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        淺埋深綜放工作面過(guò)風(fēng)氧化帶礦壓規(guī)律研究

        2019-01-30 09:09:56申文波
        山東煤炭科技 2019年1期
        關(guān)鍵詞:圍巖模型

        申文波

        (西山煤電集團(tuán)斜溝礦,山西 呂梁 033600)

        綜放工作面正常推進(jìn)過(guò)程中,當(dāng)穿過(guò)特殊的地質(zhì)構(gòu)造時(shí),工作面所處圍巖的力學(xué)特性會(huì)發(fā)生很大變化,當(dāng)遇到斷層、風(fēng)氧化帶等構(gòu)造時(shí),圍巖的整體性破壞很嚴(yán)重,頂板、圍巖的應(yīng)力會(huì)重新分布,且容易集中,破壞性比較大。過(guò)風(fēng)氧化帶的工作面常常會(huì)由于破碎的巖石和黏土等松散物質(zhì)的存在發(fā)生漏頂,使工作面刮板輸送機(jī)因附著大量黏土導(dǎo)致故障增多,極大影響工作面安全、高效生產(chǎn)。因此,對(duì)于綜放工作面過(guò)風(fēng)氧化帶的頂板礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究十分必要。

        1 工程概況

        山西省西山煤電斜溝礦1805工作面所在煤層為8#煤下分層,上覆基巖和表土層厚度33.63~154.36m。1805工作面凈寬為238.8m,工作面推進(jìn)長(zhǎng)度為638.9m,煤層厚度為3.3~3.5m,平均厚度為3.4m。

        1805工作面直接頂為厚度5.6m的泥巖,偽頂為平均厚度0.1m的炭質(zhì)泥巖,直接頂?shù)木植繆A雜黏土層。

        工作面正常推進(jìn)到490m時(shí),刮板輸送機(jī)經(jīng)常由于過(guò)載而發(fā)生故障,無(wú)法啟動(dòng)。此時(shí)頂板和底板以及煤幫整體比較松軟,極易破壞失穩(wěn),因此確定綜放工作面已到達(dá)風(fēng)氧化帶。此時(shí)頂板的礦壓規(guī)律不明確,液壓支架選型已無(wú)法借用原有經(jīng)驗(yàn),施工風(fēng)險(xiǎn)較大,作業(yè)人員的安全風(fēng)險(xiǎn)也比較大。為保證工作面生產(chǎn)過(guò)程中的安全,確保安全高效的生產(chǎn),針對(duì)綜采工作面過(guò)風(fēng)氧化帶的頂板圍巖礦壓規(guī)律的研究迫在眉睫,以達(dá)到指導(dǎo)施工的目的。

        2 工作面頂板力學(xué)模型及應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律

        2.1 力學(xué)模型的提出

        回采工作面前方超前應(yīng)力分布規(guī)律如圖1(a)所示。工作面在開(kāi)采過(guò)程中,由于工作面前方超前應(yīng)力的作用,會(huì)將工作面煤壁壓碎,形成圖1(a)中的破壞區(qū)域A。在距離工作面較遠(yuǎn)的煤體內(nèi),存在彈性受力區(qū)B。由于工作面不斷地靠近風(fēng)氧化帶,風(fēng)氧化帶對(duì)工作面的影響越來(lái)越大,由于承受應(yīng)力的煤體越來(lái)越窄,彈性受力區(qū)B越來(lái)越小,來(lái)自上方圍巖的應(yīng)力集中現(xiàn)象會(huì)更加嚴(yán)重,此時(shí)應(yīng)力集中系數(shù)k’增加到k。隨著彈性受力區(qū)B逐漸減小,在其范圍等于零時(shí),此時(shí)工作面煤體處于極限平衡狀態(tài),在風(fēng)氧化帶與煤體的交界位置應(yīng)力峰值處于最高水平。此時(shí),在集中應(yīng)力作用下,工作面圍巖結(jié)構(gòu)容易發(fā)生失穩(wěn),頂板變形量加大,管理困難,容易發(fā)生事故。因此,本文將針對(duì)此狀態(tài)下工作面壓力最大、頂板最難管理的情況,建立工作面直接頂?shù)牧W(xué)模型進(jìn)行分析研究。

        圖1 工作面頂板力學(xué)模型

        根據(jù)回采工作面通過(guò)風(fēng)氧化帶時(shí)圍巖結(jié)構(gòu)的特征及應(yīng)力分布規(guī)律,建立工作面頂板極限平衡狀態(tài)力學(xué)模型如圖1(b)所示。模型上邊界為給定變形邊界。在風(fēng)氧化帶與煤體的交界位置處于極限平衡狀態(tài),通過(guò)彈性模量計(jì)算公式E=σ/ε得:

        式中:

        S0-煤體彈性變形量,m;

        k-應(yīng)力集中系數(shù);

        H-開(kāi)采深度,m;

        γ-上覆巖層平均容重,kN/m3;

        m-工作面采高,m;

        E1-煤層的彈性模量,MPa。

        頂板模型下邊界由工作面液壓支架提供支撐力P1,煤體提供支撐力P2;模型的左邊界模擬風(fēng)氧化帶對(duì)頂板造成的影響,可視為連桿約束;模型右邊界模擬采空區(qū),對(duì)頂板產(chǎn)生水平支撐力,可視為水平荷載P3。

        支架阻力P1計(jì)算式如下:

        式中:

        x-水平方向到風(fēng)氧化帶距離,x∈[l,L],m;

        F-液壓支架支撐力,kN;

        L-控頂距,m;

        l-煤體寬度,m。

        煤體支承力P2計(jì)算:

        煤體在垂直應(yīng)力作用下的狀態(tài)包括三個(gè)階段:彈性階段、塑性軟化階段、塑性流動(dòng)階段,在應(yīng)力極限平衡狀態(tài)下可視為彈塑性應(yīng)變軟化模型。因此在三軸應(yīng)力條件下,煤體的抗壓強(qiáng)度條件為:

        式中:

        σ1-最大主應(yīng)力,MPa;

        σ3-最小主應(yīng)力,MPa;

        Kp-三軸系數(shù),即

        σl*-煤體殘余強(qiáng)度,MPa。

        由于模型右側(cè)為采空區(qū),左側(cè)為風(fēng)氧化帶,模型在Y方向受到的應(yīng)力σy較X方向受到的應(yīng)力σx大得多,因此可認(rèn)為σy=σ1=P2,σx=σ3,所以有:

        在0≤x≤l的區(qū)域,假設(shè)P2為線性分布,設(shè)方程:

        當(dāng)x=0時(shí),P2=σy=kγH;當(dāng)x=l時(shí),σx=0代入(4)式得P2=σy=σl*。則P2的表達(dá)式為:

        式中:

        x-水平方向到風(fēng)氧化帶距離,m;

        k-應(yīng)力集中系數(shù);

        H-開(kāi)采深度,m;

        γ-上覆巖層平均容重,kN/m3;

        σl*-煤體殘余強(qiáng)度,MPa;

        l-煤體寬度,m。

        2.2 風(fēng)氧化帶附近的應(yīng)力場(chǎng)

        風(fēng)氧化帶應(yīng)力分布規(guī)律與構(gòu)造面的強(qiáng)度相對(duì)于圍巖強(qiáng)度有關(guān),其附近的應(yīng)力分布情況可分為:(1)在構(gòu)造帶內(nèi)沒(méi)有充填物質(zhì)的情況下,構(gòu)造帶的最大主應(yīng)力與構(gòu)造面趨于平行,如圖2中的情況1;(2)在構(gòu)造帶內(nèi)存在與附近圍巖相似的充填物質(zhì)的情況下,構(gòu)造帶的最大主應(yīng)力方向不變,如圖2中的情況2;(3)在構(gòu)造帶內(nèi)存在比附近圍巖巖性更加堅(jiān)硬充填物質(zhì)的情況下,構(gòu)造帶的最大主應(yīng)力與構(gòu)造面垂直,如圖2中的情況3所示。

        圖2 構(gòu)造附近應(yīng)力狀態(tài)

        由于淺埋深工作面內(nèi)的風(fēng)氧化帶內(nèi)部的充填物質(zhì)比附近圍巖的強(qiáng)度低,因此,為更清楚地掌握風(fēng)氧化帶構(gòu)造的應(yīng)力分布情況,本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)風(fēng)氧化帶附近的應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了研究。

        本文選用3DEC數(shù)值模擬軟件對(duì)風(fēng)氧化帶構(gòu)造進(jìn)行模擬研究。建立模型,模型尺寸為:長(zhǎng)(X方向)×寬 (Y方向)× 厚 (Z方向)=100 ×100 ×lm。邊界條件:下邊界為法向位移約束yvel=0、左、右邊界施加最大主應(yīng)力sxx=σ、上邊界施加最小主應(yīng)力syy=σ、Z方向施加法向位移約束zvel=0。

        本文采用3DEC內(nèi)置的Discontinuity模擬風(fēng)氧化帶構(gòu)造面,圍巖力學(xué)參數(shù)、構(gòu)造面參數(shù)如表1、表2所示。

        表1 圍巖力學(xué)參數(shù)表

        表2 斷裂構(gòu)造面力學(xué)參數(shù)表

        為方便對(duì)比研究,本文建立三個(gè)構(gòu)造模型:模型一、模型二、模型三。模型一的構(gòu)造面內(nèi)摩擦角=0°,內(nèi)聚力=0MPa。模型二的構(gòu)造面內(nèi)摩擦角=80°,內(nèi)聚力=0.2MPa。模型3為理想狀態(tài)下模型,無(wú)構(gòu)造面。

        對(duì)模型的最大、最小主應(yīng)力進(jìn)行研究分析,模擬結(jié)果如圖3、圖4所示。

        圖3 最大主應(yīng)力分布云圖

        圖4 主應(yīng)力方位

        通過(guò)觀察圖3可以發(fā)現(xiàn):風(fēng)氧化帶構(gòu)造會(huì)對(duì)均勻的應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生影響,使風(fēng)氧化帶的兩側(cè)產(chǎn)生應(yīng)力差,在模型一中,風(fēng)氧化帶的最大主應(yīng)力差=5.8MPa;在模型二中,風(fēng)氧化帶的最大主應(yīng)力差=2.8MPa。

        由圖4可發(fā)現(xiàn):主應(yīng)力的方向會(huì)由于風(fēng)氧化帶構(gòu)造的影響而發(fā)生偏轉(zhuǎn),模型一和模型二中,雖然二者的共同點(diǎn)是越接近風(fēng)氧化帶偏轉(zhuǎn)角越大,但是,模型一和模型二的風(fēng)氧化帶最大主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)角分別為 0°~60°和0°~30°。

        3 結(jié)論

        (1)在風(fēng)氧化帶與煤體的交界位置應(yīng)力峰值處于最高水平。此時(shí),工作面圍巖極容易由于應(yīng)力集中而失穩(wěn),頂板的變形量也加大,對(duì)于頂板的管理也比較困難,液壓支架選型也會(huì)發(fā)生變化,應(yīng)引起足夠重視。

        (2)在對(duì)風(fēng)氧化帶構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律的研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn):兩個(gè)模型的風(fēng)氧化帶周圍主應(yīng)力變化的規(guī)律區(qū)別較大,模型一、模型二中,主應(yīng)力分別偏轉(zhuǎn)0~60°、0~30°,模型一偏轉(zhuǎn)較大,并且在兩個(gè)模型中,風(fēng)氧化帶周圍的應(yīng)力場(chǎng)范圍也不同,模型一大于模型二。因此可以推斷,風(fēng)氧化帶構(gòu)造內(nèi)部填充物的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)構(gòu)造周圍的應(yīng)力場(chǎng)變化有著巨大的影響,填充物的物理力學(xué)性質(zhì)越差,主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)角度越大,構(gòu)造應(yīng)力越復(fù)雜。

        風(fēng)氧化帶構(gòu)造的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致圍巖的整體性破壞,圍巖力學(xué)性質(zhì)發(fā)生很大變化,且容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,破壞性比較大,由于圍巖整體性差,會(huì)導(dǎo)致圍巖內(nèi)部混入其他物質(zhì),而這些充填物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致風(fēng)氧化帶內(nèi)部的應(yīng)力場(chǎng)更加復(fù)雜,越容易發(fā)生事故,更應(yīng)該引起重視。

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