何清波,張文進,王緒友,姜亦武,寧廷洲,楊俊生,孫紅星,賀海瑞
(1.兗礦新疆礦業有限公司 硫磺溝煤礦,新疆 昌吉 831100;
2.西安科技大學 安全科學與工程學院,陜西 西安 710054)
煤炭資源是中國主要的能源形式,隨著開采年限的不斷增加,緩傾斜煤層儲量大幅度降低,目前中國開采的重點逐步向傾斜煤層轉移[1-3]。與緩傾斜煤層不同,傾斜煤層往往伴隨著復雜的地質條件,上覆巖層的運動和裂隙的發育規律較水平與緩傾斜煤層更為復雜[4-6]。煤層開采后的卸壓瓦斯氣體會通過巖層間的裂隙升浮、擴散并儲集于裂隙帶頂部,因此有效掌握采動覆巖裂隙演化規律對卸壓瓦斯災害的防治具有重要的參考價值。
為研究覆巖受開采擾動影響后的活動規律及裂隙網絡發育特征,國內外眾多學者采用了多種方法開展研究[7-10]。錢鳴高等采用物理模擬試驗、圖像分析、離散元數值模擬相結合的方法,研究了采動覆巖裂隙分布規律,揭示了覆巖裂隙的擴展規律,并提出采動覆巖裂隙網絡呈“O”形圈分布[11]。李樹剛等通過物理模擬試驗研究發現覆巖豎向破斷裂隙和橫向離層裂隙相互連通后形成了復雜的裂隙網絡,裂隙網絡在空間上形態呈“橢拋帶”,為優化采動卸壓瓦斯抽放系統參數的布置提供了理論依據[12-14]。魏宗勇等進一步研制了三維大尺度物理相似模擬系統,結合聲發射監測和三維模型剖切等方法,得到了覆巖三維空間裂隙發育過程及裂隙分布特征[15]。針對傾斜煤層開采底板破壞規律,李春元等應用相似材料和數值模擬相結合的方式研究基本頂初次垮斷前后底板應力及變形,揭示了底板破壞與基本頂巖梁初次垮斷的聯動效應[16]。張禮等基于3DEC數值模擬的結果,構建了“采動裂隙環形體”的三維模型,并提出了其邊界的判定準則[17]。NING,LYU等建立了破碎上覆巖層二次“活化”的力學模型,推導了計算覆巖離層量的遞推公式,提出了近距離煤層群開采裂隙帶高度預測方法[18-19]。結合分形幾何理論,高明忠,王志國等對采動覆巖裂隙網絡的分形維數變化規律進行了深入的分析和研究,發現隨著工作面推進,分形維數總體呈上升趨勢[20-21]。MONDAL等利用分形維數定量化表征覆巖裂隙發育的復雜程度,為裂隙網絡的精細化分區提供依據[22]。
然而目前關于覆巖裂隙演化的研究大多集中在水平及緩傾斜煤層,而煤層實際的賦存條件復雜,難以將水平及緩傾斜煤層的覆巖裂隙演化規律直接用于傾斜煤層研究中[23-25]。因此本研究通過建立傾斜厚煤層的數值模型,分析采動覆巖位移和煤層頂板應力的變化規律,得到傾斜厚煤層采動覆巖裂隙演化特征,分析工作面采動的覆巖下沉量變化規律,對試驗工作面及相似條件工作面的瓦斯鉆孔布置參數提供一定的理論指導。
(9-15)08工作面設計走向長2 600 m,工作面“刀把式”布置,外段面斜長165 m,里段面傾向長130 m,煤層平均厚度為31.5 m,傾角為22°~26°,局部可達30°,平均為26°,屬于傾斜厚煤層,采取綜放后退式回采方法,頂板全部垮落充填采空區,采煤高度為3 m,放煤高度平均為28.5 m,巷道布置如圖1所示。礦井瓦斯等級鑒定為高瓦斯礦井,煤塵有爆炸危險性,爆炸指數37.22%,屬于Ⅰ類易自燃煤層。
9~15#煤層瓦斯基本參數:原煤瓦斯含量為3.85 m3/t,瓦斯壓力為0.5 MPa,透氣性系數為0.011 81~0.061 66 m2/(MPa2×d),鉆孔瓦斯流量衰減系數為1.03~1.28 d-1。
圖1 (9-15)08工作面巷道布置示意Fig.1 (9-15)08 working face roadway layout
對于煤層開采影響上覆巖層裂隙演化的問題,離散元數值模擬計算軟件3DEC可在三維條件下,模擬靜態或動態的載荷作用下離散介質的力學反應,其優勢如下:①離散的巖塊允許大變形,允許沿節理面滑移、旋轉和脫落;
②在運算時可自動識別新的接觸[26]。因此,為得到傾斜厚煤層采動覆巖裂隙的演化規律,通過3DEC數值模擬的手段,根據Mohr-Coulomb原則,準確模擬采場巖層的垮落和運動。
以硫磺溝煤礦(9-15)08工作面參數和條件為背景,建立體積為300 m×200 m×150 m的物理模型,如圖2所示。
整個模型垂直方向上共模擬了56層巖層,設定模型兩側的XZ面為約束面,底部XY面固定,頂部XY面為自由面,模型各處初始位移為0,未模擬覆巖替以2.5×104Pa的補償荷載。開切眼設置在距離YZ面50 m處,以消除邊界效應,每次開挖步距10 m,共開挖200 m。
圖2 物理模型Fig.2 Physical model
根據實際巖層的巖性和厚度在上覆巖層設置K1關鍵層,分別在距煤層頂板高5,10,15,20,25,30,35,40,45 m處水平每間隔20 m布置一條位移測線,在煤層頂板處水平每間隔10 m布置一條應力測線,巖層及節理的巖性參數選取見表1。
表1 巖層和節理力學參數性質
為充分反映煤層上覆巖體內部裂隙發育情況,在生成的模型內部選取具有代表性的模型切面,以沿Z軸垂直XY平面為例,分別在X=150 m和Y=100 m處選取沿煤層走向和傾向的切面,通過每個切面內的覆巖位移分布和應力變化來探究裂隙的發育情況。
為分析(9-15)08工作面推進過程中覆巖走向位移分布規律,分析在工作面分別推進至20,50,100,150,200 m時上覆巖層裂隙的發育情況,得到位移數值分布云圖如圖3所示。
圖3 覆巖走向采動位移變化云圖Fig.3 Cloud chart of mining displacement variation of overlying rock along strike
由圖3可知,上覆巖層不同位置所受到礦壓的影響和巖塊回轉空間大小的不同,引起巖層在不同區域的下沉量和滑移量不同。一般地,煤層開采后原上覆巖層形成的承載結構受到破壞,礦壓主要集中在煤層上覆中部區域巖體上,該位置的巖體位移變化量最大。由于(9-15)08煤層厚度較大,煤層開采對覆巖產生的擾動增強,采空區覆巖斷裂垮落后堆積的空間增大,巖層斷裂高度增大。受應力傳遞的影響,當巖層的受力大于其極限抗壓強度時會發生破裂,落在采空區中部區域的巖塊其位移變化達到峰值,并以其為中心在一定范圍和不同程度上呈現對稱分布。因此在采動空間中,越靠近中部的巖體所發生的位移變化則越顯著。
為分析(9-15)08工作面推進過程中覆巖傾向位移分布規律,篩選并分析推進20,50,100,150,200 m時采動裂隙分布情況,得到位移分布云圖如圖4所示。
圖4 覆巖傾向采動位移變化云圖Fig.4 Cloud chart of mining displacement variation of overlying rock along inclination
由圖4可知,工作面推進20 m時,上覆巖層受集中應力作用發生彎曲下沉,頂板發生垮落,隨著推進距離的增大,覆巖下沉量在整體上呈非對稱分布,其中工作面側的上覆巖層下沉量最大。巖層在垮落的時候,由于存在下滑效應,巖體順著傾斜的方向自由滑動最終填充在其底部,在此過程中在傾斜巖層的限制下,部分巖層開始出現回轉鉸接,導致在采空區下端頭的巖層垮落空間減小,上端頭的巖層垮落空間增大,形成了這種非對稱的垮落現象,其裂隙區域基本呈拋物形態分布。在采動的影響下,覆巖冒落帶巖塊位移較大,因此可判定位移變化第1層階梯(0~20 m)為冒落帶所處區域,由于冒落帶巖塊存在碎脹和支撐作用,相比之下裂隙帶的位移量小,故可認定第2層階梯所處區域(20~65 m)為裂隙帶。
煤層開采后,上覆巖層受到應力作用發生垮落、斷裂、彎曲變形進而發生位移,在上覆巖層自下而上共布置了9排位移測線,每條測線上間隔布置12個測點,全方位監測采動過程中的覆巖下沉量,如圖5所示。由于冒落帶中垮落巖層的碎脹性與不規則性,其范圍內巖層下沉量變化趨勢明顯,最大下沉量達到22 m,覆巖高度越大,其下沉量越小,下沉量沿梯度高度呈逐漸減小趨勢。壓實區巖層鉸接結構少且穩定,其下沉量波動緩慢且各測線之間的距離較小,圖中測線在距煤柱75~160 m之間變化趨勢緩慢且各測線分布密集,因此可得(9-15)08采空區壓實區在距煤柱70~160 m的位置;
反之同一范圍中測線波動劇烈為裂隙區,圖中兩邊裂隙區的寬度范圍存在差異,靠近切眼方向的裂隙區寬度較大。
圖5 (9-15)08采空區覆巖下沉量分布Fig.5 (9-15)08 subsidence distribution of mined-out areas
受煤層開采的影響,圍巖的應力平衡被破壞,導致應力重新分布,進而形成新的應力場,可分為3個區域:卸壓區、應力集中區和原巖應力區。
在采動過程中,在煤巖體初始損傷的影響下,內部原始存在的裂隙發生擴展從而導致了煤巖體的破壞,宏觀上主要表現為上覆巖層的變形破壞。因此煤巖體內部的應力傳遞和變化對覆巖的變形、滑落等一系列運動存在直接的影響。
圖6 覆巖走向采動應力變化云圖Fig.6 Cloud chart of mining stress variation of overlying rock along strike
由圖6可知,當工作面推進至20 m時,煤層開采后采空區覆巖失去了支撐,致使上覆巖層因重力而產生的載荷向采空區兩側的煤體轉移,在此處形成應力集中;
隨著工作面繼續推進至50~100 m時,覆巖開始垮落,從原巖應力至側向支承壓力,其圍巖應力的演變呈現遞增趨勢,形成應力集中區,隨著推進距離的增大,應力集中區的應力分布范圍也在不斷增大,其區域基本呈軸對稱分布。在工作面的持續回采下,采空區覆巖逐漸出現塑性破壞,該區域豎向應力迅速減小,形成了呈拋物形態分布的采動卸壓區域。由于(9-15)08工作面煤層厚度較大,導致主關鍵層下方卸壓區域增大,其高度也相應增大。隨著工作面向前推進,主關鍵層逐漸出現彎曲下沉,下方的卸壓區域范圍繼續擴大,卸壓區域高度進一步發育但未超過主關鍵層。
由上述模擬結果可知,工作面煤層開采后致使圍巖應力重新分布,沿煤層走向形成卸壓區和應力集中區,并呈現水平對稱分布。隨著工作面的推進,卸壓區高度逐漸升高,使得卸壓瓦斯的運移空間也相應的擴大,在此過程中,卸壓區高度受主關鍵層的影響,其高度增大的速率有所減緩。
圖7為工作面開采穩定后覆巖應力傾向分布特征的數值模擬結果。
圖7 覆巖傾向采動應力變化云圖Fig.7 Cloud chart of mining stress variation of overlying rock along inclination
采動覆巖傾向應力的演變呈現遞增趨勢,形成了應力集中區域,區域內應力分布在2.06~10 MPa之間。在采動的持續影響下,采空區覆巖出現了具有卸壓性質的塑性破壞,巖體從變形到斷裂,豎向應力驟減,形成了采動卸壓區域,區域內應力分布在0.2~1.56 MPa之間。當煤層角度較大時,工作面煤層開采后,最大卸壓區高度逐漸向上端頭側偏移,導致應力場分布不對稱性增強。
通過煤層頂板布置的應力測線,記錄工作面推進過程的頂板應力變化,引入應力集中系數(當前所測應力數據與煤層未開采之前所測應力的比值)更加直觀反映頂板應力變化規律。如圖8所示,圖8(a)為(9-15)08工作面推進過程中各個周期來壓所對應的頂板應力,其應力峰值與推進距成正比關系。根據第8次周期來壓的頂板應力分布規律,如圖8(b)所示,將其分為應力集中區和采動影響區,在采動影響區內,兩側的應力集中系數比中間小,這是由于切眼和工作面附近的巖層垮落時,斷裂巖體之間相互咬合,易形成具有支承作用的鉸接結構。而壓實區中部則受到上覆巖層垂直向下的壓力,裂隙被壓縮,應力向下傳遞,導致中間區域應力集中系數較高,因此將采動影響區進一步劃分為裂隙區和中部壓實區,在裂隙區和壓實區的邊界處,應力集中系數存在明顯變化。
圖8 (9-15)08工作面頂板應力變化Fig.8 Roof stress variation of (9-15)08 working face
根據前述分析,數值模擬所得覆巖冒落帶和裂隙帶的厚度分別為20,45 m,受回采擾動的影響,傾斜厚煤層工作面采動覆巖總體垮落形態沿煤層走向呈軸對稱梯臺狀分布,沿煤層傾向呈軌道順槽側高、皮帶順槽側低的非對稱垮落橢拋帶形態,依據數值模擬研究結果可指導瓦斯抽采鉆孔的布置。
1)沿煤層走向方向,越靠近采空區中部的巖體其位移變化越大,呈現對稱分布;
沿煤層傾向方向,覆巖位移變化越顯著,巖體位移呈現非對稱分布,位移變化的第1層階梯所處區域為冒落帶,即0~20 m,第2層階梯所處區域為裂隙帶,即20~65 m。
2)根據應力集中系數變化可將采空區覆巖分為靠近切眼、靠近工作面的2個裂隙區和中部壓實區。裂隙區未完全垮落的鉸接結構具有支承作用,導致裂隙區的應力集中系數較小,而中部壓實區則受覆巖垂直向下的壓力,導致該區域應力集中系數較高。
3)傾斜厚煤層工作面采動覆巖總體垮落形態沿煤層走向呈軸對稱梯臺狀分布,沿煤層傾向呈軌道順槽側高、皮帶順槽風巷側低的非對稱垮落橢拋帶形態,為瓦斯抽采系統布置提供一定的理論依據。
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