大傾角大采高工作面采場運動規律研究

呂兆海,李立波

(1.神華寧夏煤業集團清水營煤礦, 寧廈銀川 750001;2.西安科技大學能源學院, 陜西西安710054;3.教育部西部礦山開采及災害控制重點實驗室, 陜西西安 710054)

大傾角大采高工作面采場運動規律研究

呂兆海1,李立波2,3

(1.神華寧夏煤業集團清水營煤礦, 寧廈銀川 750001;2.西安科技大學能源學院, 陜西西安710054;3.教育部西部礦山開采及災害控制重點實驗室, 陜西西安 710054)

大采高開采是我國中、厚煤層開采工藝發展的主要方向。以復雜埋藏條件下的清水營煤礦大采高工作面為工程背景,利用FLAC3D進行工作面開采過程圍巖運移規律模擬,分析了垂直應力、頂板下沉和塑性破壞演化特征,模擬分析結果與工程現場頂板下沉量、應力監測相符,因此,模擬結果可以作為現場參量變化的參照,對工作面采場管理具有一定的參考意義。

大采高工作面;采場管理;數值模擬;塑性破壞

大采高開采是我國中、厚煤層開采工藝發展的主要方向[1]。采高大于3.5m的工作面與采高小于3.5m的綜采工作面相比,老頂來壓強度提高了約5.2%,周期來壓步距增大了約4.6%[2,3]。采高的增加,勢必加大巷道的高度和寬度,加之工作面開采過程中劇烈的來壓影響,對不穩定、易冒落頂板的工作面,頂板管理難度加大。隨著大采高開采工藝的發展,各方面的理論研究都有了長足進步[4,5],對寧東礦區開采特征也有相應的研究[6,7]。

以復雜埋藏條件下清水營煤礦為例,通過FLAC3D數值模擬,結合現場開采實踐,研究了大采高工作面開采過程中應力、位移、塑性區演化特征,為開采設計提供參考依據。

1 工程地質概況

清水營煤礦是神華寧夏煤業集團的重點建設煤礦之一,礦井設計生產能力10.0Mt/a,主采煤層為二煤,煤層傾角20°～27°,平均23°,開采深度138～338m。

110202工作面是清水營煤礦首個大采高工作面,工作面走向長1200m,斜長290m,工作面煤層平均厚度5.12m,設計采高4.2m。110202工作面所采2#煤層為“三軟”煤層,頂板為泥質砂巖含水層,巖石松軟易風化,在工作面推進過程中,頂板易碎,裂隙加大,屬易冒落頂板,該巖層滲透性強,導水性好,是富水性強的主要含水層。底板為泥質砂巖,遇水易膨脹,且工作面支架自重較大,容易出現支架鉆底、歪架、倒架等現象。

2 FLAC3D數值模型的建立

2.1 力學模型

FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)由美國Itasca公司開發的三維有限差分程序,能較好地模擬煤巖介質在達到強度極限或屈服極限時發生的破壞或塑性流動的力學行為,進行三維結構受力特性模擬和塑性流動分析。根據清水營煤礦地質資料和巖石力學實驗結果,得出煤層及主要巖層力學參數,見表1。

表1 煤巖力學參數

2.2 數值模型

計算力學模型見圖1,模型尺寸寬×厚×高為400m×150m×250m,工作面沿y軸正方向(走向)推進,采用Mohr - Coulomb plasticity model本構模型。模型底部限制垂直移動,上部施加上部巖層等效載荷,模型前后和側面限制水平移動,整個模型由31500個單元組成,包括34768個節點。三維數值計算模型見圖2。為減少模擬過程中的邊界影響,模型左右兩端開挖時各留設50m保護煤柱。

3 模擬結果分析

3.1 垂直應力-位移演化特征

工作面推進過程中,頂板(煤)巖體在開采擾動和自重的共同影響下發生周期性斷裂、下沉,引起上覆巖層的重新排列,大大降低其承載能力,頂板垂直應力與下沉的分析研究對工作面采場管理有重要的意義。

圖1 計算力學模型

圖2 三維數值模計算模型

圖3體現了工作面開采過程中,頂板垂直應力δzz的演化特征,由圖可知,工作面頂部主要承受壓應力,小部分區域也承受拉應力,隨工作面推進,對上部巖層的影響明顯增強,呈不規則對稱的馬鞍形向上方逐漸擴展,工作面推進30m時影響范圍已達到粗砂頂的1/4處,即老頂5m左右范圍。

圖4為工作面推進5,10,20,30m時的位移矢量變化。工作面頂板下沉方向以豎向為主,部分區域與工作面頂板垂直;開采初期,圍巖受擾動影響較小,頂板下沉量不大,僅在5cm左右,主要集中在工作面中下部,當工作面推進距離繼續加大時,最大下沉量達到13.0cm,位于工作面中部,沿傾向基本呈對稱分布,在上、下端頭下沉量相對最小,但也基本維持在6～8cm左右,頂板下沉變化趨勢見圖5。

開挖結束后沿工作面傾向(即模型沿x方向50～350m處)每隔10m取點,提取各點應力、位移數據,得到圖5所示的曲線。由圖5(a)可以看出,隨工作面推進距離加大,頂板承受應力隨之增加;整個工作面傾向120～150m處承受的應力逐漸達到峰值,180m處應力趨于平衡;工作面推進5,10,20,30 m時的最大值分別為7.00,8.68,10.93,15.31 MPa,在工作面下端頭有應力集中現象出現,集中應力基本維持在5.00,8.00,8.50,14.00MPa,因此開采過程中應加強工作面120～180m處及下端頭的支護。從圖5(b)可以看出,當工作面推進達到25 m時,頂板下沉量劇增,由10m的0.5cm增大到70 m的7.5cm以上;工作面傾向120m左右達到最大下沉量,分別為8.8,11.9和13.0cm;下沉量相對較大的階段在工作面傾向80～150m范圍內;工作面230m處下沉量處于底谷后反彈,并在250m左右范圍再次出現峰值,受開采擾動較小,但由于下端頭存在較大的集中應力,且機運巷的存在,使該區段受到較大的影響。

3.2 塑性破壞演化特征

煤巖體結構內部結構必然受工作面推進的擾動影響,使其整體性能發生破壞,從而弱化了圍巖的承載能力,當煤巖出現塑性變形時,其承載能力將大大削弱,導致頂板出現冒(垮)落。

圖3 工作面垂直應力δzz演化

工作面推進過程中的塑性演化特征如圖6所示,上覆巖層塑性區演化與垂直應力變化協調發展,工作面下端頭先于上端頭發生塑性破壞;在工作面5～30m的開采過程中,工作面上部圍巖主要以拉破壞為主;推進5m時,開采擾動對頂板的影響相對較小,因而塑性變形也相應較小,而當工作面推進超過10m時,頂部圍巖受開采影響較大,已出現大面積的塑性變形區域,且貫穿整個工作面上方,此時塑性變形主要集中在整個直接頂以及老頂下部,當工作面推進30m時,工作面上部破壞范圍已延伸至老頂中部,整體呈非對稱的馬鞍形分布。

4 現場監測對比分析

在工作面布置多點位移計,連續觀測開采過程中頂板下沉情況,同時利用單體支柱觀測切眼所受應力狀況,如圖7所示。

圖4 工作面位移演化

圖5 模型垂直應力-位移變化曲線

圖6 工作面塑性演化

圖7 現場垂直應力、頂板下沉量監測

切眼開挖后,每隔3d觀測一次工作面頂板的應力和下沉量變化情況。由圖7看出,隨著時間推移,工作面應力、下沉量急劇增大;1#、2#和3#單體支柱的最大值分別達到9.9,12.3,13MPa,平均值分別為9.38,4.49,6.54MPa。頂板下沉量分別達到最大值137,145,160mm,頂板鋼梁被壓彎,架設的木垛也被壓壞。

模擬結果基本與現場實際情況相吻合,所反映出的規律與現場開采過程中的規律一致,可以作為清水營煤礦大采高開采工作面運移規律的研究依據。

5 結 論

以清水營煤礦大采高工作面為例,通過FLAC3D數值模擬,結合現場監測,對工作面推進過程中頂板的運移規律進行了研究,得出以下結論:

(1)開采對頂板影響以壓應力為主,以工作面傾斜方向的中線為軸,應力分布呈現非對稱馬鞍形態,推進距離增加,垂直應力δzz、頂板下沉量以及塑性破壞區域相應增加;

(2)工作面高應力區域集中于傾斜方向120～180m處,最大壓應力達到14MPa,應加強此區段的支護,工作面上、下端頭有應力集中現象,因此工作面推進過程中應加強對兩個端頭的支護強度,特別是加強機巷的支護;

(3)工作面傾向下沉量較大區域在80～150m范圍內,最大值維持在13～16cm之間,工作面傾向230～250m范圍內下沉量有跳躍現象,頂板可能發生垮落,開采擾動對頂板影響達到老頂5m范圍內,即工作面上方7.5～9.8m處,因此在頂板支護時,錨索長度至少為8m,在破壞嚴重的區域可適當加長。

[1]何富連,錢鳴高.大采高液壓支架傾倒特征與控制條件[J].中國礦業大學報,1997,26(4):20～26.

[2]吳 健,張 勇.綜放采場支架-圍巖關系新概念[J].煤炭學報,2001,26(4):350～355.

[3]王金華.我國大采高綜采技術與裝備的現狀及發展趨勢[J].煤炭科學技術,2006,34(1):4～7.

[4]劉衛忠,孫立亞.大采高大傾角高檔普采面平面應力狀態的物理模擬[J].煤礦開采,2001,(1):57～58.

[5]武建國.大采高綜采工作面與巷道圍巖控制技術研究[D].太原:太原理工大學,2004.

[6]來興平,周光華,張建華,等.基于現場監測的破碎圍巖介質垮落失穩及綜合分析[J].煤炭學報,2008,33(3):246～250.

[7]張子飛,李立波,來興平.復雜破碎圍巖狀態下大斷面巷道穩定性綜合分析[J].西安科技大學學報,2008,28(4):629～633.

2009-12-22)

呂兆海(1980-),男,寧夏寧東人,碩士,工程師,主要從事采礦工程和采空區衍生災害預報研究,Email:lvzhaohai1001@yahoo.cn。