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        柱式采空區(qū)上行開采數(shù)值模擬研究

        2022-03-23 06:58:18張小軍覃祥瑞陳勛勛張嘉凡
        煤炭工程 2022年3期
        關(guān)鍵詞:煤柱層間巖層

        張小軍,覃祥瑞,陳勛勛,張嘉凡

        (1.陜西省煤炭科學(xué)研究所,陜西 西安 710001;2.西安科技大學(xué),陜西 西安 710054)

        神廣煤礦井田內(nèi)共賦存3層(4-2上、4-3及5-2)可采煤層,因產(chǎn)能、工藝、煤質(zhì)等問題,使得5-2煤已采用房式采煤法開采完畢,現(xiàn)形成“柱式采空區(qū)上行開采多煤層”的開采模式。在柱式采空區(qū)上部上行開采的關(guān)鍵問題在于下部5-2煤開采后是否對上部4-2上、4-3煤的整體性和連續(xù)性造成破壞性影響以及上行開采過程中的采動效應(yīng)是否對層間巖層及下部采空區(qū)留設(shè)煤柱穩(wěn)定性產(chǎn)生危害性破壞。

        關(guān)于上行開采我國學(xué)者進行了大量研究[1-7]。李楊等[8]針對近距離煤層上行開采的可行性與擾動評價問題,建立了上行開采“可行度”判別式與評價體系。馮國瑞等[9]通過相似模擬試驗分析了刀柱殘采區(qū)形成時和上行長壁開采過程中采場支承壓力時空演化規(guī)律。張晨雷[10]進行了相似模擬試驗,對煤層群上行開采過程中覆巖垮落和運移規(guī)律進行了監(jiān)測。邵小平等[11]采用相似模擬試驗的方法,研究了下部煤層開采后層間巖層移動變形規(guī)律及裂隙分布規(guī)律。龐冬冬[13]運用數(shù)值計算方法,模擬了下部煤層開采后煤層間應(yīng)力和位移的變化規(guī)律。楊創(chuàng)前等[14]采用UDEC數(shù)值模擬軟件研究了上行開采前后采場的應(yīng)力分布特征及煤柱的塑性區(qū)分布規(guī)律。現(xiàn)有上行開采研究大多基于下部煤層采用長壁采煤法,采空區(qū)上覆巖層垮落比較充分,主要關(guān)注下部煤層開采對上部煤層整體性和連續(xù)性的影響。然而,神廣煤礦5-2煤采用了房式采煤法,采空區(qū)留有大量煤柱,覆巖未充分垮落,上行開采產(chǎn)生的采動壓力可能造成5-2煤采空區(qū)留設(shè)煤柱失穩(wěn)破壞,引起上覆巖層垮落破壞和工作面底板巖層失穩(wěn),危及上部煤層采煤工作面的安全生產(chǎn)[15,16]。

        針對神廣煤礦柱式采空區(qū)上行開采的工程實際,在理論分析的基礎(chǔ)上,通過建立三維數(shù)值模型,采用數(shù)值模擬方法研究上行開采過程中的采動效應(yīng)對層間巖層及下部煤層采空區(qū)留設(shè)煤柱穩(wěn)定性的影響規(guī)律,綜合論證上行開采可行性。

        1 工程概況

        神廣煤礦位于神木市北部,面積3.6355km2,主要可采煤層自上而下依次為4-2上、4-3、5-2煤,其特征見表1。下部5-2煤采用“采6留7”房式開采,采高2.6m,現(xiàn)已開采完畢;上部4-2上煤已開采1401、1402及1403工作面,1404備用工作面已形成,1405工作面掘進415m后臨近5-2煤柱式采空區(qū),存在上行開采問題。5-2煤采空區(qū)上部的4-2上煤保有資源量為152.17Mt,占4-2上煤總儲量的33.96%;4-3煤保有資源量為221.20Mt,占4-3煤總儲量的74.36%。對5-2煤采空區(qū)上部4-2上、4-3煤進行上行開采具有良好的經(jīng)濟效益。因此,為了充分、合理開發(fā)煤炭資源,延長礦井服務(wù)年限,保障神廣煤礦的安全生產(chǎn),需對5-2煤上部4-2上、4-3煤的上行開采可行性進行研究。

        2 上行開采可行性理論分析

        2.1 比值判定法

        基于兩煤層間的層間距與下部煤層采高的比值大小,對上部煤層的上行開采可行性進行判定,即為比值判定法。其比值K可表示為[17,18]:

        K=H/M

        (1)

        式中,H為上下兩煤層之間的層間距,m;M為下層煤采高,m。

        下部5-2煤層采高為2.6m,距上部4-3、4-2上煤層最小間距分別為61m和86m,帶入式(1)得比值分別為K1=23.46、K2=33.07。根據(jù)我國上行開采的生產(chǎn)實踐和研究表明,當(dāng)比值K>7.5時,可在已采煤層采空區(qū)上部進行正常的采掘活動。由上述計算可知,初步判斷4-2上煤和4-3煤均可在5-2煤采空區(qū)范圍內(nèi)進行上行開采。

        2.2 煤柱穩(wěn)定性分析

        5-2煤層房式開采后留設(shè)了較多煤柱,在上行開采前需對其穩(wěn)定性進行分析。通過現(xiàn)場煤巖采樣,并加工為直徑50mm,高度100mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣;進行單軸壓縮試驗,測得其抗壓強度分別為21.17MPa、20.99MPa、19.82MPa,取其平均值為20.66MPa。

        考慮到煤巖試塊的尺寸效應(yīng),根據(jù)Hustrulid于1976年提出的室內(nèi)試驗標(biāo)準(zhǔn)試樣與原位臨界立方體試塊的強度轉(zhuǎn)換公式:

        (2)

        式中,σc為實驗室煤樣單軸抗壓強度,MPa;σm為原位臨界立方體煤塊強度,MPa;D為實驗室試樣直徑,m。

        將室內(nèi)實驗測得的標(biāo)準(zhǔn)煤樣單軸抗壓強度σc=20.66MPa代入式(2)得到原位臨界立方體煤塊的強度σm=4.87MPa。

        根據(jù)Bieniawski提出的煤柱強度計算公式:

        (3)

        式中,a為煤柱寬度,m;當(dāng)a/h>5時,n=1.4;a/h<5時,n=1。

        將各參數(shù)代入式(3)可得5-2煤采空區(qū)留設(shè)煤柱的極限承載強度σp=7.84MPa。

        根據(jù)有效區(qū)域理論,煤柱所承受的上覆巖層荷載可根據(jù)下式計算:

        (4)

        式中,γ為上覆巖層平均容重,kN/m3;h為開采深度,m;b為采出寬度,m。

        5-2煤層開采深度為167m,取上覆巖層平均容重為22.3kN/m3,帶入式(4)計算得σs=12.67MPa。根據(jù)煤柱的極限承載強度與承受荷載之比σp/σs確定其安全系數(shù)為0.62,即煤柱處于不穩(wěn)定狀態(tài),不利于安全上行開采。為此,對5-2煤采空區(qū)進行了偵察,結(jié)果顯示:5-2煤采空區(qū)有部分頂板冒落,可見巖石頂,煤柱基本完好。但由于煤柱承受荷載較大,考慮到上行開采過程中的采動效應(yīng)對其長期穩(wěn)定性的影響,需采用數(shù)值模擬方法進一步研究4-2上、4-3煤上行開采對5-2煤采空區(qū)煤柱穩(wěn)定性的影響。

        3 數(shù)值模擬分析

        3.1 模型建立

        采用3DEC離散元軟件對4-2上和4-3煤上行開采可行性進行分析。根據(jù)神廣煤礦井田賦存條件及綜合柱狀圖,結(jié)合4-2上煤1405工作面臨近5-2煤采空區(qū)的工程實際,并保留地形特征,選取1406和1407工作面對應(yīng)區(qū)域建立三維數(shù)值模型,如圖1所示。模型中各巖層物理力學(xué)參數(shù)見表2。

        圖1 三維數(shù)值模型

        表2 巖層物理力學(xué)參數(shù)表

        模型尺寸為500m×350m×174m,分別在x、y方向相對的2邊界面施加法向約束,模型底面(z=0)施加限制各個方向位移的固定面約束,上表面為自由邊界。為了減少邊界效應(yīng)的影響,模型走向和傾向的邊界分別為50m和47.5m,即模型工作面開采的走向長度為400m,5-2煤傾向長度為255m,4-2上、4-3煤1406和1407工作面傾向長度均為120m,并留設(shè)寬度為15m的區(qū)段煤柱。選取y=103.5m處(1406工作面中心軸線)截面進行應(yīng)力場和位移場的分析,并在該截面布設(shè)2條監(jiān)測線,如圖2所示,測線1位于5-2煤頂板,測線2位于4-3煤與5-2煤的層間巖層中部。模擬開采過程中,先開采5-2煤,待采場巖層運移穩(wěn)定后再開采4-2上煤,最后開采4-3煤。5-2煤采用“采6留7”房式開采,4-2上、4-3煤均采用長壁垮落法開采。

        圖2 測線布置

        3.2 5-2煤開采后巖層應(yīng)力、位移分布規(guī)律

        5-2煤采用“采6留7”房式開采,開采后采場應(yīng)力場及位移場分布如圖3所示。

        圖3 5-2煤開采后采場垂直應(yīng)力、位移場分布規(guī)律

        由圖3(a)可知,采場中心處煤柱垂直應(yīng)力較大,可達11.8MPa,這與理論計算值12.67MPa基本一致。分析可知,5-2煤開采后,煤房與煤柱間隔分布,留設(shè)煤柱及采空區(qū)兩側(cè)煤壁承擔(dān)上覆巖層的所有荷載,導(dǎo)致采場中心區(qū)域煤柱垂直應(yīng)力值較大。由圖3(b)可知,采場中心位置巖層沉降最大,最大值為1.73cm,靠近采空區(qū)兩側(cè)最小,最小值僅為0.9cm。由于煤房與煤柱間隔分布,煤房上覆巖層沉降量較大,而煤柱上覆巖層沉降較小,造成頂板出現(xiàn)不均勻沉降,但影響范圍較小,僅出現(xiàn)在上覆巖層10m范圍內(nèi),且沉降量極小。總體而言,采場上覆巖層沉降量由下至上逐漸減小,不均勻沉降范圍遠小于煤層間的層間距,不會對4-2上和4-3煤的整體性和連續(xù)性造成影響。

        3.3 4-2上煤上行開采后巖層應(yīng)力、位移分布規(guī)律

        為了驗證4-2上煤上行開采的可行性,模擬計算了5-2煤房式開采后開采4-2上煤對層間巖層應(yīng)力及位移場的影響。4-2上煤開采后巖層應(yīng)力場、位移場分布如圖4所示。

        由圖4可知,4-2上煤開采后,5-2煤采空區(qū)留設(shè)煤柱垂直應(yīng)力有所減小,煤柱最大應(yīng)力由4-2上煤開采前的11.8MPa減小至10.5MPa;同時4-2上煤頂板由開采前受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)為受拉狀態(tài),底板區(qū)域壓力值有所減小,采空區(qū)兩端出現(xiàn)較小區(qū)域應(yīng)力集中。分析可知,4-2上煤采出后,將原本覆于其底板的煤層采出,形成采空區(qū),施加于底板的荷載逐漸減小,并轉(zhuǎn)移至區(qū)段煤柱及采場邊界煤層,由此傳遞至下部巖層,從而減少了原本施加于層間巖層及5-2煤留設(shè)煤柱的荷載,使其垂直應(yīng)力減小,煤柱安全系數(shù)提高,并保持穩(wěn)定。

        圖4 4-2上煤開采后采場垂直應(yīng)力、位移分布規(guī)律

        由圖4(b)可知,4-2上煤上行開采后,其采空區(qū)底板大部分區(qū)域存在較小的底鼓現(xiàn)象,邊界巖層沉降有所增加,且5-2煤頂板處位移均有所減小。分析可知,由于卸壓效應(yīng),施加于底板上的荷載轉(zhuǎn)移至邊界煤層,增大了邊界處巖層承受荷載,減小了底板巖層所受荷載,進而導(dǎo)致采場邊界處巖層位移增大,并出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象;同時施加于5-2煤頂板的荷載減小,導(dǎo)致頂板位移有所減小。

        綜上所述,4-2上煤上行開采造成的采動效應(yīng)未對層間巖層及5-2煤留設(shè)煤柱帶來破壞性影響,未引起層間巖層礦山壓力顯現(xiàn)的劇烈變化。反而由于卸荷效應(yīng),以及荷載向區(qū)段煤柱及采空區(qū)邊界處煤壁轉(zhuǎn)移,有利于5-2煤留設(shè)煤柱及采空區(qū)的穩(wěn)定性;加之層間巖層垂直應(yīng)力未發(fā)生顯著變化,因此保證了層間巖層的穩(wěn)定。因此在5-2煤開采后,可對4-2上煤進行上行開采。

        3.4 4-3煤開采后巖層應(yīng)力、位移分布規(guī)律

        對4-3煤進行開采時,由于4-3煤的開采對于5-2煤是上行開采,而對于4-2上煤是下行開采,其上下煤層之間巖層受4-2上、5-2煤開采的共同影響,加之4-3煤與5-2煤層間距比4-2上煤小25m,使得其煤層底板、頂板和層間巖層發(fā)生的移動變形及應(yīng)力狀態(tài)更為復(fù)雜。為了驗證4-3煤上行開采的可行性,模擬計算了5-2、4-2上煤開采后上行開采4-3煤對層間巖層應(yīng)力及位移場的影響。4-3煤開采后巖層應(yīng)力場、位移場分布如圖5所示。

        由圖5可知,4-3煤開采后,4-2上煤與4-3煤間的層間巖層由受壓逐漸轉(zhuǎn)為受拉狀態(tài),應(yīng)力值介于2~4MPa之間;4-3煤底板區(qū)域垂直應(yīng)力減小,介于0~1MPa之間;5-2煤采空區(qū)頂板垂直應(yīng)力進一步減小至4~6MPa,煤柱應(yīng)力整體減小至6~8MPa,最大值減小至8.19MPa,煤柱安全系數(shù)進一步提高。

        圖5 4-3煤開采后采場垂直應(yīng)力、位移場分布規(guī)律

        由圖5(b)可知,4-3煤采空區(qū)上覆巖層的位移由下至上逐漸減小,且頂板區(qū)域位移最大,由于4-2煤采空區(qū)對上部巖層荷載傳遞的影響,使得4-3煤頂板承受荷載減小,因而其位移相對于4-2煤頂板較??;其底板區(qū)域存在較小向上的位移,即頂板發(fā)生下沉而底板則為底鼓現(xiàn)象。表明4-3煤開采擾動未導(dǎo)致層間巖層礦山壓力劇烈變化,未對層間巖層造成破壞性影響。故4-3煤上行開采具有可行性。

        3.5 層間巖層受上部煤層采動影響規(guī)律

        為了進一步研究4-2上、4-3煤上行開采的可行性,提取了各煤層開采過程中測線2的垂直應(yīng)力和位移值,如圖6所示。由圖6可知,各煤層開采后,層間巖層垂直應(yīng)力分布規(guī)律具有一致性,即采空區(qū)對應(yīng)層間巖層垂直應(yīng)力值均勻分布,而靠近邊界處層間巖層垂直應(yīng)力逐漸增大。具體表現(xiàn)為5-2、4-2上、4-3煤依次采出后50~450m范圍內(nèi)層間巖層垂直應(yīng)力值逐漸減小,分別為2.0MPa、1.5MPa、1.0MPa;而邊界處巖層垂直應(yīng)力值逐漸增大,最大值分別為3.5MPa、4.0MPa、4.2MPa。各煤層開采后,層間巖層沉降量變化規(guī)律與垂直應(yīng)力一致,即5-2、4-2上、4-3煤依次采出后50~450m范圍內(nèi)層間巖層沉降量逐漸減小,而邊界處沉降量逐漸增大,且沉降逐漸趨于均勻。進一步說明4-2上、4-3煤上行開采后的采動效應(yīng),未導(dǎo)致層間巖層礦山壓力劇烈變化,未對層間巖層造成破壞性影響。

        圖6 層間巖層垂直應(yīng)力、位移演化規(guī)律

        3.6 5-2煤采空區(qū)煤柱受上部煤層采動影響規(guī)律

        5-2煤作為首采煤層,其采空區(qū)穩(wěn)定性是4-2上、4-3煤安全上行開采的關(guān)鍵因素。5-2煤采用“采6留7”房式開采,留設(shè)了尺寸為7m×7m的煤柱承載上覆巖層荷載。為了明確各煤層開采過程中5-2煤采空區(qū)留設(shè)煤柱的穩(wěn)定性,提取了測線1的垂直應(yīng)力和位移值,如圖7所示。

        圖7 5-2煤頂板垂直應(yīng)力、位移演化規(guī)律

        由圖7可知,5-2煤開采前煤柱處垂直應(yīng)力值為原巖應(yīng)力,整體均勻分布,約為4MPa。在5-2煤開采后,應(yīng)力值發(fā)生突變,較大值介于6~10MPa之間,位于留設(shè)煤柱處,較小值介于0~2MPa之間,位于煤房處。4-2上煤上行開采后,5-2煤采空區(qū)煤柱垂直應(yīng)力值均減小,最大應(yīng)力為8.66MPa;4-3煤上行開采后,煤柱處應(yīng)力進一步減小,最大應(yīng)力為6.8MPa。表明4-2上、4-3煤上行開采后,5-2煤采空區(qū)留設(shè)煤柱承受荷載逐漸減少,煤柱應(yīng)力值減小,煤柱仍保持穩(wěn)定。5-2煤開采后采空區(qū)頂板位移發(fā)生突變,沉降不均勻,表現(xiàn)為煤房頂板沉降最大,最大值為1.73cm,而煤柱處沉降較小。4-2上、4-3煤依次采出后5-2煤采空區(qū)頂板沉降量逐漸減小,最大值分別為1.55cm、1.25cm??傮w而言,4-2上、4-3煤上行開采均使得5-2煤采空區(qū)留設(shè)煤柱承受荷載持續(xù)減少,留設(shè)煤柱保持穩(wěn)定,采空區(qū)整體趨于穩(wěn)定。表明上行開采可行。

        4 結(jié) 論

        1)4-2上、4-3煤與5-2煤間計算得到的比值K分別為33.07、23.46,均大于臨界值7.5;煤柱的極限承載強度為7.84MPa,安全系數(shù)為0.62,對安全上行開采存在一定影響。

        2)5-2煤開采后,上覆巖層沉降量由下至上逐漸減小,4-2上和4-3煤具有良好的整體性和連續(xù)性;上行開采使得層間巖層應(yīng)力降低,位移減小。

        3)4-2上、4-3煤上行開采后5-2煤采空區(qū)煤柱應(yīng)力逐漸降低,安全系數(shù)逐漸提高,且未對層間巖層及煤柱帶來破壞性影響,未引起層間巖層礦山壓力顯現(xiàn)的劇烈變化。因此,神廣煤礦4-2上、4-3煤上行開采具有可行性。

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