大倾角大采高工作面采场运动规律研究

吕兆海,李立波

(1.神华宁夏煤业集团清水营煤矿, 宁厦银川 750001;2.西安科技大学能源学院, 陕西西安710054;3.教育部西部矿山开采及灾害控制重点实验室, 陕西西安 710054)

大倾角大采高工作面采场运动规律研究

吕兆海1,李立波2,3

(1.神华宁夏煤业集团清水营煤矿, 宁厦银川 750001;2.西安科技大学能源学院, 陕西西安710054;3.教育部西部矿山开采及灾害控制重点实验室, 陕西西安 710054)

大采高开采是我国中、厚煤层开采工艺发展的主要方向。以复杂埋藏条件下的清水营煤矿大采高工作面为工程背景,利用FLAC3D进行工作面开采过程围岩运移规律模拟,分析了垂直应力、顶板下沉和塑性破坏演化特征,模拟分析结果与工程现场顶板下沉量、应力监测相符,因此,模拟结果可以作为现场参量变化的参照,对工作面采场管理具有一定的参考意义。

大采高工作面;采场管理;数值模拟;塑性破坏

大采高开采是我国中、厚煤层开采工艺发展的主要方向[1]。采高大于3.5m的工作面与采高小于3.5m的综采工作面相比,老顶来压强度提高了约5.2%,周期来压步距增大了约4.6%[2,3]。采高的增加,势必加大巷道的高度和宽度,加之工作面开采过程中剧烈的来压影响,对不稳定、易冒落顶板的工作面,顶板管理难度加大。随着大采高开采工艺的发展,各方面的理论研究都有了长足进步[4,5],对宁东矿区开采特征也有相应的研究[6,7]。

以复杂埋藏条件下清水营煤矿为例,通过FLAC3D数值模拟,结合现场开采实践,研究了大采高工作面开采过程中应力、位移、塑性区演化特征,为开采设计提供参考依据。

1 工程地质概况

清水营煤矿是神华宁夏煤业集团的重点建设煤矿之一,矿井设计生产能力10.0Mt/a,主采煤层为二煤,煤层倾角20°～27°,平均23°,开采深度138～338m。

110202工作面是清水营煤矿首个大采高工作面,工作面走向长1200m,斜长290m,工作面煤层平均厚度5.12m,设计采高4.2m。110202工作面所采2#煤层为“三软”煤层,顶板为泥质砂岩含水层,岩石松软易风化,在工作面推进过程中,顶板易碎,裂隙加大,属易冒落顶板,该岩层渗透性强,导水性好,是富水性强的主要含水层。底板为泥质砂岩,遇水易膨胀,且工作面支架自重较大,容易出现支架钻底、歪架、倒架等现象。

2 FLAC3D数值模型的建立

2.1 力学模型

FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)由美国Itasca公司开发的三维有限差分程序,能较好地模拟煤岩介质在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的力学行为,进行三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。根据清水营煤矿地质资料和岩石力学实验结果,得出煤层及主要岩层力学参数,见表1。

表1 煤岩力学参数

2.2 数值模型

计算力学模型见图1,模型尺寸宽×厚×高为400m×150m×250m,工作面沿y轴正方向(走向)推进,采用Mohr - Coulomb plasticity model本构模型。模型底部限制垂直移动,上部施加上部岩层等效载荷,模型前后和侧面限制水平移动,整个模型由31500个单元组成,包括34768个节点。三维数值计算模型见图2。为减少模拟过程中的边界影响,模型左右两端开挖时各留设50m保护煤柱。

3 模拟结果分析

3.1 垂直应力-位移演化特征

工作面推进过程中,顶板(煤)岩体在开采扰动和自重的共同影响下发生周期性断裂、下沉,引起上覆岩层的重新排列,大大降低其承载能力,顶板垂直应力与下沉的分析研究对工作面采场管理有重要的意义。

图1 计算力学模型

图2 三维数值模计算模型

图3体现了工作面开采过程中,顶板垂直应力δzz的演化特征,由图可知,工作面顶部主要承受压应力,小部分区域也承受拉应力,随工作面推进,对上部岩层的影响明显增强,呈不规则对称的马鞍形向上方逐渐扩展,工作面推进30m时影响范围已达到粗砂顶的1/4处,即老顶5m左右范围。

图4为工作面推进5,10,20,30m时的位移矢量变化。工作面顶板下沉方向以竖向为主,部分区域与工作面顶板垂直;开采初期,围岩受扰动影响较小,顶板下沉量不大,仅在5cm左右,主要集中在工作面中下部,当工作面推进距离继续加大时,最大下沉量达到13.0cm,位于工作面中部,沿倾向基本呈对称分布,在上、下端头下沉量相对最小,但也基本维持在6～8cm左右,顶板下沉变化趋势见图5。

开挖结束后沿工作面倾向(即模型沿x方向50～350m处)每隔10m取点,提取各点应力、位移数据,得到图5所示的曲线。由图5(a)可以看出,随工作面推进距离加大,顶板承受应力随之增加;整个工作面倾向120～150m处承受的应力逐渐达到峰值,180m处应力趋于平衡;工作面推进5,10,20,30 m时的最大值分别为7.00,8.68,10.93,15.31 MPa,在工作面下端头有应力集中现象出现,集中应力基本维持在5.00,8.00,8.50,14.00MPa,因此开采过程中应加强工作面120～180m处及下端头的支护。从图5(b)可以看出,当工作面推进达到25 m时,顶板下沉量剧增,由10m的0.5cm增大到70 m的7.5cm以上;工作面倾向120m左右达到最大下沉量,分别为8.8,11.9和13.0cm;下沉量相对较大的阶段在工作面倾向80～150m范围内;工作面230m处下沉量处于底谷后反弹,并在250m左右范围再次出现峰值,受开采扰动较小,但由于下端头存在较大的集中应力,且机运巷的存在,使该区段受到较大的影响。

3.2 塑性破坏演化特征

煤岩体结构内部结构必然受工作面推进的扰动影响,使其整体性能发生破坏,从而弱化了围岩的承载能力,当煤岩出现塑性变形时,其承载能力将大大削弱,导致顶板出现冒(垮)落。

图3 工作面垂直应力δzz演化

工作面推进过程中的塑性演化特征如图6所示,上覆岩层塑性区演化与垂直应力变化协调发展,工作面下端头先于上端头发生塑性破坏;在工作面5～30m的开采过程中,工作面上部围岩主要以拉破坏为主;推进5m时,开采扰动对顶板的影响相对较小,因而塑性变形也相应较小,而当工作面推进超过10m时,顶部围岩受开采影响较大,已出现大面积的塑性变形区域,且贯穿整个工作面上方,此时塑性变形主要集中在整个直接顶以及老顶下部,当工作面推进30m时,工作面上部破坏范围已延伸至老顶中部,整体呈非对称的马鞍形分布。

4 现场监测对比分析

在工作面布置多点位移计,连续观测开采过程中顶板下沉情况,同时利用单体支柱观测切眼所受应力状况,如图7所示。

图4 工作面位移演化

图5 模型垂直应力-位移变化曲线

图6 工作面塑性演化

图7 现场垂直应力、顶板下沉量监测

切眼开挖后,每隔3d观测一次工作面顶板的应力和下沉量变化情况。由图7看出,随着时间推移,工作面应力、下沉量急剧增大;1#、2#和3#单体支柱的最大值分别达到9.9,12.3,13MPa,平均值分别为9.38,4.49,6.54MPa。顶板下沉量分别达到最大值137,145,160mm,顶板钢梁被压弯,架设的木垛也被压坏。

模拟结果基本与现场实际情况相吻合,所反映出的规律与现场开采过程中的规律一致,可以作为清水营煤矿大采高开采工作面运移规律的研究依据。

5 结 论

以清水营煤矿大采高工作面为例,通过FLAC3D数值模拟,结合现场监测,对工作面推进过程中顶板的运移规律进行了研究,得出以下结论:

(1)开采对顶板影响以压应力为主,以工作面倾斜方向的中线为轴,应力分布呈现非对称马鞍形态,推进距离增加,垂直应力δzz、顶板下沉量以及塑性破坏区域相应增加;

(2)工作面高应力区域集中于倾斜方向120～180m处,最大压应力达到14MPa,应加强此区段的支护,工作面上、下端头有应力集中现象,因此工作面推进过程中应加强对两个端头的支护强度,特别是加强机巷的支护;

(3)工作面倾向下沉量较大区域在80～150m范围内,最大值维持在13～16cm之间,工作面倾向230～250m范围内下沉量有跳跃现象,顶板可能发生垮落,开采扰动对顶板影响达到老顶5m范围内,即工作面上方7.5～9.8m处,因此在顶板支护时,锚索长度至少为8m,在破坏严重的区域可适当加长。

[1]何富连,钱鸣高.大采高液压支架倾倒特征与控制条件[J].中国矿业大学报,1997,26(4):20～26.

[2]吴 健,张 勇.综放采场支架-围岩关系新概念[J].煤炭学报,2001,26(4):350～355.

[3]王金华.我国大采高综采技术与装备的现状及发展趋势[J].煤炭科学技术,2006,34(1):4～7.

[4]刘卫忠,孙立亚.大采高大倾角高档普采面平面应力状态的物理模拟[J].煤矿开采,2001,(1):57～58.

[5]武建国.大采高综采工作面与巷道围岩控制技术研究[D].太原:太原理工大学,2004.

[6]来兴平,周光华,张建华,等.基于现场监测的破碎围岩介质垮落失稳及综合分析[J].煤炭学报,2008,33(3):246～250.

[7]张子飞,李立波,来兴平.复杂破碎围岩状态下大断面巷道稳定性综合分析[J].西安科技大学学报,2008,28(4):629～633.

2009-12-22)

吕兆海(1980-),男,宁夏宁东人,硕士,工程师,主要从事采矿工程和采空区衍生灾害预报研究,Email:lvzhaohai1001@yahoo.cn。