2 不同推進距離下采動覆巖裂隙發育及垮落特征

從圖2可以看出:當工作面推進至30 m時,直接頂垮落發生初次來壓,垮落高度距煤層頂板4.5 m,離層裂隙向上發展至距頂板18 m處,此時,工作面兩端出現破斷裂隙,并與離層裂隙相互貫通;當工作面推進至41 m時,采空區覆巖基本頂第1次周期來壓,覆巖大范圍垮落,垮落高度距煤層頂板18 m,離層裂隙距煤層頂板29 m,此時巖梁出現不明顯彎曲現象,形成初始鉸接結構;當工作面推進至84 m時,發生第4次周期來壓,覆巖垮落高度距煤層頂板41.5 m,離層裂隙發育至距頂板54 m;當工作面推進至162 m時,工作面發生第8次周期來壓,此時垮落巖層形成的鉸接結構趨于穩定,離層裂隙不再發育,垮落高度不再向上發展,采空區基本被壓實。根據統計,在整個工作面回采期間,共發生8次礦壓顯現,平均周期來壓步距為16.5 m,首次來壓步距為30 m,周期來壓的具體的統計數據見表3。

表3 工作面周期來壓步距

煤層開采后上覆巖層10條測線的垂直位移變化曲線如圖3所示。

圖3 覆巖垂直位移變化曲線圖

從圖中可以看出,測線1與測線2之間的距離較大,測線2至測線4之間的距離逐漸減小,在周期來壓處,測點的位移量達到最大值,且測線1的下沉量接近煤層厚度,因此可以認為測線2下方為冒落帶。測線4至測線7之間測點位移量變化幅度不大,測線之間的距離較為緊密,為裂隙帶。裂隙帶和彎曲下沉帶范圍內的巖體,呈現連續動態下沉的移動過程具有連續性,且離頂板距離越大,連續性越強。在冒落帶之下的覆巖,其最大位移量基本上在周期來壓處,而彎曲下沉帶和裂隙帶內最大位移量基本位于采空區中部。結合物理相似模擬試驗和覆巖位移規律,得到冒落帶高度為39.1 m,裂隙帶高度為127.9 m。

3 采動裂隙場數值模擬

UDEC數值模擬軟件是一種以非連續體為模擬單元的二維數值模擬計算程序,具有內置節理多、可選材料豐富特點,可以表征不同力學性質的巖體采動影響后其節理、裂隙的發育變化規律,能夠定量分析采動過程中覆巖點位應力及位移的變化量。本次數值模擬基于北1103工作面的實際地質條件,采用離散元程序UDEC 分析工作面回采過程中上覆巖層塑性區演化范圍、采動裂隙場應力分布、位移分布、裂隙分布特征。

3.1 模型的建立

1)初始條件

煤巖層力學參數是數值模擬的關鍵環節,北1103工作面煤巖層力學參數見表4。

表4 煤巖層力學基本參數

2)邊界條件

在充分考慮邊界效應的基礎上,建立二維煤巖體幾何模型,設置模型長為350 m,高為220 m,工作面長度170 m,同時設置隨機分布的微裂隙表示巖體的初始損傷。上部邊界設置6.85 MPa的均勻向下載荷(模擬上覆巖層的自重載荷);下部邊界設定為固定位移邊界條件;兩側邊界條件均為實體煤巖體,設定為位移邊界條件,邊界設置按深度變化的載荷,測壓系數為1。數值模型如圖4所示。

圖4 數值計算模型

3)模擬方案

魏家地礦北1103工作面采用走向長臂一次采全高采煤法,煤層可采厚度為5.71～16.96 m,平均可采厚度9.2 m,本次研究選取煤層厚度分別為6 m、8 m、10 m、12 m(不同采高均采用1步開挖方式)作為變量來模擬不同采高對采動裂隙場分布規律的影響。

3.2 模擬結果分析

1)采動裂隙場的應力分布

圖5所示為不同采高條件下工作面開采穩定后圍巖垂直應力的分布二維變化。

圖5 采動裂隙場應力分布

從圖5可以看出,隨著工作面的開挖,采空區上覆巖層在重力的作用下,產生的載荷向采空區兩側煤體轉移并產生應力集中現象,形成應力集中區,應力分布范圍為9.08～20.1 MPa,應力呈軸對稱分布。同時,上覆巖層發生卸壓塑性破壞,巖體出現變形破壞,部分巖體發生垮落,垂直應力急劇減小并形成采動卸壓區,應力分布范圍為0.22～1.46 MPa,應力呈拋物線形狀分布。受主關鍵層影響,隨著采高的增加,卸壓區高度隨之增大,變化范圍為 70.4～81.2 m,但卸壓高度未超過主關鍵層。

2)采動裂隙場的位移分布特征

隨著煤層的開挖,頂板覆巖在礦壓的影響下由彈性狀態向塑性狀態變化并發生彎曲斷裂,部分巖體發生垮落,不同區域巖體產生的位移也不同。不同采高條件下采動裂隙場的垂直位移分布如圖6所示。

從圖6 可以看出,煤層開采后,采空區的頂板覆巖失去煤體的支撐作用,中間部位的巖體受到的應力效果最為集中,該部位斷裂垮落后的位移變化量也最大。隨著采高的增大、頂板覆巖的垮落高度增加,采空區在水平方向上的空間也隨之增大,高度變化范圍從52.4 m增大到74.8 m,但未超過主關鍵層位。同時,隨著采高的增加,在巖石的碎脹作用下,位移最大區寬度呈減少趨勢,從102.3 m減至71.6 m。

3)采動裂隙場的裂隙分布特征

工作面開采后,頂板覆巖會產生破斷裂隙和離層裂隙,二者縱橫交錯形成采動裂隙網絡,不同采高條件下工作面開采穩定后覆巖采動裂隙分布如圖7所示。

圖7 采動裂隙場裂隙分布

從圖7可以看出,當采高為6 m時,采動裂隙網絡較為稀疏,裂隙主要集中在裂隙帶內瓦斯優勢通道處,中部壓實區有少量貫通的微觀裂隙通道,采空區兩側煤巖體也存在一定量的次生裂隙,亞關鍵層下方以離層裂隙和破斷裂隙交錯發育,亞關鍵層至主關鍵層之間以離層裂隙居多,主關鍵層之上幾乎不存在離層裂隙。隨著采高的增大,采動影響范圍進一步擴大,采場內裂隙數目也不斷增多,采空區壓實區內微觀裂隙通道、采空區兩側煤巖體的次生裂隙及亞關鍵層上方的破斷裂隙顯著增多,壓實區寬度減小但高度增加。當采高為12 m時,主關鍵層出現顯著的下沉變形,但主關鍵層的上方沒有產生明顯的裂隙,但主關鍵層的下方產生的裂隙激增,且裂隙發育程度較為豐富。

4 結論

(1)在工作面回采期間,首次來壓步距為30 m,周期來壓步距為10～21 m,平距周期來壓步距為16.5 m,冒落帶高度為39.1 m,裂隙帶高度為127.9 m。

(2)工作面開挖后,在不同的圍巖區域形成卸壓區和應力集中區,應力卸壓區的應力呈拋物線分布,應力分布范圍為0.22～1.46 MPa,應力集中區的應力呈軸對稱分布,應力分布范圍為 8.94～19.8 MPa;隨著煤層采高的增大,卸壓區的高度會隨之逐漸增加,增高趨勢趨緩,卸壓區高度變化范圍為70.4～81.2 m。隨著煤層采高的增加,位移最大區的高度也增大,變化范圍為52.4～74.8 m,位移最大區的寬度逐漸減小,其變化范圍為102.3～71.6 m。

(3)隨著采高的增加,主關鍵層出現顯著的下沉變形,上方無明顯裂隙,下方裂隙激增,采空區兩側煤巖體的次生裂隙及亞關鍵層上方的破斷裂隙顯著增多,采空區壓實區寬度減小、高度增加,內部微觀裂隙通道增多。