煤層傾角對巷道開挖瓦斯突出的影響

張鵬鵬

煤炭工業(yè)太原設計研究院集團有限公司, 山西 太原 030000)

煤與瓦斯突出是一種極其復雜的煤巖動力災害,其發(fā)生機理一直是突出災害研究中最主要、最根本的內容之一,也是突出災害防治的前提和理論基礎,許多專家對此進行了大量研究[1-4],研究成果有效指導了煤與瓦斯突出的預防,但是關于煤層傾角對瓦斯突出影響的研究很少。為了解決這些問題,有必要探討煤層傾角對瓦斯突出的影響。FLAC3D作為功能強大的數(shù)值模擬軟件,可以定量評估煤層傾角對瓦斯突出的影響。

1 模型建立

利用FLAC3D模擬軟件建立0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°共7種不同傾角下煤層掘進的模擬模型,模型大小為80 m×80 m×80 m. 平頂山高莊煤礦5203運輸巷道煤層的力學參數(shù)見表1.

模型的上下層均為巖石層,分別為煤層的頂板和底板,中間層是厚度為4.2 m的煤層。5203運輸巷道寬5 m,中心高度為3.2 m,位于煤層的中間。模型的側面和底部均為位移邊界。在模型頂部施加20 MPa的荷載。沿垂直于巷道的方向布置61個測量點,相鄰測量點之間的距離為1 m. 測點可以實時記錄應力和位移的變化。傾角為30°的數(shù)值模型見圖1.

表1 煤和巖石的力學參數(shù)表

圖1 傾角為30°的數(shù)值模型圖

2 煤層傾角對工作面突出的影響

2.1 工作面應力分析

工作面最大主應力云圖見圖2. 從圖2可以看出,在工作面兩側的煤層中存在應力集中區(qū)域。周圍煤和巖石由于受到開采的影響,工作面部分的應力很小,這會導致其松動并且不易于發(fā)生應力集中。

圖3為兩個測量點(A和B)的最大主應力曲線,兩個測量點分別距巷道壁6 m和8 m. 選擇距巷道壁6 m和8 m的位置是因為煤層中的應力集中區(qū)域距巷道壁5～10 m. 從圖3可以看出,在煤巷的開挖過程中,測量點處的應力首先逐漸增大,然后在某個點處急劇減小。這是因為當煤巷在測量點附近開挖的過程中,打破了該點周圍的應力平衡。通過不同煤層傾角條件下應力曲線的比較表明,煤層傾角越大,測量點的應力開始下降的時間越晚,最大應力越大。這也證明了煤層的傾角越大,突出危險越大的結論。

圖2 工作面最大主應力云圖

圖3 測量點的應力曲線圖

2.2 工作面位移分析

巷道開挖打破了煤層中原始應力平衡狀態(tài),從而引起煤層發(fā)生一定程度的位移。如果煤層的位移太大,則突出的危險會很大,因此分析掘進頭周圍的位移也是判斷突出危險的有效方法[5-6].

不同煤層傾角下巷道位移云圖見圖4. 由圖4可知,巷道周圍的大位移區(qū)域主要集中在巷道底板和巷道壁附近的煤層中,而巖層的位移非常小。隨著煤層傾角的增大,巷道周圍大位移總面積逐漸增大,巷道上側和底板附近的大位移面積也隨之增加。相反,巷道下側附近的大位移區(qū)域逐漸減小。

大位移區(qū)域的范圍可以反映出突出的位置,而最大位移可以反映出突出的可能性。通過觀察不同煤層傾角下的位移云圖并比較其最大位移,可以發(fā)現(xiàn)最大位移隨煤層傾角的增加而增加,但位移增量不明顯。當煤層傾角為0°時,最大位移值約為15.08 cm,當煤層傾角增加至30°時,最大位移值約為15.25 cm,增加了1.1%,煤層傾角的變化對巷道最大位移的影響并不明顯。

圖5是巷道上側附近7組測量點的位移曲線。由圖5可看出,煤層的位移隨著距巷道內表面距離增加而逐漸減小,并趨于穩(wěn)定。這是因為巷道開挖主要影響巷道周圍的煤層,因此巷道壁附近煤層的位移總是大于其他區(qū)域。隨著距巷道距離的逐漸增加,巷道開挖的影響減小,位移趨于穩(wěn)定。同時可以看出,隨著煤層傾角的增加,煤層位移曲線呈逐漸上升的趨勢,這意味著煤層的位移總體上有所增加。

圖5 測量點的位移曲線圖

通過對工作面的位移分析,可以發(fā)現(xiàn)煤層的位移一般隨煤層傾角的增加而增大,而突出的可能性也隨之增大。同時,大位移區(qū)域逐漸向巷道上側遷移,易爆區(qū)域集中在巷道上側和底板上。

2.3 工作面塑性區(qū)分析

大多數(shù)材料具有彈性極限,當應力小于彈性極限時,材料處于彈性變形狀態(tài)。材料在彈性變形狀態(tài)下也會發(fā)生變形,但應力消除后,將恢復其原始形狀。當材料上的應力超過彈性極限時,材料處于塑性狀態(tài),其變形在應力消除后無法完全恢復。

煤層中也有彈性極限和塑性狀態(tài)。處于塑性狀態(tài)的煤區(qū)稱為塑性區(qū),是應力高、變形大、易發(fā)生突出的區(qū)域。因此,對煤巷塑性區(qū)的統(tǒng)計分析也是預測突出部位和危險性的有效手段。

圖6,圖7分別為沿煤層掘進面的方向煤層剖面和掘進工作面剖面的塑性區(qū)云圖。非塑性區(qū)主要分布在遠離巷道的煤巖層中,屬于應力小、變形小、突出風險小的安全區(qū)域。原始塑性區(qū)是一直處于塑性狀態(tài)的區(qū)域,但是當應力消除后,恢復為彈性狀態(tài)。這是由于在巷道開挖時,巷道周圍的煤巖應力平衡突然遭到破壞,使巷道周邊的煤巖應力快速達到彈性極限。在此基礎上,應力引起煤層變形,同時對應力進行分解和傳遞。當煤層再次達到應力平衡時,大部分煤巖區(qū)的應力值降低,由塑性狀態(tài)恢復到彈性狀態(tài)。這種區(qū)域在巷道周圍的煤和巖層中分布均勻,但煤層中的分布范圍略大于巖層中的分布范圍。盡管這種區(qū)域的應力暫時較小,但進入塑性狀態(tài)后材料的彈性極限降低,因此該區(qū)域更容易重新進入塑性狀態(tài),這屬于警告區(qū)域,需要注意。塑性區(qū)是破壞平衡并重新平衡后,煤和巖石的應力仍處于塑性狀態(tài)的區(qū)域。該區(qū)域是應力集中、變形大、巷道瓦斯突出危險高的危險區(qū)域。

圖6 煤層剖面的塑性帶云圖

從圖6可知,相對遠離工作面的巷道圍巖基本上處于可塑性狀態(tài),受煤層傾角的影響較小。但是受煤層傾角的影響,工作面附近的煤層表現(xiàn)出更明顯的塑性區(qū)。

由圖7可知,非塑性區(qū)和原始塑性區(qū)的范圍很少隨煤層傾角而變化,而塑性區(qū)的范圍受煤層傾角的影響很大。

就面積而言,當煤層傾角為0°時,煤層中的塑性區(qū)面積小于原始塑性和塑性區(qū)總面積的5%. 隨著煤層傾角的增加,原始塑性區(qū)逐漸過渡為塑性區(qū)。當煤層傾角增加到25°時,煤層中塑性區(qū)的面積大約為原始塑性區(qū)和塑性區(qū)總面積的50%.

從塑性區(qū)的位置可以看到,當煤層傾角為0°時,塑性區(qū)主要分布在巷道周圍。當煤層傾角為25°時,上部煤層的上半部分和巷道的底板都處于塑性狀態(tài)。隨著煤層傾角的增加,塑性區(qū)逐漸聚集到煤層和底板的上側。

3 煤層傾角對巷道圍巖不穩(wěn)定的影響

受煤巷掘進的影響,巷道圍巖由于破壞了原有的應力平衡,容易發(fā)生突出事故。但是,隨著距方位面距離的增加,圍巖逐漸恢復平衡。通過對比煤層在不同傾角下圍巖的不穩(wěn)定狀態(tài),可以得到煤層傾角對圍巖不穩(wěn)定區(qū)域的影響。

3.1 巷道圍巖應力分析

圖8是煤層剖面的最大主應力云圖,從圖8可以看出,不同煤層傾角下的應力云圖從巷道外側呈“弱-弱-弱”半橢圓形分布。

圖8 煤層剖面的應力云圖

沿煤層在掘進面上繪制一條直線,并將其標記為0水平線,0水平線垂直于巷道。然后,從前進方向向下到內部巷道每3 m設置一條平行于0水平線的直線,并將這些線分別標記為-3、-6、-9、-12、-15、-18水平線。在每條水平線上總共布置61組測量點,記錄應力值并繪制水平應力曲線,見圖9.

圖9 測量點在不同水平上的應力曲線圖

由圖9可知,每個測量點的最大主應力通常隨著距巷道中線距離的增加而增加,而增加的趨勢則逐漸減小。根據(jù)曲線變化趨勢的估計,當測量點與工作面之間的距離超過20 m時,應力會略有變化,從而使煤層的應力狀態(tài)趨于平衡。

3.2 巷道圍巖位移分析

圖10是煤層剖面的位移云圖。從圖10可以看出,圍巖的位移分布為半橢圓形多層結構,位移從巷道向外側逐漸減小。通過對巷道壁面積的分析,發(fā)現(xiàn)煤層的位移隨著距工作面距離的增加而沿巷道方向逐漸增大,這與應力分布是一致的。

記錄距工作面不同距離的巷道壁位移,見圖11. 由圖11可看出,巷道壁位移曲線呈上升趨勢,在工作面附近位移增量較大。然而,遠離工作面變得越來越小,并且位移曲線逐漸趨于平坦。通過比較不同煤層傾角下的位移曲線可以看出,隨著煤層傾角的增大,位移曲線逐漸增大,即巷道圍巖位移整體呈上升趨勢。通過曲線擬合可以發(fā)現(xiàn),所有煤層傾角下的位移曲線都趨于在距工作面18～25 m趨于平穩(wěn)。這意味著在距工作面約20 m的巷道周圍基本恢復了平衡,但是平衡距離也隨著煤層傾角的增加而增加。

圖10 煤層剖面的位移云圖

圖11 巷道壁的位移曲線圖

4 結 論

通過比較和分析煤層在不同傾角下的工作面應力分布、位移分布以及塑性區(qū)分布,探究了巷道掘進工作面突出的危險。另外,通過比較和分析不同煤層傾角下巷道圍巖的應力和位移分布規(guī)律,研究了巷道掘進過程中巷道圍巖的不穩(wěn)定區(qū)域范圍。基于以上研究,得出以下結論:

1) 不論煤層傾角的變化如何,應力集中區(qū)、位移集中區(qū)和塑性區(qū)始終位于煤層中,巖層相對穩(wěn)定。

2) 隨著煤層傾角的增加,開挖工作面周圍瓦斯突出的危險性也隨之增加,突出性高的區(qū)域沿煤層逐漸向上移動。

3) 巷道圍巖不穩(wěn)定區(qū)域主要集中在工作面附近,且隨著距工作面距離的增加,巷道圍巖不穩(wěn)定性逐漸減小,在距工作面約20 m處,巷道圍巖達到平衡。另外,隨著煤層傾角的增加,平衡距離逐漸增大。