巨厚砾岩层工作面覆岩移动规律数值模拟研究
2012-01-09姜海强吴晓刚
姜海强,李 猛,吴晓刚,杜 杰,房 萧
(1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏 徐州 221116;2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏 徐州 221008)
煤层顶板岩层的特性,特别是巨厚坚硬顶板是诱发煤矿冲击矿压的重要影响因素之一。随着上覆岩层悬顶长度的增大,巨厚顶板岩层中聚积的能量变大,当顶板发生破断和滑移失稳时,巨厚顶板聚积的大量能量瞬间释放,从而诱发顶板型冲击矿压。目前,国内外学者对巨厚砾岩层的研究较少,主要集中在冲击矿压、地表沉陷等方面,鲜有对上覆巨厚砾岩层的运动规律和破坏形式等方面的研究。史红、姜福兴等利用两端嵌固梁力学模型,对厚层坚硬顶板的破断规律进行了分析,根据岩层中的应力场分布,提出了大厚度坚硬岩层的3种破坏方式的力学判断。王金安等运用弹性基础厚板理论,研究巨厚岩浆岩下煤层不同开采阶段对上覆岩层的影响,以及岩浆岩变形规律与破坏形式。轩大洋、许家林等采用离散元计算方法,研究了巨厚火成岩下开采时的采动应力演化规律,从采动应力影响范围的角度,解释了煤与瓦斯突出灾害的原因。
本文结合义马矿区千秋煤矿21141实际工程地质条件,利用UDEC数值模拟软件,建立了采动影响下覆岩运动变化的数值模型,得到了覆岩的位移变化、塑性区分布和应力分布规律。
1 采矿地质条件
千秋煤矿21141工作面位于矿井西部二水平21采区下山西翼。地面标高590.1~617.5m,工作面标高为-38.1~-84.7m,平均采深638m。工作面可采走向长度1298m,倾斜长度130m,倾角10° ~14°, 煤层平均厚度为20m。
直接顶为深灰色泥岩,厚度23~27m,平均25m。基本顶岩性为砾岩,厚度平均407m。煤层底板岩性复杂,自上而下由砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩以及含砾相土岩组成,厚度0.3~6.7m,平均6.7m。
2 模拟软件的选取及模型的建立
2.1 数值模拟软件的选取
本文的数值模拟软件采用二维离散元分析软件UDEC,该软件能够很好地模拟岩体的复杂力学和结构特性。离散的岩块允许大变形,允许沿节理面滑动、转动和脱离冒落;在计算过程中,能够自动识别新的接触。单个块体可以是刚体或者是可变形的,接触是可变形的。节理的相对运动遵循法向或切向的线性或非线性运动关系。结合CAD软件,可以形象直观地反映岩体运动变化的应力场、位移场、速度场等各力学参量的变化。
2.2 数值模型的建立
根据 21141工作面的采矿地质条件,建立了与工作面实际情况基本相同的数值计算模型。由于本文研究上覆巨厚砾岩层对工作面回采的影响,模型没有简化,模型上边界为地表,数值模型的左右边界不小于一个完整工作面的开采及影响范围,大小为1380m×700m。建立的数值模型见图1。
图1 巨厚砾岩层工作面覆岩运动规律数值模型
2.3 模型的开挖步骤
模拟煤层从左到右开挖,开挖步距为10m,模型左右边界为位移约束ux=0;下边界也为位移边界uy=0。模拟岩层的参数采用岩石真实的力学参数,见表1。
表1 千秋煤矿岩性及力学性能
3 数值模拟结果及分析
3.1 工作面推进不同距离覆岩位移变化规律
当21141工作面进行分步开采时,不同开采阶段上覆岩层的位移及垮落情况不同,如图2所示。
图2 工作面推进不同距离岩层垮落形态
由图2可知,当工作面刚开始推进时,上覆岩层只出现了一些弯曲,并未有岩石垮落。当工作面推进40m距离时,此时直接顶发生初次垮落,垮落值为0~5m,覆岩继续弯曲变形。当工作面推进60m距离时,此时基本顶初次来压,随着工作面的推进,工作面周期来压步距为50m左右。岩层垮落明显,垮落值达到了16m。并且上覆岩层呈现出较大的弯曲变形,岩层之间离层明显。当工作面推进150m时,由于开采距离加大,上覆岩层出现明显的弯曲下沉,砾岩层坚硬不垮,其下面岩层垮落面积较大,垮落的岩石充满了采空区。当工作面推进310m时,采空区被垮落的岩石充满。砾岩层以下的岩层发生大面积旋转下沉,在细砂岩和巨厚砾岩层之间出现了明显的离层,巨厚砾岩层悬空不垮落。随着工作面继续推进,巨厚砾岩层开始自下而上逐层垮落。当垮落岩石充满离层空间时,砾岩层不再发生垮落。
3.2 21141工作面推进不同距离覆岩的塑性变化规律
图3为工作面推进不同距离覆岩塑性区发展形态。工作面推进60m时,工作面顶板大部分区域发生屈服,形成屈服区和塑性区。小部分区域发生拉伸破坏。顶板与巨厚砾岩层之间的岩层,受采动影响较小,塑性区发展缓慢。上方的巨厚砾岩层,由于自身的刚度较大,所以其没有发生明显变形。
图3 工作面推进不同距离覆岩塑性区发展形态
工作面推进到100m后,覆岩塑性区发育面积加大,顶板与覆岩发生弯曲下沉并且岩层底部出现了屈服。工作面前后方的煤体区域受采动影响后,屈服体积更大,影响范围更加广泛。
工作面推进到200m后,工作面前方的岩层几乎都发生了塑性变形,上方的岩层之间有屈服变形和塑性变形产生,左侧的岩层弯曲下沉强烈,岩层底部塑性屈服区域已经发生破坏。
3.3 工作面推进不同距离时覆岩的应力变化规律
21141工作面回采过程中应力变化规律,如图4所示。
图4 工作面推进不同距离应力情况
图4(a)是工作面分别推进60m、300m和550m时的应力变化情况。从图4中可以看出,随着开采空间的变大,工作面最大支承应力值也不断变大,煤壁两端的支撑应力在25~30MPa之间,采空区应力降低到15MPa以下。当工作面推进310m后,巨厚砾岩层不再悬空,开始触底稳定,采空区应力得以恢复。
图4(b)是工作面分别推进800m、1050m、1300m时的应力变化情况。从图4中可以看出,随着推进距离的加大,采空区垮落的岩石逐渐被上方下沉的岩层压实,岩层受到支撑应力增大,最大值达到28MPa。工作面前方的超前支撑应力也随之前移,并且每次推进应力均有升高,其值最终超过30MPa。
4 结论
本文主要研究了21141工作面在回采过程中,不同的推进阶段覆岩位移变化、塑性区分布以及应力变化规律。主要结论如下:
1) 随着开采空间沿走向方向的逐步推进扩大,煤层上覆岩层自下而上形成垮落带、断裂带和弯曲下沉带。巨厚砾岩作为关键层,位于弯曲下沉带中并与下方岩层间产生离层。
2) 工作面推进40m时,直接顶垮落,顶板大部分区域出现屈服,巨厚砾岩层刚度较大,没有出现变形;工作面推进60m时,基本顶发生初次来压,采空区上方岩层屈服区发育明显;当推进距离达到150m时,上覆岩层总体均发生屈服,巨厚砾岩层与下方的岩层离层加大。
3) 工作面推进初期,工作面顶板大部分区域发生屈服,顶板与巨厚砾岩层之间的岩层受采动影响较小。随着工作面继续推进,覆岩塑性区发育面积加大,顶板与覆岩发生弯曲下沉并且岩层底部出现了屈服。工作面推进到200m后,工作面前方、左侧和上方的岩层,几乎都发生了塑性变形,岩层底部塑性屈服区域已经发生破坏。
4) 随着开采空间的变大,工作面最大支承应力值也不断变大,煤壁两端的支撑应力在25~30MPa之间,采空区应力降低到15MPa以下。当工作面推进310m后,巨厚砾岩层不再悬空,开始触底稳定,采空区应力得以恢复。
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