下層狀開(kāi)采覆巖卸壓效果的數(shù)值模擬

下層狀開(kāi)采覆巖卸壓效果的數(shù)值模擬

0地層間距和下間距1933年，法國(guó)首次進(jìn)行了保護(hù)工程?，F(xiàn)在，保護(hù)挖掘是預(yù)防和管理煤、磚瓦突出問(wèn)題的最有效方法之一，已經(jīng)經(jīng)歷了80多年的發(fā)展。保護(hù)層開(kāi)采技術(shù)日漸成熟,在突出危險(xiǎn)參數(shù)和保護(hù)范圍的確定以及卸壓瓦斯抽放等方面都積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。隨著保護(hù)層與突出煤層(被保護(hù)層)間距的加大,保護(hù)效果逐漸降低,遠(yuǎn)距離保護(hù)層可能會(huì)出現(xiàn)保護(hù)效果不足、甚至失效的問(wèn)題。同時(shí),地質(zhì)條件不同,保護(hù)層的保護(hù)范圍和效果差異很大。因此需要對(duì)被保護(hù)層的保護(hù)效果進(jìn)行考察。《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》第四十條規(guī)定:“突出礦井首次開(kāi)采某個(gè)保護(hù)層時(shí),應(yīng)當(dāng)對(duì)被保護(hù)層進(jìn)行區(qū)域措施效果檢驗(yàn)及保護(hù)范圍的實(shí)際考察”。平煤股份十礦戊組煤層與丁組煤層層間距在80m左右,距離較遠(yuǎn),屬于遠(yuǎn)程下保護(hù)層開(kāi)采。而國(guó)內(nèi)目前對(duì)于下間距在80m以上下保護(hù)層開(kāi)采的研究較少。鑒于此,本文通過(guò)對(duì)平煤股份十礦丁5,6煤層與下方的戊組煤層的地質(zhì)狀況和開(kāi)采現(xiàn)狀的分析,采用數(shù)值模擬軟件,研究保護(hù)層戊組煤層采出后覆巖的移動(dòng)變化特征及被保護(hù)層丁5,6煤層的保護(hù)效果,對(duì)丁組煤層的安全開(kāi)采有重要的指導(dǎo)意義。1數(shù)值模型的構(gòu)建1.1工作面煤層模型本文主要采用FLAC3D軟件對(duì)平煤十礦遠(yuǎn)程下保護(hù)層開(kāi)采覆巖垮落移動(dòng)進(jìn)行模擬,包含了從戊組底板起至丁5,6煤層頂板止這部分的煤巖體。丁5,6煤層,煤層厚度1.6~2.6m,一般在2m左右。工作面煤層結(jié)構(gòu)單一,厚度穩(wěn)定,煤層傾角6°~12°,一般在10°左右;戊組煤層厚度3.8~4.8m,一般4m,煤層傾角9.2°~11.1°,采用垮落法管理頂板。模擬時(shí)可將區(qū)域內(nèi)巖層物理力學(xué)性質(zhì)相同或相近的巖層歸為同一組,這樣既保持了模型的一致性,又方便計(jì)算。在與現(xiàn)場(chǎng)保持一致的情況下對(duì)模型進(jìn)行了優(yōu)化,模型的具體參數(shù)為:丁5,6煤層厚度2m,戊組4m,傾角為10°;模型包含戊組、丁5,6煤層在內(nèi)共15層煤巖體,長(zhǎng)度為350m,寬度為250m,高度為138m;定義煤層回采方向?yàn)閤軸,垂直回采方向?yàn)閥軸,豎直方向?yàn)閦軸,模型網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖1。1.2熱重?zé)岱嵫莼痗ohe-sion、熱演化dehnraft、熱演化cohe-sion、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、密度density計(jì)算模型采用摩爾-庫(kù)侖模型,需用參數(shù)有:體積模量(Bulkmodulus)、剪切模量(Shearmodulus)、抗拉強(qiáng)度(Tensilestrength)、內(nèi)聚力(Cohe-sion)、內(nèi)摩擦角(Friction)、密度(Density)等。各煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)依據(jù)地質(zhì)勘查資料并結(jié)合實(shí)際合理優(yōu)化(見(jiàn)表1)。1.3表面位移邊界條件(1)位移邊界條件:固定x=0和x=350的面上x(chóng)方向上的位移為0;固定y=0和y=250面上y方向上的位移為0;固定z=0面上z方向的位移為0。(2)應(yīng)力邊界條件:模型的頂部應(yīng)力由上覆巖層重力構(gòu)成,即原巖應(yīng)力作為上部載荷施加在模型頂部,根據(jù)模型埋深可求出施加載荷。模型的頂部載荷簡(jiǎn)化為均布載荷,覆巖密度取值為2500kg/m3,重力加速度取9.8m/s2,據(jù)此可求得上部巖層加載應(yīng)力為18.25MPa,為使模型更符合深部開(kāi)挖的特點(diǎn),在模型走向及傾向施加一定的地應(yīng)力,同時(shí)可加快模型收斂。1.4煤層開(kāi)挖的邊界本模型采用FLAC3D中的六面塊體網(wǎng)格劃分模擬區(qū)域,考慮到模型的邊界效應(yīng),煤層的開(kāi)挖方法為開(kāi)切眼和停采線距模型邊界50m,進(jìn)回風(fēng)巷距邊界50m,工作面長(zhǎng)度為150m,模型開(kāi)挖共分5步,每步開(kāi)挖50m,共250m。2數(shù)值模擬結(jié)果和分析2.1覆巖應(yīng)力的表現(xiàn)及覆巖形態(tài)下保護(hù)層戊組煤層采出后,圍巖向采空區(qū)移動(dòng),應(yīng)力將重新分布。隨著保護(hù)層工作面的持續(xù)推進(jìn),覆巖應(yīng)力將會(huì)動(dòng)態(tài)變化,如圖2所示。工作面推進(jìn)50m時(shí)覆巖卸壓效果微弱,但可以看到在采空區(qū)上方應(yīng)力降低,在開(kāi)切眼后方和工作面前方形成應(yīng)力集中區(qū)域,應(yīng)力集中系數(shù)為1.54左右。工作面推進(jìn)100m時(shí),被保護(hù)層在距切眼后方10m和工作面前方20m的范圍內(nèi)煤層應(yīng)力均減小,處于卸壓范圍內(nèi)。工作面推進(jìn)150m時(shí),采空區(qū)上方巖層卸壓明顯,應(yīng)力降低,卸壓效果已有效影響至丁組煤層,煤層應(yīng)力在采空區(qū)中部最小,由原來(lái)的20MPa降低至13MPa。工作面推進(jìn)200m時(shí),在距切眼前方60m起到140m止的范圍內(nèi)卸壓效果最明顯,由原來(lái)的20MPa降低為11.9MPa左右。此時(shí)丁組煤層最小應(yīng)力為11.7MPa,而在采空區(qū)中部的應(yīng)力為12MPa,煤層應(yīng)力在采空區(qū)中部有恢復(fù)的趨勢(shì),中部煤層會(huì)被壓實(shí)。工作面推進(jìn)250m時(shí),丁組煤層中最小應(yīng)力為9.7MPa,卸壓程度與200m時(shí)變化不大,但是在采空區(qū)中部煤層應(yīng)力為11MPa,中部應(yīng)力已經(jīng)開(kāi)始恢復(fù),求得此時(shí)煤層的走向卸壓角為62°。從圖2可看出,覆巖應(yīng)力的分布形態(tài)以采空區(qū)中部為對(duì)稱軸基本呈對(duì)稱分布。可以得知在被保護(hù)層受采動(dòng)影響卸壓充分后,其應(yīng)力在沿著煤層走向上的最終形態(tài)為:原始應(yīng)力區(qū)-應(yīng)力集中區(qū)-卸壓區(qū)-應(yīng)力恢復(fù)區(qū)-卸壓區(qū)-應(yīng)力集中區(qū)-原始應(yīng)力區(qū)。應(yīng)力的分布形態(tài)一定程度上決定了煤層的膨脹變形量,在卸壓區(qū)域內(nèi)煤層膨脹變形,孔隙被打開(kāi),透氣性增強(qiáng);而在應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)煤層被壓實(shí),孔隙閉合,透氣性降低。2.2工作面斷裂引起的塑性分布下保護(hù)層戊組煤層采出后,覆巖原有受力平衡被打破,會(huì)產(chǎn)生損傷破壞,在FLAC3D中可以用塑性區(qū)來(lái)判別煤巖體產(chǎn)生的破壞類型,塑性區(qū)分布特征如圖3所示。采空區(qū)覆巖首先發(fā)生剪切破壞,后產(chǎn)生拉伸破壞,導(dǎo)致頂板垮落并產(chǎn)生裂隙。隨著工作面的推進(jìn),塑性區(qū)不斷的擴(kuò)大,尤其是關(guān)鍵層破斷后,關(guān)鍵層上方的巖層會(huì)受到劇烈影響,產(chǎn)生大面積的塑性變形。在圖中可以看到在采空區(qū)上方一定范圍內(nèi),靠近采空區(qū)的巖層處于剪切破壞和拉伸破壞范圍,中部產(chǎn)生拉伸破壞,頂部產(chǎn)生剪切破壞,在周邊則產(chǎn)生剪切破壞。由于在切眼和工作面前方有煤壁存在,其附近巖層產(chǎn)生大范圍的剪切破壞,裂隙發(fā)育,采空區(qū)中部塑性區(qū)域逐漸減少,曾經(jīng)發(fā)育的裂隙被逐漸壓實(shí),最終整個(gè)塑性分布形成邊緣高中部低的形態(tài)。依據(jù)塑性區(qū)分布可以劃分覆巖“三帶”分布范圍,垮落帶發(fā)育高度為14m,裂隙帶發(fā)育高度為50m,丁組煤層處于彎曲下沉帶內(nèi)。2.3煤層膨脹率分布規(guī)律在丁組煤層底板及頂板各布置一條觀測(cè)線,記錄其位移變化情況。當(dāng)?shù)装逑鲁亮扛哂陧敯鍟r(shí)煤層所占空間變大,煤體卸壓,產(chǎn)生膨脹變形,孔隙增多,瓦斯解吸;當(dāng)?shù)装逑鲁亮可儆陧敯逑鲁亮繒r(shí),表明煤層所占空間變小,煤體被壓縮,應(yīng)力集中,孔隙閉合。煤層膨脹變形量是衡量保護(hù)層開(kāi)采效果的一個(gè)重要指標(biāo),它不僅反映了瓦斯的排放情況,也表明了地應(yīng)力的變化。煤層膨脹變形量的曲線形態(tài)與煤層中的應(yīng)力分布相關(guān),應(yīng)力大膨脹變形量低,反之則升高。膨脹變形量可用底板位移減去頂板位移除以煤層厚度得出,如果數(shù)值為正值則表明煤層卸壓產(chǎn)生膨脹,否則煤層被壓實(shí),透氣性系數(shù)降低。圖4為不同的開(kāi)挖步距下煤層的膨脹率變化曲線。據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)保護(hù)層開(kāi)采的研究,當(dāng)煤層的膨脹率在3‰~6‰時(shí),下保護(hù)層的開(kāi)采已有效果,煤層可以得到充分卸壓,所受應(yīng)力減小,同時(shí)煤層的透氣性將成百倍千倍的增加,煤體內(nèi)的裂隙和孔隙充分發(fā)育,瓦斯解吸,如果采取人工抽放卸壓瓦斯的方法可將保護(hù)范圍擴(kuò)大更多。分析圖4可以發(fā)現(xiàn),在煤層開(kāi)挖50~150m時(shí)煤層膨脹率都經(jīng)歷了壓縮、膨脹變形到最大、再被壓縮、到工作面遠(yuǎn)處不發(fā)生變形的過(guò)程。煤層的膨脹率在采空區(qū)中部達(dá)到最大,從中部往兩側(cè)緩慢變小,基本呈對(duì)稱分布,在切眼后方和工作面前方10m范圍內(nèi)被保護(hù)煤層都受到卸壓影響產(chǎn)生膨脹。當(dāng)工作面推進(jìn)200m時(shí),位于采空區(qū)上方中部的煤層產(chǎn)生大面積的膨脹變形,在距開(kāi)切眼55~150m的范圍內(nèi)膨脹率保持在6‰以上,而從采空區(qū)中部向兩側(cè)膨脹率迅速變小,在遠(yuǎn)離開(kāi)切眼和工作面的位置,膨脹率為負(fù)值,煤層被壓縮。當(dāng)煤層開(kāi)挖至250m時(shí),由于煤層中部所受應(yīng)力逐漸恢復(fù),所以中部的煤層膨脹率有明顯下降的趨勢(shì),但在距開(kāi)切眼45~205m的范圍內(nèi)煤層膨脹率都保持在6‰以上,最高數(shù)值達(dá)到7.73‰,保護(hù)范圍繼續(xù)擴(kuò)大,中部被壓縮區(qū)域膨脹率為6.38‰。從整體上看煤層膨脹率逐漸呈現(xiàn)出“M”形的分布規(guī)律。隨著工作面推進(jìn)距離的增加,處于卸壓影響范圍外的煤體被壓縮的程度越高,工作面推進(jìn)50m時(shí)開(kāi)切眼后方50m內(nèi)最大壓縮率為0.46‰,工作面推進(jìn)250m時(shí),煤層最大壓縮率達(dá)到1.73‰,應(yīng)力集中程度逐漸增高,這是因?yàn)樵絹?lái)越多的覆巖重量分至采空區(qū)周?chē)拿簬r體承受所致,因此在此范圍內(nèi)進(jìn)行采掘作業(yè)時(shí)必須提高警惕。整體上被保護(hù)煤層的膨脹率以采空區(qū)中部為對(duì)稱軸,基本呈現(xiàn)對(duì)稱分布。當(dāng)煤層卸壓充分穩(wěn)定后,按照膨脹率的變化規(guī)律被保護(hù)層可以分為:原始狀態(tài)、煤層壓縮區(qū)、膨脹增大區(qū)、膨脹縮小區(qū)、膨脹增大區(qū)、膨脹縮小區(qū)、煤層壓縮區(qū)、原始狀態(tài)幾個(gè)區(qū)域。3采空區(qū)中部開(kāi)采(1)平煤股份十礦遠(yuǎn)距離下保護(hù)層開(kāi)采后,覆巖及被保護(hù)層應(yīng)力明顯降低,當(dāng)開(kāi)挖至200m時(shí),被保護(hù)層已經(jīng)得到充分卸壓,應(yīng)力由20MPa降低至11.7MPa,此時(shí)走向卸壓角為62°;開(kāi)挖至250m時(shí),被保護(hù)層的應(yīng)力從采空區(qū)中部開(kāi)始有恢復(fù)的趨勢(shì),應(yīng)力最終呈“M”形分布。(2)通過(guò)對(duì)覆巖塑性區(qū)的分布特征分析,得出垮落帶發(fā)育高度為14m,裂隙帶發(fā)育高度為50m,丁組煤層處于采動(dòng)影響形成的彎曲下沉帶內(nèi)。(3)保護(hù)層工作面推進(jìn)至200m時(shí),被保護(hù)層中