王正帥

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司, 重慶 400037)

新疆近年來煤炭產(chǎn)量大幅增加,已位居中國產(chǎn)煤省份第四位,2021年原煤產(chǎn)量達(dá)3.19億t。新疆急傾斜特厚煤層儲(chǔ)量占比較大,僅烏魯木齊礦區(qū)急傾斜煤層儲(chǔ)量就占中國急傾斜煤層儲(chǔ)量的25%以上[1]。急傾斜特厚煤層賦存條件特殊、開采方式獨(dú)特,常采用水平分段綜放方式開采[2],諸多學(xué)者對(duì)此開展了大量研究并取得了很多成果。王家臣等[3]給出了頂板“傾倒式”和“滑塌式”兩種破壞模式及判別準(zhǔn)則;來興平等[4]建立了急傾斜煤層覆巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型,分析了覆巖聯(lián)動(dòng)致災(zāi)特征;王紅偉等[5]揭示了采場頂板運(yùn)動(dòng)演化、底板破壞滑移及圍巖承載結(jié)構(gòu)泛化特征;董建輝等[6]研究了上覆巖層的移動(dòng)擠壓變形區(qū)特征;程磊等[7]研究了采動(dòng)覆巖裂隙發(fā)育及導(dǎo)水裂隙帶高度特征;王曉蕾等[8]總結(jié)了覆巖破壞特征數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀及進(jìn)展;黃旭超[9]、杜昌昂等[10]研究了回采巷道及頂板應(yīng)力及裂隙演化規(guī)律;雷道學(xué)[11]、林劉軍等[12]研究了底板破壞機(jī)理;屠洪盛等[13]建立了急傾斜工作面底板下端和上端力學(xué)模型,給出了底板最大破壞深度的表達(dá)公式;劉程[14]得出了急傾斜煤層底板力學(xué)極限判據(jù)解析公式;張志沛等[15]研究了急傾斜厚煤層群采空區(qū)上覆和下伏巖層集中應(yīng)力影響下的初期破壞強(qiáng)度。綜上,已有的研究大多集中于急傾斜煤層上覆巖層的破壞判別準(zhǔn)則、移動(dòng)變形特征、裂隙演化規(guī)律,為數(shù)不多的涉及急傾斜厚煤層開采工作面下部煤巖體的研究主要針對(duì)底板的破壞機(jī)理、模型和判據(jù)等,針對(duì)下部煤巖體的應(yīng)力場和位移場的研究相對(duì)還不完善,但掌握下部煤巖體應(yīng)力和位移分布演化規(guī)律對(duì)下分段的分段高度、回采巷道布置、下分段卸壓瓦斯抽采、沖擊地壓防治都有重要意義。為此,現(xiàn)以烏東煤礦急傾斜特厚煤層分段綜放工作面為研究對(duì)象,采用數(shù)值模擬方法重點(diǎn)分析了工作面下部煤巖體和底板的應(yīng)力、位移分布,并分析了分段高度、開采深度對(duì)工作面下部煤巖體應(yīng)力及位移的影響。研究成果為新疆及具有相似條件的急傾斜特厚煤層開采條件確定、災(zāi)害治理措施的制定提供參考。

1 礦井與工作面概況

烏東煤礦位于烏魯木齊東北部,設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為每年600萬t,高瓦斯礦井。+575 m水平45#煤層西翼綜放工作面為試驗(yàn)面,煤層厚度平均22 m,采用水平分段綜采放頂煤工藝,工作面斜長約35 m,設(shè)計(jì)分段高度25 m,設(shè)計(jì)回采長度為1 124 m,采高3.5 m,采放比6.1,工作面埋深約200 m。煤層結(jié)構(gòu)簡單,平均傾角45°,運(yùn)輸巷靠頂板布置,回風(fēng)巷靠底板布置,U形通風(fēng)。頂板主要為粉砂巖、細(xì)砂巖;底板主要為炭質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖,工作面地質(zhì)構(gòu)造較簡單。急傾斜煤層水平分段開采示意如圖1所示。

圖1 急傾斜煤層分段開采示意Fig.1 Schematic diagram of segmented mining of steep coal seam

2 應(yīng)力及位移演化數(shù)值分析

2.1 模型建立

利用FLAC3D以烏東煤礦+575 m水平45#煤層西翼綜放工作面為原型建立數(shù)值計(jì)算模型,如圖2所示,模型尺寸500 m×300 m×250 m(長×寬×高),模型采用六面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分,共劃分約41.1萬個(gè)單元、42.9萬個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型左右邊界、前后邊界為位移約束邊界,底部邊界為固定,上邊界為自由,模型底部為+500 m水平?？紤]巖石尺度效應(yīng),模型采用的巖體力學(xué)參數(shù)如表1所示。工作面開采45#煤層,工作面底板標(biāo)高+575 m,開切眼距ZX平面50 m,距XY平面75 m,沿Y方向推進(jìn)。第一次開挖10 m,之后以5 m為開挖步循環(huán),開挖階段高度為25 m。

表1 烏東煤礦45#煤層西翼工作面煤巖力學(xué)參數(shù)

圖2 三維數(shù)值計(jì)算模型Fig.2 Three dimensional numerical calculation model

2.2 下部煤巖體應(yīng)力、位移分布

開采130 m時(shí)工作面下分段不同深度煤巖體垂直應(yīng)力分布如圖3所示,由此可知不同深度煤巖體卸壓范圍均呈長軸沿煤層走向的橢圓狀,但卸壓范圍并不對(duì)稱,底板側(cè)和頂板側(cè)的煤巖體卸壓程度不同,靠近底板側(cè)卸壓程度更大,頂板側(cè)一定范圍甚至出現(xiàn)了應(yīng)力集中,但應(yīng)力集中范圍隨深度的增加逐漸減小。

圖3 開采130 m時(shí)工作面下部不同深度垂直應(yīng)力云圖Fig.3 Vertical stress distribution at different depths under the working face when mining 130 m

工作面推進(jìn)130 m時(shí)下分段煤體頂板側(cè)(距頂板法距2 m)、工作面中部、底板側(cè)(距底板法距2 m)垂直應(yīng)力變化情況如圖4所示(y=115 m截面),應(yīng)力云圖如圖5所示(y=115 m截面),根據(jù)保

圖4 下分段煤體不同位置垂直應(yīng)力隨深度變化Fig.4 Variation of vertical stress with depth at different positions of lower coal body

圖5 推進(jìn)130 m下分段煤巖體垂直應(yīng)力云圖Fig.5 Vertical stress cloud diagram of the lower coal rock of 130 m advance

護(hù)層開采理論,保護(hù)層開采后,被保護(hù)層垂直應(yīng)力減小的區(qū)域看作是被保護(hù)層的卸壓影響區(qū)域,被保護(hù)層垂直應(yīng)力變化量大于0.2倍被保護(hù)層垂直應(yīng)力的區(qū)域?yàn)橛行秹簠^(qū)。據(jù)此,上分段開采后,在工作面下分段煤體頂板側(cè)有效卸壓深度約5 m,卸壓影響深度約15 m;煤體中部有效卸壓深度約15 m,卸壓影響深度約20 m;底板側(cè)有效卸壓深度約25 m,卸壓影響深度約35 m。沿煤層走向卸壓角為57°。下分段煤體卸壓深度大小為底板側(cè)>工作面中部>頂板側(cè),下分段煤體靠近頂板側(cè)卸壓深度最小,說明其受上分段采動(dòng)影響最小,在實(shí)際生產(chǎn)過程中,可據(jù)此先施工下分段或下下分段運(yùn)輸巷,將其作為瓦斯治理措施巷向上部煤體施工抽采鉆孔。

2.3 底板應(yīng)力、位移分布

開采100 m時(shí)煤層底板不同深度的垂直應(yīng)力分布云圖如圖6所示,在煤層靠近回采分段上端部垂直應(yīng)力明顯集中,底板15 m深時(shí),垂直應(yīng)力的集中程度明顯降低。底板在不同深度出現(xiàn)卸壓區(qū)也不對(duì)稱,靠近開采分段頂端的煤層底板處出現(xiàn)應(yīng)力集中。

圖6 煤層底板不同深度垂直應(yīng)力云圖Fig.6 Vertical stress cloud diagram at different depths of coal seam floor

開采100 m時(shí)底板不同深度垂直位移曲線如圖7所示,隨著深度的增加,煤層底板的垂直位移逐漸減小,煤層直接底(深度2 m)發(fā)生的最大位移為23.7 mm,深度20 m處的底板最大位移為15.4 mm。

圖7 煤層底板沿傾斜方向垂直位移分布Fig.7 Vertical displacement distribution of coal seam floor along the inclined direction

2.4 分段高度對(duì)下部煤巖體應(yīng)力及位移的影響

為了研究不同分段開采高度對(duì)圍巖應(yīng)力及裂隙的影響,分別建立分段開采高度為5 m和25 m兩個(gè)模型,模型幾何尺寸及煤巖力學(xué)參數(shù)不變,以5 m為開挖步開采至180 m。

2.4.1 垂直應(yīng)力分布

不同分段高度下,開采130 m后采空區(qū)中部斷面垂直應(yīng)力分布云圖如圖8所示,不同段高H時(shí)下部不同深度D煤體垂直應(yīng)力曲線如圖9所示。由圖8可知,段高5 m和25 m情況下,段高越大煤層底板卸壓范圍也越大。結(jié)合圖9,段高5 m和25 m時(shí),工作面下部煤體相同深度處的垂直應(yīng)力分布變化不大,例如,兩種不同段高下,采空區(qū)中部卸壓穩(wěn)定區(qū)域(走向距離80～150 m)下部煤體深5 m處的垂直應(yīng)力僅相差0.052 MPa,下部煤體深15 m處的垂直應(yīng)力相差0.172 MPa,下部煤體深25 m處的垂直應(yīng)力相差0.12 MPa,說明急傾斜特厚煤層分段開采,段高對(duì)工作面下部煤體卸壓深度范圍影響較小。

圖8 不同段高時(shí)采空區(qū)中部斷面垂直應(yīng)力云圖Fig.8 Vertical stress cloud diagram of central section of goaf at different section heights

圖9 不同段高時(shí)下部不同深度煤體垂直應(yīng)力Fig.9 Vertical stress of coal body at different depths under different section heights

2.4.2 垂直位移分布

不同段高時(shí)下部煤體中部不同深度垂直位移分布曲線如圖10所示,當(dāng)段高分別為5 m和25 m時(shí),隨著深度的增加,下部煤體垂直位移均逐漸減小,但是下部煤體同一深度處的垂直位移分布變化不大,例如,兩種段高情況下,采空區(qū)中部卸壓穩(wěn)定區(qū)域(走向距離80～150 m)下部煤體深5 m處的垂直位移相差1.299 mm,下部煤體深15 m處的垂直位移僅相差1.081 mm,下部煤體深25 m處的垂直應(yīng)力相差1.308 mm,說明急傾斜特厚煤層分段開采,段高對(duì)工作面下部煤體垂直位移分布影響較小。

圖10 不同段高時(shí)下部不同深度煤體垂直位移Fig.10 Vertical displacement of coal body at different depths at different section heights

2.5 開采深度對(duì)下部煤巖體應(yīng)力及位移的影響

在模擬過程中采取在模型上部直接添加應(yīng)力模擬不同埋深,來分析開采深度對(duì)下部煤巖體的影響,在模型上部分別施加2.5、5.0 MPa應(yīng)力模擬埋深增加50、100 m,其他邊界條件及煤巖力學(xué)參數(shù)不變,以5 m為開挖步開采至180 m。

2.5.1 垂直應(yīng)力分布

埋深增加值Δh為50 m和100 m,工作面推進(jìn)100 m時(shí)采空區(qū)中部斷面的煤巖垂直應(yīng)力分布云圖如圖11所示,不同埋深S時(shí)下部不同深度煤體垂直應(yīng)力曲線如圖12所示。

圖11 不同埋深采空區(qū)中部斷面垂直應(yīng)力云圖Fig.11 Vertical stress cloud diagram of central section of goaf with different buried depth

圖12 不同埋深時(shí)下部不同深度煤體垂直應(yīng)力Fig.12 Vertical stress of coal body at different depths under different buried depths

由圖11可知,隨著煤層埋深增加,工作面下部煤巖體應(yīng)力集中區(qū)域增大。結(jié)合圖12可知,當(dāng)前埋深、埋深增加50 m,埋深增加100 m時(shí),采空區(qū)中部(70～130 m區(qū)域)深度5 m處的煤體垂直應(yīng)力分別為1.29、1.59、1.82 MPa;深度15 m處的煤體垂直應(yīng)力分別為4.32、5.38、6.41 MPa;深度25 m處的煤體垂直應(yīng)力分別為5.08、6.32、7.55 MPa。隨著埋深的增加,同一深度煤體的垂直應(yīng)力均出現(xiàn)明顯增加,表明開采深度對(duì)工作面下部煤體垂直應(yīng)力影響明顯,埋深越大,垂直應(yīng)力越大。

2.5.2 垂直位移分布

埋深增加值Δh為50 m和100 m時(shí),工作面推進(jìn)100 m時(shí)采空區(qū)中部斷面的煤巖垂直位移分布云圖如圖13所示,不同埋深時(shí)工作面下部不同深度煤體垂直位移曲線如圖14所示。

圖13 不同埋深采空區(qū)中部斷面垂直位移云圖Fig.13 Vertical displacement cloud diagram of central section of goaf with different buried depth

圖14 不同埋深時(shí)下部不同深度煤體垂直位移Fig.14 Vertical displacement of coal body at different depths under different buried depths

由圖13、圖14可知,采深相同時(shí),工作面下部煤體隨著深度的增加垂直位移逐漸減小。當(dāng)前埋深、埋深增加50 m,埋深增加100 m時(shí),采空區(qū)中部(70～130 m區(qū)域)深度5 m處的煤體垂直位移分別為48.02、62.34、77.38 mm;深度15 m處的煤體垂直位移分別為12.98、17.05、21.56 mm;深度25 m處的煤體垂直位移分別為2.44、3.15、4.00 mm,說明隨著埋深的增加,工作面下部煤體同一深度處的垂直位移均出現(xiàn)明顯增大,表明埋深對(duì)工作面下部煤體垂直位移影響明顯,埋深越大,工作面下部煤體同一深度處的垂直位移也越大。

3 結(jié)論

(1)上分段開采后,下分段不同深度煤巖體卸壓范圍均呈長軸沿煤層走向的橢圓狀,但卸壓范圍并不對(duì)稱,底板側(cè)和頂板側(cè)的煤巖體卸壓程度不同,靠近底板側(cè)卸壓程度更大。下分段煤體卸壓深度大小為底板側(cè)>工作面中部>頂板側(cè),下分段煤體靠近頂板側(cè)卸壓深度最小,受上分段采動(dòng)影響最小。

(2)煤層底板不同深度出現(xiàn)不對(duì)稱卸壓區(qū),靠近回采分段上端部的煤層底板處垂直應(yīng)力明顯集中,隨著深度增加,應(yīng)力集中程度降低,煤層底板的垂直位移逐漸減小,直接底發(fā)生的最大位移為23.7 mm,深度20 m處的底板最大位移為15.4 mm。

(3)急傾斜煤層分段開采,分段高度不同時(shí),下部煤體相同深度處垂直應(yīng)力、垂直位移變化不大,段高對(duì)下部煤體的卸壓深度范圍影響較小。開采深度不同時(shí),隨著埋深增加,工作面下部煤巖體應(yīng)力集中區(qū)域增大,下部同一深度煤體的垂直應(yīng)力、垂直位移均出現(xiàn)明顯增加,開采深度對(duì)工作面下部煤巖體的卸壓范圍影響明顯,埋深越大卸壓范圍也越大。