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        基于FLAC3D五溝煤礦1031工作面采動覆巖變形破壞特征研究

        2018-05-21 11:25:50楊本水
        皖西學(xué)院學(xué)報(bào) 2018年2期
        關(guān)鍵詞:采動突水覆巖

        程 浩,楊本水

        (安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)

        由于煤炭需求量對于社會發(fā)展日漸重要,因此不斷提高開采能力,增大開采深度是礦井開采的必然結(jié)果。而深部的開采勢必會誘發(fā)出各種的工程災(zāi)害,例如地溫升高、沖擊地壓(巖爆)、礦壓顯現(xiàn)劇烈、流變、巷道周圍巖層大變形、瓦斯爆炸、突水,并成為約束深部開采礦區(qū)安全生產(chǎn)的最主要的因素。在煤炭開采掘進(jìn)過程中,大部分的工程事故發(fā)生在回采工作面,其中大部分事故是因?yàn)閿鄬踊螂[伏斷裂引起的[1]。因此,研究分析在采動變化的影響下不同產(chǎn)狀要素的斷層發(fā)育、覆巖變形破壞特征,以及合理預(yù)留一定防水煤柱尺寸,不僅會對提高開采工作面的煤炭回采率具有極其重要的意義,而且關(guān)系到礦井安全綠色生產(chǎn)[2]。

        斷層的存在對煤礦產(chǎn)出和產(chǎn)量有著相當(dāng)重要的影響。斷層損壞嚴(yán)重的區(qū)域,影響采區(qū)的分類,工作面和巷道的部署,會導(dǎo)致工作面部署不規(guī)則,巷道掘進(jìn)率會有很大的增高,還時(shí)常會造成無效進(jìn)尺,不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,而且會留下不少的安全隱患。采煤工作面如果出現(xiàn)了斷層,會給巷道支護(hù)和煤層頂板施工管理增加難度,管理不當(dāng)還會造成冒頂事故。斷層是地下水的儲存所在和導(dǎo)水的良好渠道,如果管理不當(dāng)容易誘發(fā)斷層透水事故[3]。在此,筆者模擬完整情況和斷層存在情況下,研究斷層在煤層開采下覆巖變形破壞特征,進(jìn)而為煤礦的安全綠色生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

        1 模型的建立

        1.1 工程概況

        1031工作面作為矸石充填開采第二個(gè)工作面,位于南一采區(qū)東翼。工作面南起集中運(yùn)輸巷上段,西鄰CT101工作面(風(fēng)巷沿空留巷)。工作面回采山西組10煤層,工作面設(shè)計(jì)上限標(biāo)高為-260m,工作面可采走向長511m;傾斜寬69m。平均煤厚2.6m。

        1.2 模型建立

        本次分析以五溝煤礦區(qū)1031采區(qū)工作面為背景,1031工作面是矸石充填開采開始的工作面,在南部一采區(qū)東翼。工作面東部是風(fēng)氧化帶,南部是1017采空區(qū),西部靠近F14大型正斷層(∠70°H=0~280m),北方接近26-3鉆孔。工作面回采山西組10煤層,650m長的風(fēng)巷,590m長工作面機(jī)巷,100m切眼長度。平均煤厚3.1m。工作面標(biāo)高在-274.3m~-298.7m(巷道頂板標(biāo)高)之間,工作面沿走向布置。

        矸石是一種散體結(jié)構(gòu),不能承受拉伸變形,粘聚力幾乎為零。為了滿足模擬的需要作一下假設(shè):1)充填矸石為立方體的連續(xù)介質(zhì)。2)開采時(shí)頂?shù)装宓奈灰撇豢紤],按100%充填率進(jìn)行模擬,采空區(qū)為矸石充滿。

        完整頂板條件下模型:模擬工作面標(biāo)高-270m,模型y方向長200m,每10m一格。x方向?yàn)?50m,一格為10m。z方向高150m,模型為水平模型,傾角為6°。共36500個(gè)網(wǎng)格。

        斷層存在條件下模型:模型y方向長200m,其中上盤分50格,下盤分80格。x方向長250m,一格10m。高150m。模擬斷層為DF114斷層。共41000個(gè)單元。如圖1所示模型,如表1所示材料力學(xué)參數(shù)。

        表1 10煤頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)

        圖1 地質(zhì)模型圖

        1.3 模型過程

        本次模擬分為以下幾步:

        第一步模擬原始巖層應(yīng)力狀態(tài),因?yàn)榇舜斡?jì)算僅考慮采動應(yīng)力的影響,所以在原巖應(yīng)力達(dá)到平衡時(shí),要將位移進(jìn)行歸零處理;工作面模擬開挖作為第二步進(jìn)行,按上述方法實(shí)行工作面煤層向前掘進(jìn),依次模擬一步開采,進(jìn)行回填,然后模擬計(jì)算,最后到實(shí)現(xiàn)平衡,模擬回采下一開采步時(shí),進(jìn)行回填模擬,以此類推,一直到完成計(jì)算全部模型;第三步查看比較各個(gè)模型的工作面圍巖的最大主應(yīng)力變化和其產(chǎn)生的塑性區(qū)域變化。

        按照礦區(qū)頂板壓力情況,20m作為第一次開挖步距,完整頂板情況下模擬開挖5步,斷層情況下模擬開挖7步。在相關(guān)巖石力學(xué)性質(zhì)不變的條件下,采取如表2,表3所示模擬方案。

        表2 完整頂板模擬方案

        表3 斷層存在條件下頂板模擬方案

        2 結(jié)果分析

        2.1 覆巖分析

        工作面推進(jìn)時(shí)覆巖變形是一個(gè)漸進(jìn)過程,隨著工作面推進(jìn),采空區(qū)不斷增大大,覆巖應(yīng)力不斷變化。由圖2可以看出走向應(yīng)力范圍隨工作面推進(jìn)不斷擴(kuò)大,其塑性區(qū)范圍也在不斷擴(kuò),采空區(qū)上方頂板覆巖壓力也由原來的壓應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力狀態(tài),拉應(yīng)力范圍不斷增大,說明拉伸破壞區(qū)不斷增大。隨工作面推進(jìn)頂?shù)装迤茐某潭龋喉敯迤茐母叨戎饾u增大,最大穩(wěn)定在19m;煤層頂?shù)装灏l(fā)生位移,且隨工作面推進(jìn),位移量逐漸增大,底板破壞深度最大為13.7m。

        2.2 斷層分析

        由圖3可知:

        1) 當(dāng)煤層開始推進(jìn),距斷層距離較遠(yuǎn)時(shí),破壞區(qū)變化分布與完整底板的情況沒有大的區(qū)別。

        2) 由于斷層的落差較小,一開始斷層對于開采應(yīng)變和位移影響較小,在斷層帶附近,表現(xiàn)出應(yīng)力和變形集中。

        3) 煤層頂?shù)装鍟捎诠ぷ髅媲斑M(jìn)發(fā)生位移,而且位移量依次出現(xiàn)增大。因?yàn)閿鄬拥挠绊?,靠近斷層區(qū)域也出現(xiàn)應(yīng)力增大的塑性區(qū)。大體上現(xiàn)現(xiàn)出不對稱的兩個(gè)“馬鞍形”破壞區(qū)。

        圖2 沿走向覆巖應(yīng)力變形特征(完整)

        圖2(續(xù))

        比較圖2、圖3斷層存在條件下頂板裂縫發(fā)育最大長度為20.4m,比無斷層情況下增加了1.4m;底板最大破壞深度最大深度24m,比無斷層情況下增加了10.3m(見圖4)。而且塑性區(qū)的變化也有明顯差異,破壞形式也轉(zhuǎn)變?yōu)閴杭羝茐摹?/p>

        3 結(jié)論與建議

        通過數(shù)值模擬分析斷層對煤層采動覆巖變形破壞影響,可得出以下兩點(diǎn)結(jié)論[4-7]:

        1) 10煤層開采后覆巖變形的塑性區(qū)導(dǎo)水裂隙帶的高度隨工作面推進(jìn)不斷擴(kuò)大,在工作面推進(jìn)至125m時(shí),達(dá)到最大值24m。

        2) 煤層在開采掘進(jìn)過程中,當(dāng)存在斷層時(shí),因?yàn)閿鄬拥拇嬖冢瑪鄬又車鷷@現(xiàn)出應(yīng)力增大的塑性區(qū),相比較更容易發(fā)生壓剪破壞,進(jìn)而使得斷層帶圍巖內(nèi)的原有裂隙進(jìn)一步擴(kuò)張發(fā)育,并且不斷出現(xiàn)新的裂隙,產(chǎn)生貫穿斷層、含水層和底板的裂隙,導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育致使底板突水工程事故。所以,在生產(chǎn)過程中,斷層對于無斷層來說更容易引發(fā)突水危險(xiǎn),故在生產(chǎn)設(shè)計(jì)安全方案時(shí)一方面應(yīng)留設(shè)較寬的防水保護(hù)煤柱,另一方面要對斷層地段進(jìn)行一定的加固。

        圖3 沿走向覆巖應(yīng)力變形特征(斷層)

        圖3(續(xù))

        圖3(續(xù))

        圖4 覆巖變形破壞變化比較(單位:m)

        參考文獻(xiàn):

        [1]左建平,陳忠輝,王懷文,等.深部煤礦采動誘發(fā)斷層活動規(guī)律[J].煤炭學(xué)報(bào),2009(3):305-309.

        [2]徐睿,屠世浩,鄭西貴.淺析斷層構(gòu)造突水機(jī)理及防治措施[J].煤礦安全,2009(1):79-84.

        [3]王巖.淺談煤礦井下斷層構(gòu)造對安全開采的影響及防范措施[J].工程技術(shù),2016(17):195-195.

        [4]鄭功,程久龍,王玉和,等.不同傾角斷層對煤層底板突水影響的數(shù)值模擬研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2012,39(1):14-16.

        [5]陳穎,張永剛,劉福祥.斷層在煤層開采條件下的活化分析[J].山東煤炭科技,2013(3):130-132.

        [6]翟曉榮,吳基文,彭濤,等.斷層對每層開采應(yīng)力分布影響的數(shù)值模擬分析[J].煤礦開采,2013,18(5):14-16.

        [7]韓紅凱,許家林,王曉振.受小傾角斷層影響的地表移動特征研究[J].煤炭科技,2015,41(3):44-48.

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