張周鑫,　張緩緩

(1.淮南礦業(yè)集團(tuán) 朱集東煤礦, 安徽 淮南 232001; 2.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院, 安徽 淮南 232001)

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深部承壓水上煤層開采底板的破壞特征

張周鑫1,張緩緩2

(1.淮南礦業(yè)集團(tuán) 朱集東煤礦, 安徽 淮南 232001; 2.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院, 安徽 淮南 232001)

淮南煤田潘謝新區(qū)A3煤層受底板承壓水威脅,為研究其在深部開采條件下的底板破壞特征,根據(jù)井田水文工程地質(zhì)條件,采用FLAC3D分析軟件建立數(shù)值計(jì)算模型,模擬分析不同承壓條件及開采進(jìn)度時(shí)底板的破壞深度和應(yīng)力重分布特征。結(jié)果表明:A3煤層底板的采動(dòng)效應(yīng)隨開采步距增大發(fā)生規(guī)律性變化,底板破壞影響深度約16 m,應(yīng)力重分布的峰值點(diǎn)在停采線前約11 m和開切眼后6～8 m處。煤層回采以后,采區(qū)四周發(fā)生剪切破壞,中部發(fā)生拉伸破壞,容易出現(xiàn)底臌。該研究為潘謝新區(qū)深部A組煤的安全開采和礦井水害防治提供了依據(jù)。

深部開采; 承壓底板; 破壞深度; 應(yīng)力分布; 數(shù)值模擬

0　引　言

我國(guó)深部煤層開采的力度和規(guī)模逐年增大,水文地質(zhì)、工程地質(zhì)等開采技術(shù)條件更加復(fù)雜,進(jìn)而導(dǎo)致突發(fā)性工程災(zāi)害和重大惡性事故時(shí)有發(fā)生。煤層受采動(dòng)影響,頂?shù)装鍛?yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化,造成頂?shù)装鍘r體發(fā)生位移變形甚至破壞,給安全生產(chǎn)帶來威脅。因此,研究煤層底板的應(yīng)力重分布規(guī)律和變形破壞特征[1-2],尤其是受底板水害威脅嚴(yán)重的煤層,對(duì)于礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。多年來,學(xué)者們針對(duì)此類問題開展了大量的理論研究、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及模擬研究工作[3-5],得到了諸如原位張裂與零位破壞理論、關(guān)鍵層理論等研究成果。數(shù)值分析方法對(duì)于模擬分析承壓水上采煤工程底板變形、破壞及應(yīng)力重分布等問題具有很好的應(yīng)用價(jià)值[6-8]?；茨系V區(qū)A組煤開采受底部太原組與奧陶系灰?guī)r承壓水水害影響,底板發(fā)生破壞。筆者根據(jù)地質(zhì)資料,采用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)深部承壓水條件下的煤層開采安全性進(jìn)行分析與評(píng)價(jià),為開采工作提供一定的依據(jù)。

1　工作面概況

2　數(shù)值模擬

2.1計(jì)算模型

根據(jù)鉆孔揭露地層情況,采用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)潘二礦11223工作面A3煤層工作面底板采動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬。假設(shè)如下:采用補(bǔ)償荷載代替初始應(yīng)力;煤巖組視為均勻連續(xù)材料介質(zhì)。根據(jù)煤層綜合柱狀圖(圖1)和開采情況,建立三維數(shù)值計(jì)算模型,如圖2所示。

圖1　3煤層底板煤巖層柱狀簡(jiǎn)圖Fig. 1　Columnar diagram of 3 coal floor strata

圖2　數(shù)值計(jì)算模型Fig. 2　Numerical calculation model

文中建立的計(jì)算模型走向長(zhǎng)度(y方向)、水平寬度(x方向)、垂直高度(z方向)分別為200 、100 、70 m。受采煤工藝限制,煤層采厚取5 m,巖層法向上取37 m,共劃分出195 000個(gè)單元、206 040個(gè)單元節(jié)點(diǎn)。

2.2邊界條件與參數(shù)選擇

邊界條件是控制地質(zhì)體內(nèi)外應(yīng)力聯(lián)合作用效應(yīng)的外部因素,模擬模型底部為固定x、y方向的全約束邊界;頂部為自由邊界;左、右兩側(cè)為固定x、y方向的自由邊界。該類邊界條件的選擇有利于計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間的均衡。初始應(yīng)力按相關(guān)修正理論公式,模型頂部施加至地表的巖體自重荷載,底板豎向應(yīng)力按照巖體自重和承壓水壓力(pw)共同確定。取邊界系數(shù)0.3計(jì)算水平應(yīng)力,由此確定的補(bǔ)償荷載為12 MPa,水平應(yīng)力為4.8 MPa。天然巖體由于受采動(dòng)影響,產(chǎn)生弱化,力學(xué)性質(zhì)有所降低,文中采用胡克-布朗巖體強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算:

式中:σ1、σ3——最大、最小主應(yīng)力;

σc——完整巖石(體)單軸抗壓強(qiáng)度;

m、S——巖體質(zhì)量的無量綱常數(shù),m的范圍為高度破碎巖石的0.001至完整堅(jiān)硬巖石的25,S從完整巖石的1至破碎巖石的0。

對(duì)取樣巖塊測(cè)試參數(shù)進(jìn)行校正,結(jié)果見表1。

表1　巖體力學(xué)參數(shù)Table 1　Mechanical parameters of rock mass

由于巖石(體)具有較高的剪切模量和較低的抗拉強(qiáng)度,其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系亦呈現(xiàn)復(fù)雜的非線性特征,因此,計(jì)算模型本構(gòu)關(guān)系選擇的合理性關(guān)系到結(jié)果的準(zhǔn)確性,此次選取理想的彈塑性本構(gòu)模型,采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則進(jìn)行模擬分析。

2.3模擬計(jì)算

為使模擬計(jì)算符合承壓水上采煤工程實(shí)際,消除邊界效應(yīng),根據(jù)采區(qū)開采設(shè)計(jì)方案,要求開挖尺寸不大于兩端到模型邊界的距離。擬定開挖步距20 m,共設(shè)計(jì)五步開拓,底板承壓水壓力為3.8 MPa。圖3為模型開挖60 m過程中最大不平衡力(Fmax)動(dòng)態(tài)變化過程。圖3表明，開挖到60 m之后,最大不平衡力基本達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的有規(guī)律變化狀態(tài)。

圖3　開挖進(jìn)程中最大平衡力變化

Fig. 3Changes of unbalanced force in excavation process

2.4結(jié)果分析

2.4.1采動(dòng)底板應(yīng)力分布特征

煤層開采過程中,底板應(yīng)力分布基本包含應(yīng)力集中區(qū)、應(yīng)力釋放區(qū)和應(yīng)力恢復(fù)區(qū)三個(gè)區(qū)域。圖4為開挖100 m時(shí)垂直應(yīng)力分布情況。由圖4可知,工作面前后煤壁部位出現(xiàn)兩個(gè)應(yīng)力增高區(qū),隨著回采長(zhǎng)度的增加,應(yīng)力值也相應(yīng)增大,當(dāng)推進(jìn)至100 m時(shí),工作面兩端煤壁豎向應(yīng)力最大值達(dá)到16.4 MPa,較之原巖13.5 MPa的應(yīng)力值有所增加,工作面前方煤壁處應(yīng)力最大值較后方大,且分別出現(xiàn)在停采線前約11 m和開切眼后6～8 m處。在傾向方向上,兩幫煤壁垂向最大應(yīng)力值達(dá)到17.1 MPa,這也較之天然應(yīng)力值大。同時(shí),在煤層底板內(nèi)形成了反拱形的卸壓區(qū)。這與文獻(xiàn)[9-10]所述理論相一致。

圖4　開挖100 m垂直應(yīng)力分布

Fig. 4Vertical stress distribution after excavating 100 m

模擬計(jì)算過程也清晰的表現(xiàn)出,受采動(dòng)效應(yīng)及底板3.8 MPa的承壓水水壓影響,隨著工作面開采長(zhǎng)度的增加煤層出現(xiàn)了拉剪應(yīng)力區(qū)。在煤層頂板未垮落之前,拉應(yīng)力區(qū)分布在采空區(qū)中部的較大范圍內(nèi),在底板中影響深度約為11 m。當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn),頂板垮落充填采空區(qū)并逐漸壓實(shí),此時(shí)拉應(yīng)力區(qū)則轉(zhuǎn)移至工作面兩端,影響范圍也較小,并逐漸出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中。拉應(yīng)力區(qū)域的形成與發(fā)展控制著受拉屈服塑性區(qū)的發(fā)育,且與頂板垮落步距相一致?；夭蛇^程中,在工作面煤壁四周同時(shí)形成了一個(gè)剪應(yīng)力帶,這個(gè)剪切帶是煤層底板巖層受破壞最嚴(yán)重的部位。隨采過程中剪應(yīng)力的分布基本與工作面的開挖步距中垂線相對(duì)稱,在開切眼和停采線附近出現(xiàn)剪應(yīng)力集中情況,該位置較易發(fā)生剪切屈服破壞,導(dǎo)致剪切裂隙的形成,從而形成導(dǎo)水通道。實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)密切監(jiān)測(cè)剪應(yīng)力集中部位的水情變化。

2.4.2采動(dòng)底板塑性區(qū)破壞特征

考慮到地層傾角,采用沿巖層傾斜方向切片的方法來分析底板的塑性區(qū)分布。圖5為煤層底板不同深度塑性區(qū)發(fā)育切面。受采動(dòng)影響,底板巖層一般會(huì)經(jīng)歷壓縮—膨脹—再壓縮的變形破壞過程。由圖5可知,底板塑性破壞程度隨著深度增加逐漸變小,由采空區(qū)中間拉張破壞、四周剪切破壞的面狀破壞形式逐漸演變?yōu)閮H四周剪切破壞的點(diǎn)狀破壞形式。

隨著工作面的推進(jìn),煤層底板下10 m內(nèi),采空區(qū)底板中間拉張、四周剪切,呈面狀破壞;煤層底板下15 m時(shí),只有采空區(qū)四周及每一步開挖迎頭位置發(fā)生剪切破壞;而至煤層底板下16 m時(shí)，采動(dòng)礦山壓力對(duì)煤層底板的影響已很微弱,從圖上已無法看到任何的點(diǎn)狀破壞。然而,由于A3煤層底板承壓水一般都是從軟弱面進(jìn)入工作面,因此,在判斷底板破壞最大深度時(shí)應(yīng)以點(diǎn)狀破壞臨界深度為準(zhǔn)。由此判斷11223工作面底板最大破壞深度為16 m左右。

圖5煤層底板下不同深度塑性區(qū)分布切面

Fig. 5Transverse figure of plastic zone distribution under different depth of coal floor

2.4.3采動(dòng)底板位移變化特征

圖6為底板破壞位移云圖。從圖6的煤層開采底板巖層移動(dòng)變形情況可以看出,初次來壓之前頂板未垮落,工作面底板巖層壓縮變形量較小而膨脹變形量較大;當(dāng)回采至60 m時(shí)經(jīng)歷了初次來壓和周期來壓之后,頂板垮落壓實(shí)工作面區(qū)域,壓縮變形量較大而膨脹變形量較小。據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)總結(jié),一般認(rèn)為中硬巖體受力垂向變形z≥0.05 m時(shí)發(fā)生破裂。從走向與傾向垂直位移變化云圖上可以看出, 在采動(dòng)過程中,采空區(qū)四周巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生了較為復(fù)雜的移動(dòng)和變形,破壞范圍在底板下15～16 m區(qū)域。隨著工作面不斷回采,受采動(dòng)影響的圍巖范圍不斷擴(kuò)大,形態(tài)上表現(xiàn)為采空區(qū)中央最大、兩側(cè)逐漸減小的盆狀分布。受集中應(yīng)力作用,工作面底板受采動(dòng)影響所積累的勢(shì)能發(fā)生周期性的釋放,導(dǎo)致每次開挖前方的膨脹量最大,在該部位應(yīng)注意加強(qiáng)觀測(cè)。

圖6　底板破壞位移云圖Fig. 6　Displacement nephogram of coal floor

3　結(jié)　論

(1)根據(jù)采動(dòng)底板應(yīng)力特征模擬結(jié)果,隨回采長(zhǎng)度增加,應(yīng)力場(chǎng)分布特征基本不變,并有規(guī)律向前移動(dòng),工作面前方11 m和后面6～8 m位置為應(yīng)力值最大區(qū)域。

(2)通過塑性區(qū)域與垂直位移變化的分析,得出底板破壞深度在16 m左右,局部受煤層變異及構(gòu)造影響,該值略有變化,變化幅度約為1.5 m。

(3)煤層回采以后,工作面煤壁上產(chǎn)生了高于原巖應(yīng)力的支承壓力,致使采區(qū)四周產(chǎn)生剪切破壞,中部出現(xiàn)拉伸破壞,容易發(fā)生底臌。

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(編輯荀海鑫)

Simulation study on floor failure above confined water in deep coal mining

ZHANGZhouxin1,ZHANGHuanhuan2

(1.Huainan Mining Industry (Group) Co.Ltd., Zhujidong Coal Mine, Huainan 232001, China; 2.School of Earth Science & Environmental Engineering, Anhui University of Science & Technology, Huainan 232001, China)

This paper is devoted to a novel study of features of floor failure resulting from a deeper mining in A3coal seam in Panxie mining in Huainan coal field when exposed to the floor confined water. This study is performed by establishing numerical calculation model based on hydrology and engineering geological conditions and using FLAC3Danalysis software, and simulation analysis the characteristics of floor failure depth and stress redistribution induced by different confined condition and mining progress. The results show that an increase in mining drawing pace leaves the floor strata of A3mine typically subjected to the deformation and failure process of compression-inflation-recompression, with the floor failure depth of about 16 m, and the stress redistribution peak of approximately 11 m in front of the stopping line and 6～8 m after the starting cut; and the coal seam mining is followed by the occurrence of shear failure surrounding the mining area and tensile failure in the central, with a higher likelihood of floor heave. The research may provide a basis for safety mining operation and water disaster prevention and control group A deep seams in Panxie new coal field.

deep mining; pressurized floor; depth of failure; stress distribution; numerical simulation

2014-11-04

張周鑫(1988-),男,安徽省安慶人, 助理工程師,碩士,研究方向:礦井地質(zhì),E-mail:zhxzhang88@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.01.003

TD325

2095-7262(2015)01-0011-05

A