郝志賢,朱 峰
(1.遼寧地質(zhì)工程職業(yè)學(xué)院,遼寧 丹東 118008;2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院,遼寧 阜新 123000)
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基于相似材料模擬特厚傾斜煤層煤柱應(yīng)力演化規(guī)律研究
郝志賢1,朱峰2
(1.遼寧地質(zhì)工程職業(yè)學(xué)院,遼寧 丹東 118008;2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院,遼寧 阜新 123000)
為研究特厚傾斜煤層開(kāi)采時(shí)煤柱應(yīng)力變化狀態(tài),結(jié)合撫順礦區(qū)老虎臺(tái)礦特厚煤層開(kāi)采現(xiàn)狀,針對(duì)83003綜放面和73005綜放面構(gòu)建力學(xué)模型。采用相似材料模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)煤柱應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè),得到了應(yīng)力演化規(guī)律,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)布置合理的防治沖擊地壓措施。研究結(jié)果表明:煤層賦存越深,煤柱受采動(dòng)影響的應(yīng)力值越大,應(yīng)力集中系數(shù)呈增長(zhǎng)趨勢(shì),變化范圍為1.09~3.12;73005綜放面和83003綜放面之間的煤柱應(yīng)力明顯高于模型邊界煤柱應(yīng)力;工作面之間的煤柱受開(kāi)采影響次數(shù)越多,煤柱應(yīng)力值越大;工作面推進(jìn)時(shí),上覆巖層的垮落使巖層中的應(yīng)力充分釋放,隨著采空區(qū)逐漸壓實(shí),應(yīng)力值有所回升。通過(guò)相似材料模擬研究,對(duì)工作面的開(kāi)采進(jìn)行指導(dǎo),運(yùn)用煤層注水、卸壓鉆孔和加強(qiáng)支護(hù)等措施對(duì)沖擊地壓進(jìn)行防治,達(dá)到了理想的效果。
應(yīng)力集中系數(shù);煤柱;相似材料模擬;特厚傾斜煤層;沖擊地壓防治
研究回采工作面煤柱應(yīng)力分布規(guī)律,對(duì)煤柱寬度的確定、超前支護(hù)影響距離的確定和地質(zhì)動(dòng)力災(zāi)害防治等提供了重要依據(jù),具有十分重要的意義[1-9]。其中,劉正和等研究了回采巷道頂板大深度切縫后煤柱應(yīng)力分布特征[1],鮑永生針對(duì)復(fù)雜特厚煤層綜放工作面煤柱應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了研究[7]。目前,對(duì)工作面煤柱應(yīng)力分布規(guī)律研究的手段主要有理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),用實(shí)驗(yàn)?zāi)M手段尤其是相似材料模擬對(duì)煤柱應(yīng)力規(guī)律的研究較少。相似材料模擬實(shí)驗(yàn)作為室內(nèi)研究的一種重要手段,具有研究周期短、成本低、成果形象直觀等特點(diǎn),已被廣泛用于礦山開(kāi)采巖層移動(dòng)規(guī)律研究中[10-14]。其中,王崇革等通過(guò)三維相似材料模擬,將淺埋煤層開(kāi)采的上覆巖層運(yùn)動(dòng)與地表沉陷作為一個(gè)整體系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行研究,為現(xiàn)場(chǎng)提供決策依據(jù)[11];史俊偉等運(yùn)用相似材料模擬實(shí)驗(yàn)研究了巨厚礫巖誘發(fā)沖擊地壓的危險(xiǎn)性[12];魏久傳等進(jìn)行了相似材料模擬分析了伊犁一礦首采工作面淺埋煤層采動(dòng)覆巖運(yùn)動(dòng)特征,分析了直接頂破壞、老頂破壞、采動(dòng)覆巖破壞高度發(fā)展等規(guī)律,并進(jìn)行了切頂冒落分析[13]。
本文以撫順礦區(qū)老虎臺(tái)礦為例,運(yùn)用相似材料模擬老虎臺(tái)礦特厚傾斜煤層,主要研究73005綜放面和83003綜放面回采期間煤柱應(yīng)力變化狀態(tài),通過(guò)應(yīng)力分析對(duì)回采工作面沖擊地壓防治進(jìn)行指導(dǎo)。
老虎臺(tái)礦煤層屬于特厚煤層,西部煤層厚度平均約110m,西部區(qū)域巖性比較單一,底板為凝灰?guī)r,頂板為油頁(yè)巖,依次到地表為綠色頁(yè)巖和砂礫巖?,F(xiàn)開(kāi)采工作面為83003工作面,采用綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采。該面開(kāi)采煤層為四、五分層煤,夾矸3~8層,厚度0.4~13m,平均厚度為11.8m,煤層傾角15~32°,地面標(biāo)高為+89.1~+95.4m,工作面標(biāo)高-748.2~-833.5m,覆巖厚度為837.3~928.9m。83003綜放面東側(cè)為73005已采空區(qū),兩工作面之間存在150~200m的西部煤柱,73005綜放面回采期間,工作面發(fā)生破壞性沖擊地壓和礦震,主要受西部煤柱應(yīng)力集中影響,因此研究各工作面開(kāi)采時(shí)西部煤柱應(yīng)力變化對(duì)83003綜放面安全回采有重要的指導(dǎo)意義。
2.1模型尺寸和材料配比的設(shè)計(jì)
根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件和研究需要,選用立式平面模型實(shí)驗(yàn)臺(tái),模型裝填尺寸長(zhǎng)×寬×高=3000mm×300mm×2000mm(圖1)。
模型參數(shù)主要以煤巖的視密度、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度作為參考指標(biāo)。各巖層根據(jù)老虎臺(tái)礦物理力學(xué)參數(shù)選取相似配比號(hào),見(jiàn)表1;相似材料模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M材料的配比如表2所示。
表1 老虎臺(tái)礦煤巖物理力學(xué)參數(shù)及相似材料配比
表2 相似材料配比參數(shù)
2.2模型制作和應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置
模型按2cm一層逐層裝填、搗實(shí)、抹平。模型經(jīng)過(guò)一段時(shí)間干燥后,模擬巖層達(dá)到預(yù)計(jì)強(qiáng)度,進(jìn)行測(cè)點(diǎn)的布設(shè)工作。
在模型的煤巖中分別布置了五層壓力盒,共計(jì)22個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn),利用YJZ-32A智能數(shù)字應(yīng)變儀實(shí)現(xiàn)應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。第五層(最上層)壓力盒深度位于煤層頂板,從左側(cè)邊界煤柱中間開(kāi)始每隔40cm布置一個(gè)測(cè)點(diǎn),共設(shè)15~22號(hào)8個(gè)測(cè)點(diǎn)。其它四層壓力盒布置于西部煤柱中。第一層深度位于83003綜采面底板線,設(shè)1~2號(hào)2個(gè)測(cè)點(diǎn),1號(hào)測(cè)點(diǎn)距離83003綜放面開(kāi)切眼5cm,2號(hào)位于73005停采線下方;第二層至第四層深度分別位于83002、83001、78001綜采面底板線,設(shè)3~7號(hào)、8~11號(hào)、12~14號(hào)共12個(gè)測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)間距均為10cm。
工作面開(kāi)采參數(shù)如表3所示。
在模型中共布置了五層壓力盒,開(kāi)采過(guò)程中,每一層位應(yīng)力變化狀態(tài)相似,因此選取每層較為典型的壓力盒應(yīng)力走勢(shì)進(jìn)行分析。
圖1 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置圖
表3 各工作面開(kāi)采參數(shù)表
工作面名稱(chēng)開(kāi)采時(shí)間開(kāi)采高度/m工作面走向長(zhǎng)度/m780011998.6~2000.111511568002西2000.12~2001.1227428730012003.1~2004.516425830012003.9~2006.924272830022008.6~2012.219242730052013.12~2014.716374830032014.6~12242
3.11號(hào)壓力盒應(yīng)力分析
1號(hào)壓力盒應(yīng)力位于西部煤柱區(qū)的西側(cè),距離83003綜放面開(kāi)切眼15m,距離73005停采線155m,垂深為784m。從1號(hào)壓力盒的應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出(圖2),煤層開(kāi)采前應(yīng)力值為20.0MPa;78001綜放面剛開(kāi)采時(shí),受其采動(dòng)影響測(cè)點(diǎn)處煤柱應(yīng)力有劇烈的波動(dòng),78001綜放面開(kāi)采結(jié)束時(shí),該測(cè)點(diǎn)處煤柱應(yīng)力由20.0MPa上升到31.1MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為1.56;隨著68002綜放面的開(kāi)采,該測(cè)點(diǎn)處煤柱應(yīng)力逐漸升高至34.2MPa,煤柱應(yīng)力相對(duì)集中,應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到1.71;開(kāi)采83001綜放面和73001綜放面時(shí),由于1號(hào)壓力盒位于83001綜放面下部,煤柱邊緣區(qū)域卸壓,使該測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值降低至10.3MPa,開(kāi)采結(jié)束后,煤柱應(yīng)力降低至17.2MPa;83002綜放面開(kāi)采結(jié)束后,煤柱應(yīng)力增大至18.6MPa。
73005綜放面開(kāi)采過(guò)程中,該測(cè)點(diǎn)處煤柱應(yīng)力值變化緩慢,停采時(shí)應(yīng)力達(dá)19.5MPa;83003綜放面開(kāi)采過(guò)程中,煤柱應(yīng)力又緩慢升高至21.8MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為1.09;73005綜放面停采至83003綜放面停采過(guò)程中,煤柱應(yīng)力整體呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),應(yīng)力值增長(zhǎng)11.8%。
3.24號(hào)壓力盒應(yīng)力分析
4號(hào)壓力盒位于西部煤柱區(qū)中部偏東,距離83003綜放面45m,距離73005停采線125m,垂深為762m。從4號(hào)壓力盒的應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出(圖3),最初78001綜放面開(kāi)采時(shí),西部煤柱因受該工作面巖層垮落的影響,應(yīng)力值由最初的20.0MPa上升到28.8MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為1.44;開(kāi)采68002綜放面時(shí),煤柱應(yīng)力持續(xù)升高,應(yīng)力值最高達(dá)34.2MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為1.71;在開(kāi)采83001綜放面時(shí),上覆巖層運(yùn)動(dòng)劇烈,煤柱應(yīng)力因圍巖的垮落而集中,應(yīng)力值升高至55.4MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為2.77;83002綜放面開(kāi)始時(shí)煤柱應(yīng)力變化平緩,略有升高。
圖2 1號(hào)煤柱區(qū)域應(yīng)力走勢(shì)圖
圖3 4號(hào)煤柱區(qū)域應(yīng)力走勢(shì)圖
73005綜放面開(kāi)采過(guò)程中,煤柱應(yīng)力由60.8MPa升高至61.6MPa,應(yīng)力變化緩慢,應(yīng)力集中系數(shù)為3.08;83003綜放面回采階段,煤柱應(yīng)力由62.0MPa升高至62.4MPa。73005綜放面停采至83003綜放面停采整個(gè)過(guò)程中,應(yīng)力增長(zhǎng)1.3%,煤柱應(yīng)力始終保持在高的應(yīng)力值,開(kāi)采過(guò)程中無(wú)卸壓現(xiàn)象,應(yīng)力集中系數(shù)最高達(dá)3.12。由于煤柱應(yīng)力集中系數(shù)較大,煤柱有發(fā)生沖擊地壓的危險(xiǎn),隨時(shí)有沖擊破壞的可能性。
3.39號(hào)壓力盒應(yīng)力分析
9號(hào)壓力盒位于西部煤柱區(qū)中央,距離83003綜放面84m,距離73005停采線90m,垂深為729m。從9號(hào)壓力盒的應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出(圖4),煤柱中應(yīng)力走向趨勢(shì)和4號(hào)壓力盒相似,應(yīng)力整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì):開(kāi)采78001綜放面、68002西綜放面、83001和73001綜放面、83002綜放面、73005綜放面、83003綜放面,應(yīng)力分別增大了3.1MPa、5.4MPa、16.6MPa、0.8MPa、1.2MPa和0.7MPa。該測(cè)點(diǎn)煤柱的應(yīng)力從初始的18.7MPa受到各工作面開(kāi)采的影響,最終上升到51.2MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為2.74。
73005綜放面停采時(shí),應(yīng)力達(dá)50.1MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為2.68;在83003綜放面回采階段,應(yīng)力值又有所升高,應(yīng)力增長(zhǎng)2.2%。由此可見(jiàn),相比4號(hào)壓力盒,9號(hào)測(cè)點(diǎn)煤柱受采動(dòng)影響略微減小,但煤柱應(yīng)力值仍很高,83003綜放面回采過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)煤柱的防護(hù)。
圖4 9號(hào)煤柱區(qū)域應(yīng)力走勢(shì)圖
3.415號(hào)、18號(hào)和22號(hào)壓力盒應(yīng)力分析
煤柱上方共布置3個(gè)壓力盒,18號(hào)壓力盒位于西部煤柱上方,應(yīng)力趨勢(shì)與在煤柱中的壓力盒相似,應(yīng)力值都是隨著工作面的開(kāi)采呈升高狀態(tài),由18.0MPa上升到50.1MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為2.78。15號(hào)和22號(hào)壓力盒位于邊界煤柱的上方,其中15號(hào)應(yīng)力值由18.0MPa上升到31.8MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為1.77;22號(hào)應(yīng)力值由18.0MPa上升到37.6MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為2.09,應(yīng)力趨勢(shì)如圖5所示。模型開(kāi)采完后,邊界煤柱上方(15號(hào)和22號(hào))應(yīng)力顯然小于西部煤柱(18號(hào))應(yīng)力值,說(shuō)明煤柱受兩側(cè)開(kāi)采影響的程度比單側(cè)開(kāi)采劇烈,西部煤柱應(yīng)力更容易集中,因此應(yīng)加強(qiáng)對(duì)西部煤柱的防護(hù),減少對(duì)煤柱的擾動(dòng),增強(qiáng)83003綜放面開(kāi)采時(shí)的煤層卸壓措施。
3.5綜合應(yīng)力分析
將相似材料模擬中典型的壓力盒數(shù)據(jù)綜合到圖6。煤層上覆頂板應(yīng)力先下降,隨著采空區(qū)壓實(shí),又略有回升;煤柱區(qū)域的應(yīng)力均呈現(xiàn)上升趨勢(shì),應(yīng)力集中系數(shù)增大,說(shuō)明工作面開(kāi)采越深,對(duì)西部煤柱的擾動(dòng)越大。
圖5 22號(hào)壓力盒應(yīng)力走勢(shì)圖
圖6 煤柱應(yīng)力變化總體走勢(shì)圖
從相似材料模擬實(shí)驗(yàn)可知,73005綜放面開(kāi)采后,西部煤柱應(yīng)力保持持續(xù)升高狀態(tài),目前83003綜放面正處于回采階段,因此應(yīng)采取合適的措施釋放煤體中的應(yīng)力,避免因能量集中而引起工作面或煤柱發(fā)生沖擊地壓和礦震。建議使用煤層注水、卸壓鉆孔和加強(qiáng)支護(hù)措施。
4.1煤層注水
在83003綜放面的回風(fēng)順槽和運(yùn)輸順槽均布置高壓注水鉆孔。鉆孔孔徑φ42mm,注水孔每隔15m布置一組,鉆孔仰角15°,孔深不低于20m。鉆孔施工完成后立即用鐵管和聚氨酯封孔,然后進(jìn)行靜壓注水工作至回采結(jié)束,要求注水壓力在8MPa以上,鉆孔布置如圖7所示。
4.2卸壓鉆孔
高壓注水措施實(shí)施完畢后,對(duì)有沖擊危險(xiǎn)的巷道繼續(xù)進(jìn)行卸壓鉆孔措施。卸壓孔每隔5m布置一組,巷道兩幫每組各1個(gè);仰角10°,孔徑89mm,孔深不低于15m,鉆孔布置與圖7相似。
在卸壓鉆孔施工完畢后,經(jīng)效果檢驗(yàn),指標(biāo)小于臨界值時(shí)可恢復(fù)作業(yè),否則按此卸壓鉆孔設(shè)計(jì)循環(huán)往復(fù)施工卸壓鉆孔直至措施有效。
4.3加強(qiáng)支護(hù)
83003綜放面位于老虎臺(tái)礦深部,從煤柱引起可知,煤層賦存越深應(yīng)力越大。在支護(hù)過(guò)程中,為了避免或減輕發(fā)生沖擊地壓造成巷道底臌現(xiàn)象,支護(hù)形式應(yīng)由幫頂支護(hù)變?yōu)槿珨嗝嬷ёo(hù)。過(guò)去架棚支護(hù)無(wú)論是梯形還是拱形,都是對(duì)巷道幫頂?shù)木S護(hù),主要是防止冒頂,但進(jìn)入深部后尤其是沖擊地壓區(qū),由于巷道底板承壓能力低,底板變形破壞嚴(yán)重,底鼓占巷道收縮率的一半以上。因此,采用“錨桿+錨網(wǎng)+O型棚”復(fù)合支護(hù)(圖8),使巷道圍巖受力更加均勻,提高巷道整體的支護(hù)強(qiáng)度。
圖7 巷道高壓注水示意圖
圖8 巷道“O”型斷面支護(hù)示意圖
1)隨著老虎臺(tái)礦煤層的逐層開(kāi)采,西部煤柱應(yīng)力明顯呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。煤層賦存越深,西部煤柱受采動(dòng)影響后的應(yīng)力值越大,應(yīng)力集中系數(shù)變化范圍為1.09~3.12。
2)73005綜放面回采過(guò)程中,西部煤柱應(yīng)力持續(xù)升高;73005綜放面停采時(shí),煤柱應(yīng)力維持在19.5M~59.0MPa;在整個(gè)煤層開(kāi)采過(guò)程中,73005綜放面開(kāi)采使煤柱的應(yīng)力集中系數(shù)高達(dá)2.95。73005綜放面停采至83003綜放面開(kāi)采過(guò)程中,西部煤柱應(yīng)力增長(zhǎng)2%~12%;在整個(gè)煤層開(kāi)采過(guò)程中,83003綜放面開(kāi)采使煤柱的應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到最大值3.12。
3)西部煤柱應(yīng)力明顯高于模型邊界煤柱應(yīng)力;工作面推進(jìn)時(shí),上覆巖層的垮落使巖層中的應(yīng)力充分釋放,隨著采空區(qū)逐漸壓實(shí),應(yīng)力值有所回升。
4)根據(jù)煤柱應(yīng)力演化規(guī)律,對(duì)83003綜放面制定了煤層注水、卸壓鉆孔和加強(qiáng)支護(hù)防沖措施,取得了良好的效果。
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studyoncoalpillarstressevolutionofspecialthickinclinedcoalseambasedonsimilarmaterialsimulation
HAOZhi-xian1,ZHUFeng2
(1.LiaoningGeologicalEngineeringVocationalCollegeLiaoning,Dandong118008,China;2.CollegeofMiningEngineering,LiaoningTechnicalUniversity,F(xiàn)uxin123000,China)
Tostudypillarstressevolutionofspecialthickinclinedcoalseammining,combinedwithLaohutaicoalminespecialthickcoalseaminFushunminearea,accordingto83003fullymechanizedfaceand73005fully-mechanizedfaceconstructmechanicsmodel.Usingthesimilarmaterialsimulationtomonitorcoalpillarstress,obtainedthelawofstressevolution,andbasedonexperimentalresultslayoutreasonablemeasurestocontrolrockburstinthefield.Theresultsshowthatthedeepercoalseamis,thelargercoalpillaraffectedbymining,stressconcentrationfactorisontherise,andtherangeisfrom1.09to3.12;coalpillarstressbetween73005fullymechanizedfaceand83003fully-mechanizedfacestressissignificantlyhigherthanthecoalpillarstressofmodelboundary;themorethetimesofcoalpillaraffectedbyminingis,thegreaterthecoalpillarstressis;Whenfaceadvancing,thecavingofoverlyingstratamakesstressfullyreleaseintherock,withgoafcompacted,thestressisrebounding.Bysimilarmaterialsimulationresearch,toguidefacemining,andusingcoalseamwaterinjection,pressurereleasedholesandstrengthensupporttocontrolrockburst,whichachieveanidealresults.
stressconcentrationfactor;coalpillar;similarmaterialsimulation;specialthickinclinedcoalseam;stressconcentrationfactor;rockburstcontrol
2015-12-05
郝志賢(1965-),副教授,高級(jí)工程師。E-mail:13942576007@163.com。
朱峰(1990-),博士研究生。E-mail:huafeng3966@126.com。
TD82
A
1004-4051(2016)08-0100-05