秦　濤,齊宏偉,劉永立

(1.黑龍江科技學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院,哈爾濱 150027; 2.黑龍江龍煤礦業(yè)控股集團(tuán)有限責(zé)任公司 七臺(tái)河分公司,黑龍江 七臺(tái)河 154600)

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桃山煤礦薄煤層群切頂巷區(qū)域應(yīng)力特征數(shù)值分析

秦濤1,齊宏偉2,劉永立1

(1.黑龍江科技學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院,哈爾濱 150027; 2.黑龍江龍煤礦業(yè)控股集團(tuán)有限責(zé)任公司 七臺(tái)河分公司,黑龍江 七臺(tái)河 154600)

為有效防治沖擊礦壓災(zāi)害，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬分析了桃山煤礦切頂巷區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)特征，研究切頂巷對(duì)頂板的預(yù)裂弱化作用和切頂巷的布置參數(shù)，結(jié)果表明：回風(fēng)巷下幫與瓦斯巷之間垂直應(yīng)力較高，而水平應(yīng)力則在回風(fēng)巷底板和下幫集中較明顯，切頂巷區(qū)域應(yīng)力也明顯集中，沖擊危險(xiǎn)性上升；切頂巷導(dǎo)致的應(yīng)力集中范圍為5～10 m，為了避免兩個(gè)相鄰切頂巷形成疊加應(yīng)力集中區(qū)，兩切頂巷間距應(yīng)不低于20 m。該研究為桃山礦薄煤層群開采切頂巷防沖技術(shù)提供了參考依據(jù)。

數(shù)值模擬； 薄煤層;切頂巷

目前,國內(nèi)外煤礦沖擊礦壓領(lǐng)域研究工作主要針對(duì)中厚以上煤層,對(duì)薄煤層開采還很少涉及。薄煤層開采過程中對(duì)圍巖特別是上覆巖層破壞程度比較低,破壞過程比較緩慢,采掘工作面形成強(qiáng)沖擊礦壓的可能性小,因此,薄煤層沖擊礦壓機(jī)理還沒有具體的理論。筆者以桃山煤礦93#煤層右三片工作面的地質(zhì)和開采條件為基礎(chǔ),通過理論分析、數(shù)值模擬手段對(duì)薄煤層群開采切頂巷區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)特征進(jìn)行研究,討論切頂巷對(duì)頂板的預(yù)裂弱化作用大小和切頂巷布置的合理參數(shù)。

1　切頂巷防沖機(jī)制

薄煤層群開采切頂巷防沖方法是在長壁采煤工作面鄰近采空區(qū)一側(cè)的上順槽與瓦斯高抽巷之間掘進(jìn)聯(lián)絡(luò)巷(即切頂巷),聯(lián)接上順槽與瓦斯高抽巷,切頂巷穿入或穿過厚層堅(jiān)硬頂板,破壞了厚層堅(jiān)硬頂板的完整性[1-3]。當(dāng)工作面推進(jìn)至切頂巷區(qū)域時(shí),堅(jiān)硬頂板受切頂巷弱化作用,首先從切頂巷邊角應(yīng)力集中位置形成裂紋擴(kuò)展,并最終導(dǎo)致厚層堅(jiān)硬頂板沿切頂巷區(qū)域破斷,避免堅(jiān)硬頂板在工作面后方形成大面積懸頂導(dǎo)致工作面煤體應(yīng)力集中并最終導(dǎo)致沖擊礦壓災(zāi)害[4-5]。

2　數(shù)值模擬模型

2.1工作面概況

桃山煤礦93#煤層右三片工作面位于一采區(qū)左翼,上部93左四片降段已回采完畢,下部93左二片未形成工作面。上部為94#煤層,下部91#煤層,左部二水平風(fēng)井保護(hù)煤柱,右部邊界上山;該煤層傾角20°～28°,平均傾角25°,煤層節(jié)理發(fā)育,厚度穩(wěn)定,頂?shù)装鍩o涌水、淋水,煤層本身不含水,回采范圍內(nèi)無褶曲。

2.2模型建立

模型依據(jù)桃山煤礦一采區(qū)93右三片地質(zhì)及開采設(shè)計(jì)資料建立。模型巖層層狀布置主要參考93右三片工作面鉆孔柱狀圖。為了模型建立的合理性和有效性,對(duì)巖層層狀略微簡(jiǎn)化。

根據(jù)93右三片工作面布置,考慮到模型對(duì)稱性和計(jì)算機(jī)計(jì)算量，設(shè)計(jì)模型(圖1)長(y)×寬(x)×高(z)=160 m×150 m×120 m,模型底部模擬開采深度為800 m。其中,考慮到近似對(duì)稱性,93右二片、93右三片工作面分別建立工作面長度的一半?；仫L(fēng)巷與瓦斯巷中心間距為18 m,x方向左右邊界設(shè)定無x方向位移,y方向前后邊界無y方向位移。建立的FLAC3D模型如圖2所示。模型共建立巖層13層,劃分模型單元144 240個(gè)。

圖1　模型空間結(jié)構(gòu)

圖2　FLAC3D數(shù)值分析模型

模型所處應(yīng)力狀態(tài)根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果進(jìn)行賦值,表1為模型初始應(yīng)力賦值情況，其中，k為應(yīng)力在z方向上的變化率。由表1可見,模型x方向?yàn)樽畲笾鲬?yīng)力方向,z方向?yàn)樽钚≈鲬?yīng)力方向。由于受工作面開挖的影響,z方向?qū)⑹艿匠皦毫?、?cè)向壓力等影響,因此,z方向和最大主應(yīng)力方向(x方向)的應(yīng)力狀態(tài)是沖擊礦壓危險(xiǎn)研究的主要方面。各巖層強(qiáng)度等屬性參數(shù)按照桃山煤礦地質(zhì)報(bào)告及參考常規(guī)砂巖、粉砂巖等參數(shù)賦值,結(jié)果如表2所示。

表1　模型初始應(yīng)力

表2　模型材料參數(shù)

模型邊界條件為:固定下邊界z位移,固定x=0、x=150面x位移,固定y=0、y=160面y位移,在模型頂部施加均布載荷σzz=-13.17 MPa。

模型中瓦斯巷、切頂巷為矩形,寬×高:4 m×3 m,風(fēng)巷為梯形巷道,破底掘進(jìn),寬4 m。

3　模擬結(jié)果分析

3.1無切頂巷工作面應(yīng)力狀態(tài)

圖3a為無切頂巷時(shí)σzz分布立體云圖。為了與開掘切頂巷應(yīng)力分布對(duì)比,在立體云圖上取兩個(gè)剖面詳細(xì)分析,其中一個(gè)與xy平面平行的橫剖面,一個(gè)與xz平面平行的縱剖面(圖3b)。由圖3分析可知:93右二片開采后形成采空區(qū),采空區(qū)懸頂在下片上側(cè),即93右三片回風(fēng)巷下幫煤體形成應(yīng)力集中,垂直應(yīng)力σzz最大超過70 MPa,采空區(qū)中部頂板觸矸,應(yīng)力有所恢復(fù),在采空區(qū)邊沿頂?shù)装逍纬蓱?yīng)力降低區(qū);93右三片回風(fēng)巷下幫與瓦斯巷間垂直應(yīng)力集中較高,最大集中應(yīng)力達(dá)到70 MPa,最大垂直應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到5左右,應(yīng)力集中系數(shù)在2以上的應(yīng)力集中區(qū)域在93右三片回風(fēng)巷下幫15 m范圍,頂?shù)装鍛?yīng)力集中范圍約30 m;93右二片下巷留巷充填體,垂直應(yīng)力較低,未出現(xiàn)高應(yīng)力集中。

圖3　無切頂巷工作面回采前σzz分布立體云圖

桃山煤礦原巖應(yīng)力測(cè)試表明,該礦水平應(yīng)力為最大主應(yīng)力,且最大水平應(yīng)力平行于模型x軸,工作面回采前93煤層巷道區(qū)域應(yīng)力分布曲線如圖4所示。由圖4分析可知,雖然水平原巖應(yīng)力是最大主應(yīng)力,但由于93右二片開采,水平應(yīng)力在93右二片得到釋放,93右二片工作面成為93右三片的水平應(yīng)力的卸壓保護(hù)區(qū)。另外,垂直方向上受鄰近采空區(qū)影響,93右二片開挖后,93右三片靠近回風(fēng)巷區(qū)域垂直應(yīng)力幾乎與最大主應(yīng)力σmax相等,水平應(yīng)力與中間主應(yīng)力σmed大小相當(dāng)。水平應(yīng)力在回風(fēng)巷底板以及巷道下幫集中程度較高,回風(fēng)巷底板水平應(yīng)力最大處達(dá)50～60 MPa,巷道下幫水平應(yīng)力集中區(qū)范圍較大,集中區(qū)域x方向?qū)挾冗_(dá)15 m左右(集中系數(shù)為2的區(qū)域),因此應(yīng)當(dāng)注意水平應(yīng)力作用誘發(fā)的巷道底板以及下幫的沖擊礦壓災(zāi)害。

圖4　無切頂巷工作面回采前93煤層巷道區(qū)域應(yīng)力分布曲線

綜合分析,93右三片回風(fēng)巷下幫垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力集中程度都較高,因此,在高應(yīng)力作用下,煤巖體聚集大量彈性能量之后,由于水平應(yīng)力作用,巷道下幫煤體發(fā)生屈服變形,穩(wěn)定性降低,易發(fā)生沖擊礦壓。

3.2設(shè)置切頂巷工作面應(yīng)力狀態(tài)

在93右三片工作面未開采的條件下,開挖切頂巷后,切頂巷區(qū)域的應(yīng)力分布立體云圖及切片云圖如圖5所示。開掘切頂巷后,巷道區(qū)域總的受力狀態(tài)沒有大的改變,93右二片采空區(qū)懸頂在下片上側(cè),即93右三片回風(fēng)巷下幫煤體形成應(yīng)力集中,垂直應(yīng)力σzz最大值超70 MPa。應(yīng)力主要在93右三片回風(fēng)巷下幫集中。93右二片采空區(qū)中部頂板觸矸,應(yīng)力有所恢復(fù),在采空區(qū)邊沿頂?shù)装逍纬蓱?yīng)力降低區(qū)。

圖5　有切頂巷工作面回采前σzz分布立體云圖

圖6為設(shè)置切頂巷時(shí)93右三片回風(fēng)巷區(qū)域的應(yīng)力分布切片云圖(切頂巷中部)。開掘切頂巷后,切頂巷中部巷道頂?shù)装鍛?yīng)力集中較小,巷道兩幫2 m深煤體應(yīng)力集中程度較高,與不開掘切頂巷相比,掘巷后,巷道兩側(cè)應(yīng)力集中程度要高出10 MPa,主要區(qū)域?yàn)橄锏纼蓭?～3 m深。

將切頂巷區(qū)域垂直應(yīng)力云圖局部放大可見,由于開掘切頂巷,切頂巷區(qū)域產(chǎn)生了應(yīng)力集中,受影響區(qū)域5～10 m(圖7)。開掘切頂巷后,93右三片回風(fēng)巷下幫煤體應(yīng)力集中范圍也有所擴(kuò)大,達(dá)到15 m左右。因此,開掘切頂巷后,當(dāng)工作面過切頂巷時(shí),應(yīng)加強(qiáng)沖擊礦壓防治工作。為避免兩個(gè)相鄰切頂巷形成疊加應(yīng)力集中區(qū),兩切頂巷間距應(yīng)不低于20 m。

圖6　工作面有切頂巷回采前縱剖面σzz分布云圖

圖7　工作面有切頂巷回采前橫剖面σzz分布云圖

工作面有切頂巷回采前切頂巷區(qū)域93煤x方向應(yīng)力分布曲線(y方向距切頂巷2 m),如圖8所示。由圖8可見,沿x方向上93煤層應(yīng)力分布垂直應(yīng)力集中程度較高,回風(fēng)巷下幫附近,應(yīng)力梯度較大,沖擊危險(xiǎn)性較高,巷旁充填體由于變形能量較大,應(yīng)力較低[6-8]?；仫L(fēng)巷下幫應(yīng)力集中范圍15 m左右,應(yīng)力峰值在距煤壁1～4 m處,因此,采用煤體卸壓防治沖擊礦壓時(shí),鉆孔深度需達(dá)到5～10 m。

工作面有切頂巷回采前切頂巷區(qū)域93煤y方向應(yīng)力分布曲線,如圖9所示，分析可知:93煤層沿y方向距回風(fēng)巷2、4 m的應(yīng)力分布,垂直應(yīng)力均較高,切頂巷兩幫1～3 m應(yīng)力有較大應(yīng)力集中。因此,工作面過切頂巷時(shí),沖擊危險(xiǎn)較其他區(qū)域略高,需要采取更有效的方法防治沖擊礦壓發(fā)生。

圖8　工作面有切頂巷回采前切頂巷區(qū)域93煤x方向應(yīng)力分布曲線

圖9　工作面有切頂巷回采前切頂巷區(qū)域93煤y方向應(yīng)力分布曲線

4　結(jié)　論

(1)相鄰工作面開采后,在采空區(qū)下部形成懸頂,懸頂范圍20～30 m,采空區(qū)頂板應(yīng)力降低區(qū)范圍30～50 m,鄰面采空區(qū)懸頂導(dǎo)致風(fēng)巷下幫應(yīng)力集中,垂直應(yīng)力集中最大達(dá)到70 MPa。最大垂直應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到5左右,應(yīng)力集中系數(shù)在2以上的應(yīng)力集中區(qū)域在93右三片回風(fēng)巷下幫15 m范圍,頂?shù)装鍛?yīng)力集中范圍約30 m。

(2)水平應(yīng)力σxx在回風(fēng)巷底板以及巷道下幫集中程度較高,回風(fēng)巷底板水平應(yīng)力最大處達(dá)50～60 MPa,巷道下幫水平應(yīng)力集中區(qū)范圍較大,集中區(qū)域x方向?qū)挾冗_(dá)15 m左右(集中系數(shù)為2的區(qū)域)。

(3)掘切頂巷后,切頂巷區(qū)域產(chǎn)生了應(yīng)力集中,切頂巷導(dǎo)致的應(yīng)力集中范圍5～10 m;因此,當(dāng)工作面過切頂巷時(shí),應(yīng)加強(qiáng)沖擊礦壓防治工作;為了避免兩個(gè)相鄰切頂巷形成疊加應(yīng)力集中區(qū),兩切頂巷間距應(yīng)不低于20 m。

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(編輯王冬)

Cutting roof roadway regional stress characteristics numerical analysis of thin coal seam group in Taoshan Mine

QIN Tao1，QI Hongwei2,LIU Yongli1

(1.College of Resources &Environmental Engineering,Heilongjiang Institute of Science &Technology,Harbin 150027,China;2.Qitaihe Branch， Heilongjiang Longmay Mining Hoiling Group Co.Ltd.,Qitaihe 154600,China)

Aimed at effective controlling rock burst hazard,this paper discusses the simulation and analysis of the stress state characteristic of the Taoshan Mine cutting roof roadway region by FLAC3Dand study on presplitting weakening effect and layout parameters as in the case of cutting roof roadway.The results show the occurrence of a higher vertical stress on the low side of return airway and gas roadway,along with the obvious concentration of the horizontal stress in floor and low side of the return airway,the obvious concentration of stress of cutting roof roadway,the resultant rise in the level of rock burst hazard,and stress concentration in the range of 5～10 m due to cutting roof roadway.It follows that distance between two cutting roof roadway are no less than 20 m,to avoid stress concentration regions by two adjacent cutting roof roadway superposition.The research provides reference basis for rock burst prevention of cutting roof roadway of mining thin coal seam group in Taoshan Mine.

numerical simulation;thin coal seam;cutting roof roadway

1671-0118(2012)05-0461-05

2012-06-28

秦濤(1983-),男,黑龍江省佳木斯人,講師,碩士,研究方向:采煤方法與圍巖控制,E-mail:19140270@qq.com。

TD324.2

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