常村礦 “Z型”煤柱區(qū)沖擊危險(xiǎn)性數(shù)值模擬研究

馬曉東

(義馬煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，河南三門(mén)峽472300)

1 概況

常村煤礦位于河南省義馬市常村鎮(zhèn)境內(nèi)，井田面積13.63km2。其中21采區(qū)為常村煤礦的主力采區(qū)，該采區(qū)位于110大巷以下，東至23采區(qū)斷層帶，西到F3斷層。走向長(zhǎng)2141～3226m，傾斜長(zhǎng)1438m，可采面積3.9km2。該采區(qū)所采煤層為2－1煤和2－3煤，煤層沿1806鉆孔、1705鉆孔東50m、Ⅱ－2鉆孔東90m連線為界，以西煤層分叉為2－1煤和2－3煤，以東合并為一層統(tǒng)稱(chēng)為2－3煤。其中2－1煤平均厚度3.05m，2－3煤平均厚度5.63m。

常村煤礦目前生產(chǎn)區(qū)域集中于21采區(qū)及其延深區(qū)，隨采深不斷加大，沖擊礦壓顯現(xiàn)愈加強(qiáng)烈。2008年至今記錄的沖擊事故19次，累計(jì)破壞巷道上千米，造成大量設(shè)備損壞，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。特別是21132工作面，該面采深不足650m，但沖擊礦壓顯現(xiàn)卻特別嚴(yán)重。因此，有必要對(duì)21132工作面的沖擊作用機(jī)制進(jìn)行深入分析，為進(jìn)一步的開(kāi)采方案優(yōu)化設(shè)計(jì)和沖擊礦壓災(zāi)害防治提供理論依據(jù)［1］。

2 沖擊礦壓判別準(zhǔn)則

煤巖層在開(kāi)采過(guò)程中發(fā)生垮斷，從而形成動(dòng)載，若動(dòng)載與煤體的靜載疊加后達(dá)到了煤體的臨界沖擊載荷，可促使沖擊礦壓發(fā)生。發(fā)生沖擊礦壓的判別式如式 (1)所示［2］。式中σj為煤體的靜載;σd為頂板斷裂、礦震等在煤體中產(chǎn)生的動(dòng)載;［σ］b為煤體發(fā)生沖擊礦壓的臨界載荷。

由式 (1)可知煤體中的應(yīng)力分布對(duì)沖擊礦壓有直接影響，且靜載σj和動(dòng)載σd共同作用導(dǎo)致了沖擊礦壓的發(fā)生。動(dòng)載的產(chǎn)生機(jī)制較為復(fù)雜，而靜載與礦井的采深和開(kāi)采技術(shù)條件密切相關(guān)，不合理的生產(chǎn)布局將導(dǎo)致較高的靜載應(yīng)力集中程度，使沖擊危險(xiǎn)性上升。因此，本文將重點(diǎn)對(duì)21132工作面“Z型”煤柱區(qū)靜載荷采用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行分析研究。

3 21132工作面“Z型”煤柱區(qū)應(yīng)力分布規(guī)律

3.1 21132工作面開(kāi)采特殊性

對(duì)常村煤礦已發(fā)生的沖擊礦壓的統(tǒng)計(jì)分析表明，2110工作面較21132工作面采深淺約90m，極少發(fā)生沖擊礦壓;21132工作面較2118工作面采深淺約20m，沖擊發(fā)生頻次為2118工作面的7倍。以往研究證實(shí)采深越大沖擊危險(xiǎn)性越高［3］，可見(jiàn)，采深不是21132工作面沖擊礦壓的主要影響因素。

圖1所示為21132工作面采掘工程布置，圖中顯示，2113采用分層開(kāi)采，一分層21131已回采并形成采空區(qū)，21132下巷外錯(cuò)21131下巷25m布置，位于高應(yīng)力區(qū)，21132上巷位于一分層采空區(qū)下方，屬于卸壓區(qū);21采區(qū)下山附近布置一延伸工作面且回采完畢，這樣便形成了圖中所示的“Z型”煤柱，21132下巷受接近延伸工作面時(shí)由于工作面外錯(cuò)式布置以及延伸工作面?zhèn)认驂毫λ斐傻碾p重影響，應(yīng)力集中程度較高。

圖1 21132工作面采掘工程布置

21132工作面掘進(jìn)與回采期間發(fā)生多次沖擊礦壓，如圖2所示。可以看出，絕大多數(shù)沖擊礦壓發(fā)生在21132下巷;沖擊礦壓不僅發(fā)生在工作面超前支承壓力區(qū)范圍 (圖中區(qū)域1)，而且有8次沖擊發(fā)生在“Z型”煤柱區(qū) (圖中區(qū)域2)，沖擊位置比較異常。

圖2 21132工作面沖擊礦壓分布

根據(jù)地質(zhì)條件分析，“Z型”煤柱區(qū)無(wú)明顯的巖性變化、煤層突變及斷層等構(gòu)造，基本排除地質(zhì)異常因素的影響［4－5］，因此，該區(qū)域的沖擊與采掘工程布置形成的“Z型”煤柱有關(guān)，“Z型”煤柱的存在導(dǎo)致該區(qū)域的應(yīng)力呈現(xiàn)不利于沖擊礦壓災(zāi)害防治的分布形態(tài)。了解該區(qū)域的應(yīng)力分布特點(diǎn)對(duì)沖擊礦壓防治具有指導(dǎo)性意義，因此，文章采用數(shù)值模擬方法對(duì)“Z型”煤柱的應(yīng)力分布做分析研究。

3.2 “Z型”煤柱區(qū)數(shù)值模型建立

數(shù)值模擬采用FLAC3D軟件對(duì)“Z型”煤柱區(qū)的應(yīng)力分布特點(diǎn)做主要研究。

為使建立的模型能夠較為全面、真實(shí)地反映“Z型”煤柱的應(yīng)力分布情況，數(shù)值計(jì)算模型以常村煤礦的實(shí)際地質(zhì)條件及煤柱區(qū)域工作面開(kāi)采順序?yàn)橐罁?jù)，模型尺寸為z方向高度取86m、x方向取480m、y方向取300m。建立的模型如圖3所示。

圖3 “Z型”煤柱三維數(shù)值模型

模型中各煤巖層采取的力學(xué)參數(shù)參考21132工作面煤巖體的物理力學(xué)參數(shù)，具體見(jiàn)表1。

表1 FLAC3D數(shù)值模型各煤巖層力學(xué)參數(shù)

3.3 開(kāi)采形成“Z型”煤柱及其應(yīng)力分布

該模型的開(kāi)采分為3個(gè)步驟:開(kāi)采延伸工作面;開(kāi)采21131工作面;開(kāi)采21132工作面。對(duì)模擬區(qū)域進(jìn)行3步開(kāi)采，可以更好地了解不同開(kāi)采狀態(tài)下的應(yīng)力分布情況。根據(jù)模型高度，在切面z=34 m時(shí)為21131底板，這里主要對(duì)該切面在不同開(kāi)采狀態(tài)下的應(yīng)力分布狀態(tài)進(jìn)行分析。

圖4為延伸工作面開(kāi)采后，z=34m切面上3個(gè)應(yīng)力參量的分布云圖，圖中Sxx，Syy，Szz分別表示水平x方向應(yīng)力、水平y(tǒng)方向應(yīng)力和垂直z方向應(yīng)力。應(yīng)力云圖顯示除了延伸工作面周?chē)Ｐ推渌牡胤交旧线€是處于原巖應(yīng)力狀態(tài)。

圖4 延伸工作面開(kāi)采后應(yīng)力分布

圖5為21131工作面開(kāi)采后，z=34m切片上3個(gè)應(yīng)力參量的分布云圖。這時(shí)，3個(gè)圖都顯示了“Z型”高應(yīng)力區(qū)域的分布位置。常村煤礦21132工作面下巷外錯(cuò)上分層下巷25m布置，下巷接近“Z型”煤柱區(qū)域時(shí)將受到上分層實(shí)煤體和延伸工作面?zhèn)认蛑С袎毫ΟB加影響，應(yīng)力集中程度顯著增加。下巷在掘進(jìn)期間沖擊顯現(xiàn)較為明顯;表明深井分層開(kāi)采，下分層最好采用內(nèi)錯(cuò)式布置。

圖5 21131工作面開(kāi)采后應(yīng)力分布

圖6為21132工作面開(kāi)采后，z=34m切片上3個(gè)應(yīng)力參量的分布云圖。其應(yīng)力分布形狀基本上和21131開(kāi)采后的分布形狀相似，但是Szz方向應(yīng)力在停采線位置增加較大。

圖6 21132工作面開(kāi)采后應(yīng)力分布

3.4 “Z型”煤柱區(qū)域的應(yīng)力變化規(guī)律

為了詳細(xì)分析“Z型”煤柱區(qū)域應(yīng)力的分布規(guī)律，可以取一個(gè)有代表性的剖面做為研究對(duì)象。由于沖擊礦壓發(fā)生的位置主要集中在停采線附近的區(qū)域，在此對(duì)停采線附近應(yīng)力分布進(jìn)行研究。

如圖7所示，在垂直于21132工作面推進(jìn)方向距停采線5～55m范圍每隔10m布置一監(jiān)測(cè)線，主要監(jiān)測(cè)水平x方向應(yīng)力Sxx和垂直z方向應(yīng)力Szz。由圖5、圖6模型開(kāi)采后應(yīng)力分布可知21131工作面開(kāi)采后的應(yīng)力分布和21132工作面開(kāi)采后的分布是相似的，因此只研究21132工作面開(kāi)采后的應(yīng)力分布情況［6］。

圖7 監(jiān)測(cè)線布置

圖8為距停采線不同距離監(jiān)測(cè)線上水平x方向應(yīng)力分布規(guī)律，可看出，最大水平應(yīng)力位于y=68m和y=260m，290m位置附近，對(duì)應(yīng)21132下巷以下12m(21132下巷下區(qū)段煤柱中)和21131上巷附近煤柱;隨著監(jiān)測(cè)線靠近停采線(“Z”型煤柱區(qū)域)，監(jiān)測(cè)線上y=68m位置水平應(yīng)力呈增大趨勢(shì)，水平應(yīng)力從L=55m處的19.5MPa增加到L=5m處的22MPa，而監(jiān)測(cè)線上y=260m，290m位置水平應(yīng)力呈下降趨勢(shì)，水平應(yīng)力從L=55m處的22MPa分別下降到L=5m處的12MPa和16MPa。

分析上述應(yīng)力分布規(guī)律認(rèn)為，21132下巷應(yīng)力高受一分層外錯(cuò)煤柱的影響，21132下巷外錯(cuò)21131下巷25m布置，正好處于外錯(cuò)煤柱支承壓力峰值影響范圍內(nèi);隨距離停采線距離的減小，21132下巷水平應(yīng)力逐漸增大受“Z”型煤柱影響，即隨距離減小，延伸工作面?zhèn)认蛑С袎毫χ饾u影響21132下巷。可見(jiàn)，21132下巷的沖擊危險(xiǎn)性較高，且隨著工作面接近停采線，受“Z”型煤柱影響，沖擊危險(xiǎn)性逐漸增高。圖2中沖擊礦壓分布規(guī)律與應(yīng)力分布規(guī)律具有較好的一致性。

圖9所示為距停采線不同距離監(jiān)測(cè)線上垂直z方向應(yīng)力分布規(guī)律。

圖8 距停采線不同距離監(jiān)測(cè)線上水平應(yīng)力S xx演變規(guī)律

圖9 距停采線不同距離監(jiān)測(cè)線上垂直應(yīng)力S zz演變規(guī)律

隨著離停采線距離的增加，垂直應(yīng)力的分布特征基本上是穩(wěn)定一致的。21132工作面未開(kāi)采時(shí)，y=68m處的垂直應(yīng)力值為15MPa，與之相比，開(kāi)采后的垂直應(yīng)力值升高2.5倍。可見(jiàn)，當(dāng)21132工作面回采到停采線位置時(shí)，周?chē)簬r體將會(huì)承受較大的垂直應(yīng)力。

4 結(jié)論

沖擊礦壓的發(fā)生必須滿足一定的應(yīng)力條件，留設(shè)大煤柱容易聚集大量的彈性能，且煤柱的存在使煤柱中及煤柱周邊產(chǎn)生高應(yīng)力集中，常導(dǎo)致沖擊礦壓的發(fā)生。通過(guò)分析21132工作面掘進(jìn)與回采期間沖擊礦壓分布規(guī)律以及模擬研究“Z”型煤柱區(qū)應(yīng)力分布規(guī)律，得到以下結(jié)論:

(1)21132工作面沖擊礦壓大多分布在21132下巷超前支承壓力影響區(qū)和“Z”型煤柱區(qū)，上巷極少發(fā)生沖擊，表明該工作面的沖擊與回采巷道布置引起的上巷應(yīng)力集中程度低、下巷應(yīng)力集中程度高有關(guān)，“Z”型煤柱區(qū)沖擊頻發(fā)還與延伸工作面?zhèn)认蛑С袎毫τ嘘P(guān)。

(2)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，延伸工作面與2113工作面開(kāi)采后，在2個(gè)工作面采空區(qū)周?chē)簬r體中形成了高應(yīng)力區(qū)域，應(yīng)力區(qū)域的分布形態(tài)呈“Z”型;最大應(yīng)力位于y=68m和y=260m，290m位置附近，對(duì)應(yīng)21132下巷以下12m和21131上巷附近煤柱;隨著監(jiān)測(cè)線靠近“Z”型煤柱區(qū)，監(jiān)測(cè)線上y=68m位置水平應(yīng)力逐漸增大，從19.5MPa增加到22MPa;21132工作面開(kāi)采后的垂直應(yīng)力最大值較原巖狀態(tài)升高2.5倍。

(3)隨工作面回采接近“Z”型煤柱區(qū)，下巷受外錯(cuò)煤柱產(chǎn)生的高應(yīng)力和延伸工作面?zhèn)认蛑С袎毫ΟB加影響，發(fā)生沖擊礦壓的危險(xiǎn)性將增高。

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