四臺(tái)礦極近距離煤層采空區(qū)下圍巖承壓性能模擬分析
隨著礦井開采年限的增加,四臺(tái)礦上組煤層基本采完,已逐步開始轉(zhuǎn)入開采下組煤層,由于上下煤層層間距大多很近,在開采過程中下部煤層頂板受上部煤層開采的影響很大,掘進(jìn)及回采過程中的頂板維護(hù)困難,在開采11#層404盤區(qū)極近距離煤層的過程中,我們采用理論分析和數(shù)值模擬的方法對(duì)大同礦區(qū)“兩硬”條件下開采極近距離煤層進(jìn)行了研究分析,得出了比較合理的極近距離煤層劃分及工作面圍巖的力學(xué)性能和承壓性能。 1 盤區(qū)概況 404盤區(qū)所處的開采水平為1045水平,盤區(qū)走向長(zhǎng)度1340~1770m,傾斜長(zhǎng)度1180m,上部10#層已回采結(jié)束,下部煤層包括11#層和盤區(qū)中部1000m段11#層與12-1#層合并層,厚度20~74m,平均厚度40m,煤層傾角1~6°,平均3°,煤層與10#層層間距04~178m,大部分區(qū)段為04~15m,平均1m,11#層平均埋深為230m。 404盤區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,有陷落柱4個(gè),斷層分布較密集。11#層頂板為粉細(xì)砂巖互層,層理、節(jié)理、裂隙發(fā)育,穩(wěn)定性差,掘進(jìn)和回采時(shí)頂板不易維護(hù),易發(fā)生漏頂事故。 2 數(shù)值模擬分析煤層及頂?shù)装辶W(xué)參數(shù) 我們以11#層404盤區(qū)首采工作面8423工作面的煤層開采條件作為模擬原型,煤層柱狀圖如圖1所示,通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試煤巖層力學(xué)參數(shù)見表1所示。模擬范圍和邊界條件依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定,采空區(qū)冒落的矸石考慮為松散介質(zhì)。隨著工作面推進(jìn),矸石在覆巖作用下逐步被壓實(shí),其密度ρ、彈性摸量E和泊松比μ隨時(shí)間呈指數(shù)變化關(guān)系,最終達(dá)到恒定值。根據(jù)已有研究,ρ、E和μ變化規(guī)律可由以下經(jīng)驗(yàn)公式表示:(略) 表1 煤層及頂?shù)装鍘r層力學(xué)參數(shù)表(略) 圖1 11#層404盤區(qū)8423工作面柱狀圖 (略) 3 上部煤層開采底板巖層塑性屈服特征 31 根據(jù)彈性理論確定底板巖層的塑性屈服特征 由于煤層的開采引起回采空間圍巖應(yīng)力重新分布,不僅在回采空間周圍的煤體上產(chǎn)生應(yīng)力集中,而且該應(yīng)力會(huì)向底板深部傳遞。對(duì)于長(zhǎng)壁工作面,沿工作面推進(jìn)方向上的采空區(qū)空間斷面為矩形,開采高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于開采寬度。在遠(yuǎn)離采場(chǎng)的地方,豎直方向受原始自重應(yīng)力q=γH的作用,水平方向受原始水平應(yīng)力λq的作用,其中λ為水平應(yīng)力系數(shù)。利用彈性理論及莫爾—庫(kù)侖準(zhǔn)則,可以求出開采層邊緣下方由于應(yīng)力集中導(dǎo)致的底板巖體塑性屈服深度h為:(略) 底板巖體的******塑性屈服深度hy為:(略) 該******值在圖2所示采場(chǎng)邊緣巖體塑性屈服區(qū)域中θ=-7484°時(shí)取得(負(fù)號(hào)表示圖2中x軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn))。 上式表明,采場(chǎng)邊緣底板巖體******塑性屈服深度與工作面開采寬度成正比,與巖體中自重應(yīng)力的平方成正比關(guān)系,與巖層自身單軸抗壓強(qiáng)度平方成反比關(guān)系。 圖2 采場(chǎng)邊緣巖體塑性屈服區(qū)域(略) 底板巖體******塑性屈服深度與工作面端部的水平距離LP為:(略) 按照極近距離煤層的定義,極近距離煤層層間距離hj應(yīng)滿足下式:(略) 巖層的單軸抗壓強(qiáng)度受節(jié)理、裂隙發(fā)育程度的影響較大。四臺(tái)礦近距離煤層之間的巖層多為砂巖類,通過實(shí)驗(yàn)室煤巖力學(xué)測(cè)試,得到的此類巖石塊體的單軸抗壓強(qiáng)度在552~6563MPa,巖層的節(jié)理裂隙影響系數(shù)一般為030~055,采場(chǎng)上覆巖層的平均容重為25kN/m3,煤層平均埋深230m,工作面長(zhǎng)度為150m,由上式計(jì)算得到的極近距離煤層的間距為418~592m之間。 圖3 底板巖層的垂直應(yīng)力集中系數(shù)分布曲張(略) 32 底板巖層塑性屈服特征數(shù)值模擬 本模型以11#層8423工作面開采條件為模擬原型,建立數(shù)值分析模型。經(jīng)過數(shù)值計(jì)算得出上部10#層工作面開采后底板應(yīng)力集中系數(shù)分布和塑性屈服區(qū)域,如圖3、圖4、圖5所示。 從圖3、圖4可以看出,在距開采層3m的底板截面上,應(yīng)力峰值在煤壁前577m。在工作面推過后應(yīng)力由185γH急劇降至052γH(γH為原巖應(yīng)力),應(yīng)力差高達(dá)133γH。遠(yuǎn)離開采層時(shí),應(yīng)力變化平緩,在深度8m處工作面推進(jìn)前的******應(yīng)力為167γH(應(yīng)力峰值在煤壁前759m)。工作面推過后的最小應(yīng)力為065γH,應(yīng)力差為102γH。隨著采空區(qū)逐漸壓實(shí),工作面前后方底板巖層應(yīng)力有小幅度的升高,如在10m深的截面上,在工作面后方40m處應(yīng)力可恢復(fù)到10γH,上述情況是由于采空區(qū)冒落矸石逐漸壓實(shí)后向底板傳遞的結(jié)果,底板應(yīng)力傳遞影響角δ約19°。不同位置的豎向剖面上,σz的分布不論是在采空區(qū)還是工作面前后方煤體所作的豎向剖面上,σz最終都趨于原巖應(yīng)力。 圖4 底板不同深度巖層的應(yīng)力集中系數(shù)分布曲線(略) 應(yīng)用莫爾—庫(kù)侖準(zhǔn)則,采用直線型包絡(luò)線計(jì)算底板巖層的剪切塑性屈服區(qū)分布。巖層塑性屈服區(qū)判斷公式:(略) 如圖5為工作面底板塑性屈服區(qū)數(shù)值模擬結(jié)果,通過計(jì)算,剪切塑性屈服區(qū)的分布特點(diǎn)如下。 由于底板受工作面超前支承壓力影響,采空區(qū)下方底板以剪切塑性屈服為主。 圖5 底板巖層的剪切塑性屈服系數(shù)分布曲線(略) 底板屈服范圍的確定:取安全系數(shù)SF=1時(shí),底板屈服范圍在工作面煤壁前方165m、底板塑性屈服深度為53m;底板53m以下的SF>1,說明底板53m以下巖層內(nèi)沒有剪切塑性屈服出現(xiàn)。 由于工作面持續(xù)向前推進(jìn),底板塑性屈服區(qū)范圍隨之向前移動(dòng)。巖石塑性屈服后具有不可逆性,最終導(dǎo)致采空區(qū)下方深度為53m(取SF=1)范圍內(nèi)的巖層受工作面采動(dòng)影響而發(fā)生塑性屈服。 4 結(jié)論 ?。?)運(yùn)用彈塑性理論確定“兩硬”條件下上部煤層底板巖體******損傷,其深度的計(jì)算公式為:(略),確定大同礦區(qū)“兩硬”條件下煤層層間距6m以下的煤層為極近距離煤層。 ?。?)數(shù)值模擬結(jié)果表明,11#層8423工作面底板應(yīng)力傳遞影響角δ約為19°。采空區(qū)下方底板以剪切塑性屈服為主,在工作面煤壁前方約165m至采空區(qū)長(zhǎng)度范圍內(nèi)的底板不同程度上產(chǎn)生剪切塑性屈服,塑性屈服******深度約為53m。 |