下層狀開采覆巖卸壓效果的數(shù)值模擬

下層狀開采覆巖卸壓效果的數(shù)值模擬

0地層間距和下間距1933年，法國首次進行了保護工程?，F(xiàn)在，保護挖掘是預防和管理煤、磚瓦突出問題的最有效方法之一，已經(jīng)經(jīng)歷了80多年的發(fā)展。保護層開采技術日漸成熟,在突出危險參數(shù)和保護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。隨著保護層與突出煤層(被保護層)間距的加大,保護效果逐漸降低,遠距離保護層可能會出現(xiàn)保護效果不足、甚至失效的問題。同時,地質條件不同,保護層的保護范圍和效果差異很大。因此需要對被保護層的保護效果進行考察?！斗乐蚊号c瓦斯突出規(guī)定》第四十條規(guī)定:“突出礦井首次開采某個保護層時,應當對被保護層進行區(qū)域措施效果檢驗及保護范圍的實際考察”。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,屬于遠程下保護層開采。而國內(nèi)目前對于下間距在80m以上下保護層開采的研究較少。鑒于此,本文通過對平煤股份十礦丁5,6煤層與下方的戊組煤層的地質狀況和開采現(xiàn)狀的分析,采用數(shù)值模擬軟件,研究保護層戊組煤層采出后覆巖的移動變化特征及被保護層丁5,6煤層的保護效果,對丁組煤層的安全開采有重要的指導意義。1數(shù)值模型的構建1.1工作面煤層模型本文主要采用FLAC3D軟件對平煤十礦遠程下保護層開采覆巖垮落移動進行模擬,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。工作面煤層結構單一,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。模擬時可將區(qū)域內(nèi)巖層物理力學性質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,又方便計算。在與現(xiàn)場保持一致的情況下對模型進行了優(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,長度為350m,寬度為250m,高度為138m;定義煤層回采方向為x軸,垂直回采方向為y軸,豎直方向為z軸,模型網(wǎng)格劃分見圖1。1.2熱重熱法熱演化cohe-sion、熱演化dehnraft、熱演化cohe-sion、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、密度density計算模型采用摩爾-庫侖模型,需用參數(shù)有:體積模量(Bulkmodulus)、剪切模量(Shearmodulus)、抗拉強度(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參數(shù)依據(jù)地質勘查資料并結合實際合理優(yōu)化(見表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)應力邊界條件:模型的頂部應力由上覆巖層重力構成,即原巖應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力為18.25MPa,為使模型更符合深部開挖的特點,在模型走向及傾向施加一定的地應力,同時可加快模型收斂。1.4煤層開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,煤層的開挖方法為開切眼和停采線距模型邊界50m,進回風巷距邊界50m,工作面長度為150m,模型開挖共分5步,每步開挖50m,共250m。2數(shù)值模擬結果和分析2.1覆巖應力的表現(xiàn)及覆巖形態(tài)下保護層戊組煤層采出后,圍巖向采空區(qū)移動,應力將重新分布。隨著保護層工作面的持續(xù)推進,覆巖應力將會動態(tài)變化,如圖2所示。工作面推進50m時覆巖卸壓效果微弱,但可以看到在采空區(qū)上方應力降低,在開切眼后方和工作面前方形成應力集中區(qū)域,應力集中系數(shù)為1.54左右。工作面推進100m時,被保護層在距切眼后方10m和工作面前方20m的范圍內(nèi)煤層應力均減小,處于卸壓范圍內(nèi)。工作面推進150m時,采空區(qū)上方巖層卸壓明顯,應力降低,卸壓效果已有效影響至丁組煤層,煤層應力在采空區(qū)中部最小,由原來的20MPa降低至13MPa。工作面推進200m時,在距切眼前方60m起到140m止的范圍內(nèi)卸壓效果最明顯,由原來的20MPa降低為11.9MPa左右。此時丁組煤層最小應力為11.7MPa,而在采空區(qū)中部的應力為12MPa,煤層應力在采空區(qū)中部有恢復的趨勢,中部煤層會被壓實。工作面推進250m時,丁組煤層中最小應力為9.7MPa,卸壓程度與200m時變化不大,但是在采空區(qū)中部煤層應力為11MPa,中部應力已經(jīng)開始恢復,求得此時煤層的走向卸壓角為62°。從圖2可看出,覆巖應力的分布形態(tài)以采空區(qū)中部為對稱軸基本呈對稱分布。可以得知在被保護層受采動影響卸壓充分后,其應力在沿著煤層走向上的最終形態(tài)為:原始應力區(qū)-應力集中區(qū)-卸壓區(qū)-應力恢復區(qū)-卸壓區(qū)-應力集中區(qū)-原始應力區(qū)。應力的分布形態(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,透氣性增強;而在應力集中區(qū)內(nèi)煤層被壓實,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層戊組煤層采出后,覆巖原有受力平衡被打破,會產(chǎn)生損傷破壞,在FLAC3D中可以用塑性區(qū)來判別煤巖體產(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,導致頂板垮落并產(chǎn)生裂隙。隨著工作面的推進,塑性區(qū)不斷的擴大,尤其是關鍵層破斷后,關鍵層上方的巖層會受到劇烈影響,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,最終整個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線,記錄其位移變化情況。當?shù)装逑鲁亮扛哂陧敯鍟r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?shù)装逑鲁亮可儆陧敯逑鲁亮繒r,表明煤層所占空間變小,煤體被壓縮,應力集中,孔隙閉合。煤層膨脹變形量是衡量保護層開采效果的一個重要指標,它不僅反映了瓦斯的排放情況,也表明了地應力的變化。煤層膨脹變形量的曲線形態(tài)與煤層中的應力分布相關,應力大膨脹變形量低,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,透氣性系數(shù)降低。圖4為不同的開挖步距下煤層的膨脹率變化曲線。據(jù)國內(nèi)外對保護層開采的研究,當煤層的膨脹率在3‰~6‰時,下保護層的開采已有效果,煤層可以得到充分卸壓,所受應力減小,同時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范圍擴大更多。分析圖4可以發(fā)現(xiàn),在煤層開挖50~150m時煤層膨脹率都經(jīng)歷了壓縮、膨脹變形到最大、再被壓縮、到工作面遠處不發(fā)生變形的過程。煤層的膨脹率在采空區(qū)中部達到最大,從中部往兩側緩慢變小,基本呈對稱分布,在切眼后方和工作面前方10m范圍內(nèi)被保護煤層都受到卸壓影響產(chǎn)生膨脹。當工作面推進200m時,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)中部向兩側膨脹率迅速變小,在遠離開切眼和工作面的位置,膨脹率為負值,煤層被壓縮。當煤層開挖至250m時,由于煤層中部所受應力逐漸恢復,所以中部的煤層膨脹率有明顯下降的趨勢,但在距開切眼45~205m的范圍內(nèi)煤層膨脹率都保持在6‰以上,最高數(shù)值達到7.73‰,保護范圍繼續(xù)擴大,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50m時開切眼后方50m內(nèi)最大壓縮率為0.46‰,工作面推進250m時,煤層最大壓縮率達到1.73‰,應力集中程度逐漸增高,這是因為越來越多的覆巖重量分至采空區(qū)周圍的煤巖體承受所致,因此在此范圍內(nèi)進行采掘作業(yè)時必須提高警惕。整體上被保護煤層的膨脹率以采空區(qū)中部為對稱軸,基本呈現(xiàn)對稱分布。當煤層卸壓充分穩(wěn)定后,按照膨脹率的變化規(guī)律被保護層可以分為: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)幾個區(qū)域。3采空區(qū)中部開采(1)平煤股份十礦遠距離下保護層開采后,覆巖及被保護層應力明顯降低,當開挖至200m時,被保護層已經(jīng)得到充分卸壓,應力由20MPa降低至11.7MPa,此時走向卸壓角為62°;開挖至250m時,被保護層的應力從采空區(qū)中部開始有恢復的趨勢,應力最終呈“M”形分布。(2)通過對覆巖塑性區(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,丁組煤層處于采動影響形成的彎曲下沉帶內(nèi)。(3)保護層工作面推進至200m時,被保護層中