薛寶玉,付玉平,郭勇義

(太原科技大學(xué) 環(huán)境與安全學(xué)院,太原 030021)

綜采工作面推進速度對頂板巖層活動的影響研究

薛寶玉,付玉平,郭勇義

(太原科技大學(xué) 環(huán)境與安全學(xué)院,太原 030021)

為了研究綜采工作面推進速度對頂板巖層活動的影響規(guī)律,以神東礦區(qū)上灣煤礦煤層賦存條件及開采參數(shù)為研究背景,運用FLAC3D模擬軟件,對工作面不同推進速度條件下頂板巖層的應(yīng)力場、塑性破壞區(qū)以及位移場進行了數(shù)值模擬；并提取了監(jiān)測單元的應(yīng)力值,分析了不同推進速度時頂板巖層的活動情況。結(jié)果表明，當(dāng)推進速度由12 m/d減小為3 m/d時,煤壁處工作面中部頂板巖層的垂直應(yīng)力由8.85 MPa增加到9.63 MPa,煤壁前10 m處由17.27 MPa增加到20.02 MPa;頂板巖層的最大破壞高度由7.53 m增大到12.61 m;頂板巖層的最大下沉量也增加19%；推進速度的減小導(dǎo)致頂板巖層活動頻繁,煤層頂板穩(wěn)定性降低。此研究結(jié)果為采場頂板的科學(xué)控制和管理提供了理論依據(jù)。

綜采工作面;推進速度;頂板巖層;FLAC3D模擬

頂板災(zāi)害是煤礦五大災(zāi)害中最容易發(fā)生的一種自然災(zāi)害。雖然,近幾年我國煤礦安全生產(chǎn)形勢有所好轉(zhuǎn),事故有所減少,但頂板事故的發(fā)生卻仍然相當(dāng)嚴(yán)重。據(jù)報道[1],2003—2012年,平均每年的頂板事故占煤礦總事故的51.4%,可以說頂板事故依然是國內(nèi)最嚴(yán)重的礦井災(zāi)害事故。因此,預(yù)防和控制煤礦頂板事故對安全生產(chǎn)至關(guān)重要。目前,國內(nèi)外大量的生產(chǎn)實踐以及科學(xué)研究活動中,有關(guān)學(xué)者對采場頂板移動規(guī)律進行了大量的研究。其中，楊雙鎖[2]等根據(jù)正交分析原理,運用有限單元法提出了采場頂板的穩(wěn)定性量化指標(biāo)以及分類方案;楊寶祥[3]等研究了煤層頂板周期來壓的有關(guān)規(guī)律;付玉平[4]等對大采高工作面頂板巖層的斷裂演化規(guī)律進行了模擬研究;文獻[5-9]對巷道頂板的應(yīng)力、巖層破壞以及下沉量等方面進行了研究。這些研究對頂板事故的控制與預(yù)防起了很大的作用,也為減少礦井事故奠定了理論基礎(chǔ)。但這些研究中很少涉及到工作面推進速度[10-11],而在礦井生產(chǎn)中,推進速度對煤礦開采效率及頂板巖層活動規(guī)律方面有著重要的影響?；诖?筆者運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，探討了推進速度對頂板巖層的活動影響,對不同推進速度時的頂板巖層活動規(guī)律進行了分析研究。研究結(jié)論填補了我國綜采工作面推進速度對采場頂板活動影響方面的理論,為綜采工作面開采合理推進速度的確定提供技術(shù)支持,具有重要的理論和實踐指導(dǎo)意義。

1 工作面概況

神東礦區(qū)上灣煤礦開采區(qū)域埋深較淺,一般集中在110～200 m左右。淺埋深、薄基巖、厚松散層是該礦區(qū)煤層賦存條件的典型特征。礦區(qū)1-2煤層的開采深度最小為55.82 m,最大為181.7 m,平均為118.76 m;煤層厚度最小為4.45 m,最大為6.55 m,平均為5 m;煤層傾角為1°～5°；煤層走向長度為1 050 m,傾向長度為240 m。煤層直接頂為4.16 m的炭質(zhì)泥巖,單軸抗壓強度22.8 MPa;基本頂為7.27 m的細砂巖,單軸抗壓強度44.6 MPa。

2 推進速度對頂板活動影響的機理分析

頂板巖層之所以發(fā)生運動,是因為其穩(wěn)定性發(fā)生了變化。頂板穩(wěn)定性之所以隨著采煤的進行而發(fā)生變化,其主要原因在于頂板的受力和位移發(fā)生了變化。影響受力和位移的最主要因素是頂板巖層受載活動的時間長短。從一般分析可知,支承壓力對煤壁的壓裂過程，以及在采空區(qū)的壓實過程都為時間過程;并且上覆巖層破斷以后,巖塊間的相互咬合也要經(jīng)歷失穩(wěn)階段以及處于極限平衡狀態(tài)。因此,反映在工作面,頂板的下沉與變形也是一個時間過程[12]。推進速度較慢時,頂板在同一位置滯留的時間就會較長,則頂板活動就會較多,增大了頂板下沉和發(fā)生變形破壞的時間,從而較容易發(fā)生頂板巖層的彎曲、下沉、離層、斷裂乃至垮落,導(dǎo)致頂板的穩(wěn)定性降低;工作面推進速度較快時,頂板在同一位置滯留的時間較短,則頂板下沉和破壞的時間較短,從而使頂板的破壞范圍和活動程度減小,因而頂板就會較穩(wěn)定。因此,推進速度是頂板巖層活動的重要影響因素,找出推進速度與頂板巖層活動規(guī)律之間的關(guān)系，對采場的安全生產(chǎn)具有重要的理論和工程實用價值。

3 推進速度對頂板活動影響的模擬研究

在FLAC3D數(shù)值模擬中,模擬運算時步與工作面推進速度有一定的對應(yīng)關(guān)系:運算時步越少,推進速度越快;運算時步越大,推進速度越慢。即也可以對應(yīng)為模擬相同的運算時步,推進不同的距離表示不同的推進速度。因此,筆者利用FLAC3D的這個特點來分析綜采面不同推進速度時頂板巖層的變化規(guī)律。

3.1 模型尺寸及單元劃分

建立數(shù)值模型寬160 m,長240 m,高83 m。計算模型分14層,共分為619 200個單元, 642 330個節(jié)點。按照3,6,12 m/d的推進速度進行開采模擬,以此來研究開采速度不同時頂板巖層的活動規(guī)律。為了確保計算機運行的速度和運算的精度,按區(qū)域的需要對單元格進行劃分。

3.2 邊界條件選擇

模型前、后與左、右四個面限定水平位移為零;模型底部為固定邊界,垂直、水平位移均為零;考慮模型無法模擬至地表,頂部需按照巖層自重應(yīng)力進行施加2.5 MPa的補償載荷。

3.3 本構(gòu)模型和破壞準(zhǔn)則的選擇

本次研究確定煤巖層的本構(gòu)模型為莫爾-庫倫塑性模型,判別準(zhǔn)則采用莫爾-庫倫屈服準(zhǔn)則,準(zhǔn)則條件為[13-17]:

(1)

σs=σ3-σ1.

(2)

式中:σ1，σ3分別為最大和最小主應(yīng)力,MPa;p為材料的粘結(jié)力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，(°);σs為巖體的抗拉強度,MPa,當(dāng)σs>0時,巖體發(fā)生剪切屈服破壞。

3.4 模擬力學(xué)強度參數(shù)的選取

根據(jù)1-2煤層頂?shù)装邈@孔巖芯及實驗室?guī)r石力學(xué)實驗結(jié)果,模型中頂?shù)装鍘r層厚度及力學(xué)特征參數(shù)如表1所示。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 垂直應(yīng)力分析

1) 在模型開挖的過程中,沿平行于工作面方向,選擇垂直模型方向和模型高度坐標(biāo)相同的一組單元,通過開挖運行后應(yīng)力監(jiān)測得到其應(yīng)力值。然后以工作面長度為橫坐標(biāo),以單元體的垂直應(yīng)力為縱坐標(biāo),得到不同開挖速度時頂板巖層的垂直應(yīng)力曲線如圖1圖2所示。它們分別是工作面推進至60 m時,不同開挖速度煤壁處、煤壁前10 m處的頂板垂直應(yīng)力分布曲線圖,所選的單元體位于煤層上方5 m處。

表1 1-2煤層頂?shù)装鍘r層厚度及力學(xué)特征參數(shù)

由圖1可知,在煤壁位置處,當(dāng)煤層開挖以后,在靠近煤柱附近形成一定程度的應(yīng)力集中,且應(yīng)力較大;在靠近采空區(qū)一側(cè)頂板巖層有一定的泄壓效應(yīng),但是泄壓效應(yīng)不明顯。工作面中部較兩端垂直應(yīng)力稍大,即當(dāng)推進速度為12 m/d時,工作面中部頂板巖層最大垂直應(yīng)力為8.85 MPa;當(dāng)推進速度為6 m/d時,最大垂直應(yīng)力增大為9.40 MPa,是12 m/d的1.06倍;當(dāng)推進速度為3 m/d時,此最大垂直應(yīng)力增大到9.63 MPa,是12 m/d的1.09倍。由此可知,推進速度越小,煤壁工作面頂板垂直應(yīng)力越大。

圖1 煤壁處沿煤層傾向頂板垂直應(yīng)力變化曲線Fig.1 Variation curves of roof’s vertical stress in wall along the face dip

圖2 煤壁前10 m處沿煤層傾向頂板垂直應(yīng)力變化曲線Fig.2 Variation curves of roof’s vertical stress of in section of pre-wall 10 m along the seam dip

由圖2可知,在煤壁前方10 m的位置,垂直應(yīng)力普遍比較大,并且應(yīng)力集中程度比較明顯。而且從曲線圖上可以明顯看出:沿平行工作面方向,頂板巖層的垂直應(yīng)力呈對稱分布,中間大,兩邊小。對比不同推進速度時的應(yīng)力曲線可以看出,在兩邊靠近煤柱的區(qū)域垂直應(yīng)力比較小,其值在13.7～15.1 MPa之間；但在工作面的中部,當(dāng)推進速度為12 m/d時,工作面中部頂板最大垂直應(yīng)力為17.27 MPa;推進速度為6 m/d時,最大垂直應(yīng)力增大為18.74 MPa,是12 m/d的1.09倍;當(dāng)推進速度減小到3 m/d時,最大垂直應(yīng)力增大到20.02 MPa,是12 m/d時的1.2倍?？梢?推進速度越大,煤壁前方10 m處工作面頂板垂直應(yīng)力也越小。

2) 沿垂直于工作面方向,分別選擇工作面推進60 m時其中部和兩端的一組單元,以距工作面距離為橫坐標(biāo),以單元體的垂直應(yīng)力為縱坐標(biāo),得到不同開挖速度時頂板巖層的垂直應(yīng)力曲線如圖3所示。所選的單元體位于煤層上方5 m處。

圖3 工作面不同位置頂板垂直應(yīng)力變化Fig.3 Variation of roof’s vertical stress at different positions in the same working face

由圖3可以看出:在工作面中部(3-b),當(dāng)推進速度為3 m/d時,工作面前方的應(yīng)力峰值為20.41 MPa;當(dāng)推進速度為6 m/d時,工作面前方的應(yīng)力峰值為19.17 MPa;當(dāng)推進速度為12 m/d時,工作面前方的應(yīng)力峰值為17.76 MPa。在工作面兩端(3-a,3-c),當(dāng)推進速度由3 m/d增大到12 m/d時,工作面前方的應(yīng)力峰值由19 MPa左右減小到16.8 MPa?？梢?在垂直于工作面方向,頂板的垂直應(yīng)力也是隨著推進速度的增大而減小。

由以上分析可知,推進速度直接影響頂板巖層的垂直應(yīng)力大小。推進速度越小,垂直應(yīng)力越大,則頂板巖層也越不穩(wěn)定。因此，應(yīng)該適當(dāng)加大推進速度,增大頂板巖層的穩(wěn)定性。

4.2 塑性破壞分析

基于莫爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，來判斷頂板巖層的破壞情況。受采動影響,頂板巖層出現(xiàn)了不同程度的剪切和拉伸破壞。模擬結(jié)果如表2及圖4所示。隨著推進速度的減小,煤壁上方頂板的破壞高度由0.5 m達到3 m左右；頂板巖層的最大破壞高度也不斷增大,由7.53 m增大到12.61 m。由此可見,隨著推進速度的減小,頂板巖層的破壞高度明顯增大,破壞范圍也增大。因此，適當(dāng)?shù)丶涌焱七M速度，可相應(yīng)地減小頂板巖層的破壞范圍,從而減小工作面非來壓期間液壓支架的載荷,有效地防止頂板冒頂事故的發(fā)生。

表2 不同推進速度的破壞高度對比

圖4 不同推進速度時的塑性破壞圖Fig.4 Plastic figure under different speed

4.3 下沉量變化分析

煤層頂板的穩(wěn)定性與其頂板巖層的位移場的變化有關(guān)，其主要是下沉量的變化。當(dāng)下沉量越小時,頂板的活動就會越少,即頂板的穩(wěn)定性越好。圖5為工作面推進至60 m時,不同推進速度時模型沿著工作面走向方向的位移云圖。由圖可以看出,頂板巖層的位移分布呈對稱分布,越靠近采空區(qū)中部頂板巖層的下沉越大。對比不同推進速度時頂板巖層的最大下沉量,當(dāng)推進速度為12 m/d時(5-c),最大下沉量為0.379 m;當(dāng)推進速度為6 m/d時(5-b),最大下沉量為0.418 m,增大了12 m/d時的10%;當(dāng)推進速度為3 m/d時(5-a),最大下沉量為0.452 m,增大了12 m/d時的19%。很明顯,當(dāng)推進距離一定時,推進速度減小,頂板巖層在同一位置滯留的時間就會增長,使得頂板巖層的下沉量逐漸增大。因此在實際的煤礦開采生產(chǎn)中,應(yīng)適當(dāng)加快工作面推進速度,有效減小頂板下沉量,保證頂板巖層的穩(wěn)定性,避免頂板事故的發(fā)生。

圖5 工作面推進60 m時的走向位移云圖Fig.5 Contour of vertical displacement along strike variation when work face is advancing 60 m

5 結(jié)論

綜采工作面推進速度是影響頂板巖層活動規(guī)律的重要因素之一。通過對工作面不同推進速度時頂板巖層的應(yīng)力場、塑性破壞區(qū)以及位移場進行了數(shù)值模擬,并提取了監(jiān)測單元的應(yīng)力值,得出了如下結(jié)論。

1) 推進速度的大小影響頂板巖層垂直應(yīng)力的大小。當(dāng)工作面推進至60 m,推進速度由12 m/d減小到3 m/d時,煤壁處工作面中部頂板巖層的垂直應(yīng)力由8.85 MPa增加到9.63 MPa;煤壁前10 m處,工作面中部頂板巖層的最大垂直應(yīng)力也由17.27 MPa增加到20.02 MPa。因此,減小推進速度,增大了頂板巖層在同一位置的滯留時間,導(dǎo)致垂直應(yīng)力增大,應(yīng)力集中更加明顯,頂板巖層就越不穩(wěn)定。

2) 推進速度的大小影響頂板巖層的下沉量和破壞范圍。當(dāng)工作面推進至60 m時,推進速度由12 m/d減小到3 m/d,頂板巖層的最大下沉量由0.379 m增加到0.452 m；推進速度越小,頂板巖層的最大下沉量越大,也導(dǎo)致破壞范圍增大。當(dāng)推進速度由12 m/d減小到3 m/d,頂板巖層的最大破壞高度由7.53 m增大到12.61 m。當(dāng)推進速度較小時,頂板下沉和破壞的時間較長,導(dǎo)致頂板巖層的下沉量較大,破壞高度增大,破壞范圍變廣,容易造成頂板的坍塌垮落,使礦井生產(chǎn)存在一定的危險性。

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(編輯：龐富祥)

Study on Fully Mechanized Coal Face by FLAC3DSimulation of Mining Velocity Influence on the Roof Strata

XUE Baoyu,FU Yuping,GUO Yongyi

(SchoolofEnvironmentandSafety,TaiyuanUniversityofScience&Technology,Taiyuan030021,China)

In order to investigate the influence law of mining velocity on the roof strata at a fully mechanized mining face, taking the occurrence conditions and mining parameters of coal seam of Shendong mining area Shangwan Coal Mine as research background, the numerical simulation calculation of coal face at different mining velocity was conducted on stress field,plastic failure zone and displacement field of roof strata by FLAC3Dsimulation software,the stress value of monitoring unit was extracted and the activity condition of roof strata at different velocity was analyzed.The results show that when the mining velocity reduced from 12 m/d to 3 m/d,the vertical stress of roof strata on coal wall in the middle of working face increased from 8.85 MPa to 9.63 MPa, the value at pre-wall 10 m increased from 17.27 MPa to 20.02 MPa; the maximum damage height of roof strata increased from 7.53 m to 12.61 m;the maximum squat increased by 19%.The decreases of mining velocity make the roof strata move frequently and the stability of coal seam roof reduce. These results provide theory basis for scientific control and safe mining of stope roof.

fully mechanized mining face;mining velocity;roof strata;FLAC3Dsimulation

1007-9432(2015)05-0611-05

2015-03-22

國家自然科學(xué)基金資助項目：淺埋煤層大采高超長工作面頂板關(guān)鍵層斷裂垮落及其災(zāi)害演化機理研究(51344002)；山西省基礎(chǔ)研究基金資助項目：綜采工作面推進速度對采場頂板關(guān)鍵層及回采巷道圍巖活動的影響規(guī)律研究(2013021029-1)；太原科技大學(xué)校博士科研啟動項目：煤礦頂板安全狀態(tài)機理及演化規(guī)律研究

薛寶玉(1989-)，女，陜西渭南人，碩士研究生，主要從事礦山安全與環(huán)境保護方面的研究，(Tel)15035145876, (E-mail)xuebaoyu0329@163.com

郭勇義，男，博士，教授，主要從事煤礦安全工程及理論研究，(E-mail)guoyy@tyut.edu.cn

TD323

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.05.025