預裂弱化對關鍵層板破壞特征影響的模擬研究?

季英明 王曉振 韓紅凱 高 震

(中國礦業大學礦業工程學院,江蘇省徐州市,221116)

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預裂弱化對關鍵層板破壞特征影響的模擬研究?

季英明 王曉振 韓紅凱 高 震

(中國礦業大學礦業工程學院,江蘇省徐州市,221116)

采用三維數值模擬軟件FLAC3D,并結合祁東煤礦8222工作面具體開采條件,就預裂爆破對覆巖關鍵層板破壞特征的影響進行了模擬研究.結果表明,通過對關鍵層進行預裂弱化,改變了常規情況下頂板O-X型初次破斷特征.頂板將先從開采空間中部弱化位置處產生裂縫,然后在兩側長邊處開裂,最終在工作面兩端形成一定的三角區,關鍵層的極限破斷步距較常規情況下也明顯減小.預裂弱化通過改變頂板的破壞特征,減小頂板的初次破斷步距,進而避免厚硬頂板大面積破斷引發壓架等災害.

工作面頂板 液壓支架壓架 關鍵層 頂板預裂弱化 O-X破斷

為解決煤礦生產過程中,堅硬頂板不易冒落、采空區懸頂面積過大造成突然破斷引發颶風、壓架等問題,常采用頂板水壓致裂、預裂爆破等方式對易致災的堅硬頂板進行弱化,以降低巖層力學強度,減弱工作面堅硬難冒落頂板的整體性,達到減小來壓步距和來壓強度的目的.目前,頂板弱化技術在防止工作面壓架事故、工作面初采放頂、煤層防突、采空區堅硬頂板處理、提高綜放面頂煤采出率等方面均有應用.在頂板弱化技術的作用機理方面,目前的研究多表明弱化作用使頂板斷裂及垮落的形態發生了改變,在效果評價方面也多從頂板弱化前后支架工作阻力的改變及工作面初次、周期來壓步距等側面進行說明.但對于弱化后頂板具體的破壞特征及垮落形態則研究的相對較少,也缺乏一種直觀、有效的頂板弱化作用效果檢驗手段.本文根據祁東煤礦8222工作面的基本條件,利用三維數值模擬軟件FLAC3D對頂板弱化條件下關鍵層的破壞特征進行模擬,通過對比分析弱化與非弱化情況下關鍵層平面應力分布規律,揭示頂板弱化條件下關鍵層的破壞特征,為確定頂板弱化方案提供理論依據和實踐參考.

1 工作面基本開采條件

祁東煤礦井田內煤系地層普遍為第四系巨厚松散含水層覆蓋,其底部含發育厚達50 m左右的礫石層,靜水水壓高達3～5 MPa.在鄰近該松散承壓含水層開采時,該礦曾發生多起壓架突水事故,造成了重大的經濟損失.在高水壓松散含水層的載荷傳遞作用下,覆巖關鍵層產生整體復合破斷,是導致壓架突水事故發生的主要原因.研究認為,通過對距離煤層10倍采高以內的堅硬巖層進行預裂弱化,使其巖性特征發生改變,不再成為覆巖中的主關鍵層,而其上的硬巖層成為人工預裂弱化之后覆巖中的主關鍵層,當其與煤層間距大于10倍采高時,則破壞了關鍵層整體復合破斷的發生條件,從而避免了壓架突水災害的發生.

祁東煤礦二采區8222工作面是鄰近該承壓含水層開采的大采寬工作面.初采期工作面寬度(含兩巷)約為235 m,煤厚平均2.6 m,平均傾角11°,風巷基巖厚度約74 m,機巷基巖厚度約130 m.工作面基巖頂部承壓含水層厚38～51 m,平均厚度45 m,水壓3.8～4.6 MPa,受此承壓含水層的威脅,工作面有發生壓架突水事故的危險.

祁東煤礦8222工作面切眼附近風巷巖層巖性見表1.

表1 8222工作面風巷巖層巖性

關鍵層判別結果表明,覆巖主關鍵層距離煤層間距為16.6 m,小于10倍采高,該關鍵層破斷后容易引發壓架突水事故,需要對該7.64 m厚的細砂巖層實施預裂弱化,減小其破斷距,降低壓架突水風險.

祁東煤礦8222工作面采用平行垂向深孔預裂爆破方式對頂板進行弱化,主體上是垂向形成爆破弱面控制頂板破斷步距.相對于一塊完整的頂板來說,預裂弱化作用事實上是在頂板中形成一定間距的弱面,而在這些弱面的邊緣,即工作面風巷、機巷上方,在爆破鉆孔封泥段的保護作用下,形成類似于梳子把柄的完整巖層,其在頂板破斷之前仍然具有一定的承載作用.而在工作面中部未進行弱化的區域,也同樣存在著尚未受到預裂影響的實體區.在頂板初次破斷前,上述頂板預裂爆破弱面則以雙梳狀形式分布,如圖1所示.

圖1 頂板預裂爆破的雙梳狀弱面分布

2 傳統的頂板O-X型破壞特征

煤層開采后,頂板破斷前一般可以簡化成矩形薄板,而在不同的周邊煤層采動條件下,又可將其頂板簡化為不同支承邊界條件的板.采場頂板破斷前可將其看作四邊固支的矩形薄板,此種條件下,矩形頂板長邊中點處因彎矩的絕對值首先達到最大而發生破斷,見圖2(a);長邊破斷以后,其固支長邊將變為簡支邊,因而頂板的支承邊界條件變為兩邊固支兩邊簡支,這種情況下,短邊中點處將發生破斷,見圖2(b);隨著工作面的向前推進,四周裂縫貫通近似成為平面豎O型破斷,矩形頂板的4條固支邊全部破壞為簡支邊,在四邊簡支的情況下,矩形頂板將在板的中心位置形成裂縫,工作面繼續向前推進,裂縫不斷向兩端擴展,并最終在短邊近端產生分叉,形成近似的平面豎X型破斷,見圖2(c).因此,常規情況下頂板表現為豎OX型破斷形式.祁東煤礦8222工作面頂板預裂弱化后,頂板存在橫向的未貫穿的爆破弱面,其破斷時是否會與傳統頂板O-X破斷形式存在明顯的差異,是需要研究的問題.

圖2 頂板豎O-X型破斷形式圖

3 預裂弱化條件下關鍵層破壞特征的數值模擬

3.1 數值模型的建立

為研究8222工作面頂板弱化條件下關鍵層的破斷特征,采用三維數值模擬軟件FLAC3D分別對頂板弱化條件與非弱化條件下關鍵層的破壞過程進行模擬.兩模型尺寸均設為440 m×440 m× 39.5 m(X×Y×Z).模型上表面均勻施加6 MPa的垂直壓應力,并將模型4個側面及下表面的位移固定.模型在豎直方向上共分為9層,各層巖性及物理力學參數見表1.模型尺寸示意圖見圖3(a).

表1 模型中各巖層物理力學參數

為避免邊界效應的影響,模型兩側及前后與模型邊界之間留100 m的煤柱.對兩模型中的82＃煤層進行開挖,工作面長度為240 m,每次開挖10 m,沿推進方向共開挖15步.

在頂板預裂弱化條件下的模型中通過設置接觸面單元模擬預裂弱化后在關鍵層中形成的弱面結構.在距離82＃煤層上方17 m處的8 m厚的細砂巖層中設置2組接觸面,每組11個接觸面,見圖3(a)中的主關鍵層,分別模擬實際中從工作面機巷、風巷同時施工頂板預裂鉆孔進行關鍵層弱化的工作.

接觸面的法向剛度7.76 GPa/m,切向剛度7.76 GPa/m,粘聚力0 MPa,內摩擦角0°,抗拉強度0 MPa.根據8222工作面的巖石力學性質、砂巖厚度、頂板來壓規律等,確定深孔預裂爆破循環步距為20 m.在Y軸方向坐標值為y＝120 m與y＝320 m之間每隔20 m布置一對接觸面.接觸面的長度為80 m,對應在X軸的范圍是-120 m＜x＜-40 m與40 m＜x＜120 m.接觸面高度為8 m,對應在Z軸的范圍是0＜z＜8.接觸面最終效果如圖3(b)所示.

圖3 煤層數值模型圖

3.2 頂板初次破斷過程的應力演化特征

由相關文獻可知,煤層頂板應力場的時空演化規律可印證頂板初次破斷特征.本文采用同樣的判別方法,以頂板應力場的演變過程,并結合相應的頂板破斷塑性區發展趨勢對模擬結果進行分析.頂板預裂弱化與非預裂弱化條件下煤層上方關鍵層的平面應力,隨工作面推進過程的應力分布特征及頂板塑性區分布如圖4和圖5所示.

圖4 工作面推進過程中不同條件下的應力分布云圖

預裂弱化條件下,頂板在預裂弱化作用形成的弱面處出現明顯的應力集中.當工作面累計推進至30 m時,見圖4(a),由y＝105 m推進至y＝135 m,頂板在第一組弱面處y＝120 m出現明顯的卸壓現象,即頂板的中部發生破壞.由此可得,預裂弱化條件下頂板最先在中部發生破壞;當工作面累計推進50 m時,見圖4(c),頂板長邊(模型中工作面從下往上推進,與推進方向垂直的為長邊)中部出現應力集中;當工作面累計推進60 m時,見圖4(e),短邊中部出現應力集中.

綜上可知,預裂弱化條件下,頂板應力集中出現的部位依次由預裂弱化處(頂板中部)到頂板長邊再到頂板短邊,結合頂板破斷塑性區分布圖,見圖5(a)可以看出,當工作面推進60 m時,頂板中部、長邊及短邊處均已出現拉伸剪切破壞,即頂板發生初次破斷.

非預裂弱化條件下,當工作面累計推進至30 m時,見圖4(b),頂板應力無明顯變化;當工作面累計推進至50 m時,見圖4(d),頂板長邊中部首先出現應力集中;當工作面累計推進至60 m時,見圖4(f),長邊應力集中區域向兩端發展;當工作面累計推進至80 m時,見圖4(h),頂板短邊中部應力集中顯現;當工作面累計推進90 m時,見圖4(j),頂板中部出現明顯的卸壓區.該條件下,頂板的應力集中區是由頂板長邊到頂板短邊再到頂板中部不斷轉移發展.結合頂板破斷塑性區分布圖,見圖5(d)可以看出,此時頂板發生初次破斷.而預裂弱化條件下,結合頂板應力集中情況(圖4(g)與4(i))及塑性區分布情況(圖5(c))在工作面推進至90 m時頂板已產生周期破斷.

3.3 預裂弱化對關鍵層破壞特征的影響

由數值模擬的結果可以看出,對關鍵層實施預裂弱化后,頂板初次破斷特征發生了改變.預裂弱化情況下,頂板應力集中出現的部位依次由預裂弱化處(中部)到頂板長邊再到頂板短邊,頂板將先從中部弱化的位置產生裂縫,而后在板的前后邊界產生裂縫,最終在兩端形成一定的三角區.而非預裂弱化條件下,頂板的應力集中區則是由頂板長邊到頂板短邊再到頂板中部不斷轉移發展,符合OX型破斷.頂板初次破斷特征的改變,使得工作面在推進較小距離的情況下關鍵層即發生破斷,預裂弱化條件頂板的極限破斷步距(60 m)與非預裂弱化條件(90 m)相比明顯減小,達到了預裂弱化控制來壓步距的目的.綜上所述,預裂弱化的確可以改變頂板破斷特征,減小頂板的破斷步距.實際工況中,8222工作面頂板預裂弱化后,工作面來壓緩和,未發生壓架事故.

圖5 工作面推進過程中不同條件下頂板塑性區分布

4 結論

(1)模擬結果表明,預裂弱化與非預裂弱化條件下關鍵層的初次破斷特征存在較大差異.非預裂弱化條件下,頂板破壞呈現O-X型破斷特征,而預裂弱化條件下,頂板將先從中部弱化的位置產生裂縫,而后在板的前后邊界產生裂縫,最終在兩端形成一定的三角區,與O-X型破斷特征不同.

(2)對關鍵層實施預裂弱化后,它的整體強度得到了弱化,與非預裂弱化條件相比,其破斷形式的改變,使得關鍵層的極限破斷步距減小,可避免頂板大面積懸露突然破斷引發的壓架事故.

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Simulation study on effect of pre-split weakening on key strata failure characteristics

Ji Yingming,Wang Xiaozhen,Han Hongkai,Gao Zhen
(School of Mines,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China)

According to the specific mining conditions of No.8222 working face of Qidong Coal Mine,a simulation study on the effect of pre-split blasting on key strata failure features was conducted by using 3D numerical simulation software FLAC3D.The results showed that,by presplit weakening the key strata,the characteristics of the O-X type first breaking under normal circumstance were changed.The main roof cracked in the central weakening position of the mining space at first and then on both sides of the long side of roof,finally,there would form a certain triangle zone at both ends of the working face.Meanwhile,the ultimate breaking distance of the key strata reduced significantly compared with the general condition.The pre-split weakening could avoid disaster of support crushing caused by a large area of breading in thick and hard roof by changing the failure characteristics of key strata and decreasing the roof＇s first breaking distance.

roof of working face,hydraulic support crushing,key strata,roof pre-split weakening,O-X type breaking

TD323

A

季英明(1991-),男,河南永城市人,碩士研究生,主要研究方向為巖層移動與綠色開采。

(責任編輯 張毅玲)

國家自然科學基金資助項目(51404246),江蘇省自然科學基金資助項目(BK20140205),中國礦業大學優秀創新團隊資助項目(2014ZY004)