双重上保护层叠加开采应力分布规律

秦 冰,叶栋林,石占山,1c,孙维吉,李 刚,张晋京

(1. 辽宁工程技术大学 a. 力学与工程学院;b. 矿业学院;c. 矿产资源开发利用技术及装备研究院, 辽宁 阜新 123000;2. 中国平煤神马能源化工集团有限责任公司,河南 平顶山 467000)

保护层开采后,下伏煤岩体应力降低、采动裂隙发育、煤岩层透气性增大,使煤层瓦斯解吸、运移[1-2],利于通过瓦斯抽采降低煤层瓦斯含量,在国内已有较成熟的应用。目前,针对保护层开采应力重分布规律已有大量研究。石必明等[3-4]研究了保护层开采上覆岩层的应力变化以及膨胀变形规律;施龙青等[5]和朱第植等[6]从工程力学角度出发,对岩石损伤及断裂特征进行了大量的实验,并结合工程实践将釆场下伏煤岩体分为“四带”;沈明荣等[7]分析了工作面回釆后采场底板及下覆煤岩体向釆场无应力区弹性恢复的过程;李树清等[8]和袁志刚等[9]应用岩土力学数值计算软件FLAC模拟了保护层的开采过程并给出卸压角及保护效果影响参数;黄光利[10]运用COMSOL Multiphysics软件的固气耦合模型计算了煤矿上保护层开采的保护范围;朱志洁等[11]开展了远距离重叠开采条件下,煤柱集中应力影响下的强矿压显现机制,分析了煤柱对强矿压显现的影响机理;Gao等[12]通过数值计算分析了应力分布特征,并考虑了上覆煤柱的存在,同时揭示了采空区应力释放与上覆煤柱应力集中对最终应力分布的共同影响;李杨等[13]开展了多煤层开采中,中间岩层对覆岩移动的影响机理研究,提出了上覆岩层与中间岩层厚度之比并不是控制覆岩移动的决定性因素;Yin等[14]研究考察了重庆地区煤样在开采过程中应力路径下的应力-应变-渗透率关系。康钦容等[15]利用自行研制的“多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统”,进行了三维采动应力条件下的三维模拟开采实验,对多煤层卸压采动后的底板岩层破坏规律进行了研究。

然而当前研究中大多考虑单一上保护开采工况[16-21],且以单一工作面为研究对象,忽略了上保护层多工作面布置时区段煤柱产生的应力集中对下被保护层卸压的影响,及多重上保护层开采的卸压增强效应。同时在保护层效果判定中,《AQ1050—2008保护层开采技术规范》[22]中给出,上保护层开采时对于缓倾斜煤层保护最大有效垂距为50 m,规范给出的保护有效距离是基于单一保护层开采提出的,对于多重上保护层叠加开采保护有效距离的评价未见相关规范指南,多重上保护层开采的卸压效果需要具体分析。

双重上保护层开采应力重分布不同于单一煤层开采。对于双重上保护层开采工作面,不仅能够对下方煤层进行双重卸压,而且在工作布置时能够对双重保护层内区段煤柱进行相互掩护,双重卸压规律及相互掩护对卸压的影响有待进一步研究。因此笔者充分考虑了现场实际工况,以平煤八矿丁5-6煤层、戊9-10煤层、己15煤层组成的煤层群开采为工程背景,依据现场多煤层多工作面的实际采掘布置,建立了双重上保护层多工作面开采数值计算模型,对双重上保护层开采采动应力分布规律开展研究,进一步依据应力重分布规律给出被保护煤层的瓦斯治理措施及采掘布置计划,达到瓦斯精准治理[23]的目标。

1 FLAC3D模型的建立及参数确定

1.1 模型的建立

平煤八矿为高瓦斯矿井,主要可采煤层有丁5-6、戊9-10、己15和己16-17煤层,本次研究重点区域为丁5-6、戊9-10、己15煤层组成的煤层群,其中丁5-6煤层和戊9-10煤层间距是70～90 m,戊9-10煤层和己15煤层间距平均约170 m,煤层倾角平均9°。研究区域丁5-6煤层布置有4个工作面,戊9-10煤层布置有2个工作面,且均已开采完毕。现阶段拟开采己15煤层21030工作面。采区内丁5-6、戊9-10煤层的工作面走向相同,长短不一,在倾向上交错布置。己15煤层21030工作面走向与丁5-6、戊9-10煤层工作面走向呈17°交角。拟分析丁5-6、戊9-10煤层双重上保护层开采对己15煤层工作面应力分布的影响。各工作面空间位置如图1所示。

图1 工作面空间分布Fig. 1 Spatial distribution of working faces

根据平煤八矿确定的研究区域工作面布置情况,采用FLAC3D数值计算软件,建立了等比例模型,模型尺寸为800 m(x)×1 400 m(y)×500 m(z)生成网格884 800个,节点913 680。丁5-6、戊9-10煤层间距选取80 m,戊9-10、己15煤层间距选取170 m。模型上表面距离地表约400 m,覆岩平均容重取20 kN/m3,上表面施加载荷为8 MPa。模拟煤层倾角为9°,采用摩尔-库仑本构模型,模型前后、左右4个面约束其法向自由度,底面约束x、y、z3个方向自由度。建立的模型如图2所示。

图2 数值模型建立Fig. 2 Numerical modeling

1.2 计算参数及数值模拟设计方案

1.2.1 计算参数

依据现场取样在实验室进行的参数测试结果,并结合现有论文中关于平煤股份八矿煤岩物理力学参数测试结果[24-25],考虑岩层与岩石试件在应力换算中存在的尺度效应,依据数值模拟计算结果反演模拟计算采用的岩体力学参数如表1所示。

表1 数值计算岩体力学参数

1.2.2 数值模拟设计方案

开挖过程如下:①对丁5-6煤层工作面全部开采;②开挖后计算平衡,再进行戊9-10煤层工作面全部开采;③戊9-10煤层工作面开采后计算平衡,对己15煤层21030工作面进行分次开采模拟回采过程,工作面每次推进距离为100 m,每次推进后计算平衡,共计开采12次。

为获取实际工作面布置条件下双重上保护层开采应力分布规律,设计了5种方案进行对比。①丁5-6煤层开挖后,通过选取截面A-A分析丁5-6煤层单一工作面保护时,己15煤层应力分布规律。通过选取截面B-B分析丁5-6煤层多工作面共同保护时,己15煤层应力分布规律;②丁5-6、戊9-10煤层均开挖后,通过选取截面C-C分析戊9-10煤层单一工作面保护时,己15煤层应力分布规律。通过选取截面D-D分析丁5-6、戊9-10煤层多工作面交错掩护布置共同保护时,己15煤层应力分布规律。通过选取截面E-E分析丁5-6、戊9-10煤层工作面未相互掩护共同保护时,己15煤层应力分布规律。截面布置如图1(b)所示,通过多方案对比阐明双重上保护层开采对被保护层应力分布的影响,如表2所示。

表2 模拟方案

2 双重保护层叠加开采应力分布规律研究

2.1 单一保护层开采被保护层倾向应力分布规律

模型初始应力平衡后,选取了y=700 m截面即模型中部,给出各煤层工作面位置的初始应力分布状态,如图3所示。其中应力值为负值表示该位置受压,反之受拉,卸压值为卸压后应力值与初始应力值之差。图3中水平应力值方向对应图1(a)中x轴所示的方向。图3中标记了截面对应的工作面分布位置,图中数字为各工作面名称。

图3 倾向y=700 m截面初始应力分布状态Fig. 3 The initial stress distribution state of tendency y=700 m section

2.1.1 丁5-6煤层单独保护己15煤层应力分布规律

为对比双重保护层开采与单一煤层保护层开采应力分布的差异,开展了丁5-6煤层工作面单独保护己15煤层时的应力分布规律研究。在丁5-6煤层工作面开挖后戊9-10煤层工作面未开挖前,丁5-6煤层对己15煤层存在两种保护形式,分别为丁5-6单一工作面开采保护己15煤层(y=200 m截面);丁5-6多工作面开采保护己15煤层(y=500 m截面)。

1)丁5-6单一工作面保护己15煤层。如图4所示,该截面为表2中方案1。丁5-6单一工作面开挖,戊9-10、己15煤层未开挖,丁5-6开挖工作面两侧煤柱发生应力集中现象,应力分布状态如表3所示。单一工作面开挖后两侧为采区边界煤柱,煤柱集中应力最大值为-19 MPa,应力集中传递至底板下方80 m。丁5-6保护下,己15煤层卸压区域垂直应力值由-14～-16 MPa下降至-13～-15 MPa,下降1 MPa。由于单一保护层边界煤柱集中应力传递范围较大的影响,对己15煤层21030工作面布置位置卸压作用不明显。

图4 丁5-6单一工作面保护己15工作面应力分布云图(y=200 m截面)Fig. 4 The stress distribution nephogram of the single working face of D5-6protecting J15working face (y=200 m section)

表3 丁5-6单一工作面保护己15工作面应力分布

2)丁5-6多工作面保护己15煤层。如图5所示,该截面为表2中方案2。丁5-6多工作面开挖,戊9-10、己15煤层未开挖,应力分布状态如表4所示。丁5-6煤层工作面间的区段煤柱应力集中值增加为-39 MPa,应力值较大,但其向底板传递的距离较短,约为26 m。下方己15煤层工作面所在位置最大卸压值2 MPa。由于丁5-6煤层多工作面开采,且己15煤层工作面不在边界煤柱下方,己15煤层21030工作面位置卸压值有所增加。

图5 丁5-6多工作面保护己15工作面应力分布云图(y=500 m截面)Fig. 5 The stress distribution nephogram of the multiple working faces of D5-6protecting J15working face (y=500 m section)

表4 丁5-6多工作面保护己15工作面应力分布

2.1.2 戊9-10煤层单独保护己15煤层应力分布规律

如图6所示,该截面为表2中方案3。丁5-6工作面开挖后对戊9-10工作面进行了开挖。由于戊9-10煤层工作面走向长度不同,该截面戊9-10煤层对应单一工作面,同时戊9-10煤层单一工作面左半部分上方有丁5-6工作面,丁5-6煤层工作面右侧煤柱位于戊9-10煤层工作面采空区上方,戊9-10工作面左侧煤柱位于丁5-6工作面采空区下方,使得区段煤柱应力集中现象减弱。戊9-10工作面右半部分形成单一煤层保护己15煤层工作面的条件,该保护区域内己15被保护层垂直应力由-14～-16 MPa卸载至-7.5～-12 MPa之间,如表5所示,右侧单独保护区域卸压最大值为4 MPa。

图6 戊9-10单一工作面保护己15工作面应力分布云图(y=400 m截面)Fig. 6 The stress distribution nephogram of the single working face of E9-10protecting J15working face (y=400 m section)

表5 戊9-10单一工作面保护己15工作面应力分布

2.2 双重保护层开采被保护层倾向应力分布规律

2.2.1 丁5-6、戊9-10工作面区段煤柱相互掩护

如图7所示,该截面为表2中方案4。此时丁5-6、戊9-10工作面均开采完毕,己15煤层21030工作面位于双重保护层下方。由表6可知,当己15工作面位于丁5-6、戊9-10煤层工作面叠加采动卸压区域下方时,卸压范围进一步向下延伸,己15煤层卸压值进一步增加,由-14～-16 MPa卸压至-7.5～-10 MPa,卸压值最大达6.5 MPa。同时,对应的丁5-6、戊9-10煤层工作面间的区段煤柱的集中应力降低。丁5-6工作面右侧集中应力是由于丁5-6右侧存在一个较短工作面,该截面恰好位于该工作面走向边界导致。

图7 丁5-6、戊9-10工作面交错布置保护己15工作面应力分布云图(y=580 m截面)Fig. 7 The stress distribution nephogram of D5-6and E9-10working faces staggered arrangement to protect Ji15 working face (y=580 m section)

表6 丁5-6、戊9-10工作面交错布置保护己15工作面应力分布

2.2.2 丁5-6、戊9-10煤层工作面区段煤柱未相互掩护

如图8所示,该截面为表2中方案5。此时丁5-6、戊9-10工作面均开采完毕,丁5-6、戊9-10煤层工作面区段煤柱未相互掩护。由表7可知,己15煤层由-14～-16 MPa卸压至-11～-13 MPa,卸压值最大达3 MPa。同时,对应的丁5-6、戊9-10煤层工作面间区段煤柱集中应力增加,最大集中应力达到34 MPa。

图8 丁5-6、戊9-10工作面未交错布置保护己15工作面应力分布云图(y=260 m截面)Fig. 8 The stress distribution nephogram of D5-6and E9-10working faces without staggered arrangement to protect J15working face (y=260 m section)

表7 丁5-6、戊9-10工作面未交错布置保护己15工作面应力分布

2.3 双重保护层开采被保护层走向应力分布规律

前述给出了丁5-6、戊9-10煤层工作面开采不同保护类型时,己15煤层工作面倾向应力分布规律。为进一步确定己15煤层工作面走向应力分布情况,取丁5-6、戊9-10煤层开采后,己15煤层21030工作面的走向切面应力进行分析,如图9所示。

图9 丁5-6、戊9-10工作面开采后己15-21030工作面走向切面Fig. 9 The trend section of J15-21030 working face after the mining of D5-6and E9-10

由图9(b)(c)可知,己15煤层工作面在走向方向上卸压角不同。当己15煤层工作面走向边界位于戊9-10煤层工作面单独保护区域时,卸压角较大为65°;位于丁5-6煤层工作面单独保护区域时,对应的卸压角较小为50°,如图9(b)中虚线所示,且水平应力变化较小。

图10为丁5-6、戊9-10煤层开采前后己15煤层21030工作面的走向应力分布对比。由图10可知,最大卸压值位于工作面走向300～700 m范围内,此处为双重保护层叠加保护区域,卸压影响范围为工作面走向100 m到1 150 m范围内。

图10 丁5-6、戊9-10煤层开采前后己15-21030工作面走向切面应力值对比Fig. 10 Comparison of the stress values of trend section of J15-21030 working face before and after the mining of D5-6and E9-10

图11为丁5-6、戊9-10煤层开采后,己15煤层全区的应力分布情况。由图 11可知,在双重保护层保护区域的卸压值较大,且呈椭圆形。当丁5-6煤层工作面或戊9-10煤层工作面单独保护时,卸压区域不规则延伸,且卸压值减小。

图11 丁5-6、戊9-10开采后己组煤层全区应力分布Fig. 11 Stress distribution in the whole area of the Group J coal seam after the mining of D5-6and E9-10

2.4 双重保护层开采后己15煤层工作面回采应力演化规律

为指导己15煤层工作面采掘计划设计并优化瓦斯抽采钻孔布置,进一步分析了己15煤层21030工作面回采过程中工作面前方支承压力应力集中系数的演化规律。依据图12所示应力云图,统计应力集中系数如表8所示。

图12 己15煤层回采应力演化规律Fig. 12 Law of evolution of mining stress in coal seam of J15

表8 工作面推进应力集中系数

推进过程中距开切眼300～1 000 m范围内应力集中系数相对较小。最大应力集中系数为3.40,最小应力集中系数为1.98,在回采中应注意对应力集中系数较大区域提前给出安全防治措施。

3 应力分布规律现场验证

3.1 测试方法及原理

钻屑量是一种综合反映煤体应力、瓦斯压力和煤的物理力学性质的指标。钻孔形成后,在其周围将形成破碎区、塑性软化区和弹性区,不同围岩应力环境下钻孔三区分布范围不同,导致钻屑量不同,钻屑量测试能间接反映钻孔围岩应力分布情况,围岩应力值越大,钻屑量越大。

3.2 测试方案

针对丁5-6、戊9-10煤层对己15煤层的保护类型,共设计了7个考察区域布置了13个施工位置开展钻孔钻屑量考察,如表9所示。

表9 分区情况说明

3.3 测试过程及结果

静水压力下巷道围岩处于弹性变形阶段,切向及径向集中应力影响范围为3～5倍巷道半径,巷道宽度为4.8 m,估算应力集中影响范围为14.4～24 m。剔除巷道周围应力重分布影响,从钻进至24 m处开始取屑,直至钻进至79 m终止,测试位置如图13所示,部分测试结果如图14所示。

注:图中红色线为丁5-6煤层工作面;蓝色线为戊9-10煤层工作面;绿色线为己15煤层工作面 图13 己15-21030工作面钻屑量测试位置Fig. 13 Drilling cuttings weight test position at J15-21030 working face

图14 不同区域钻屑量测试结果Fig. 14 Test results of drilling cuttings weight in different areas

3.4 测试结果分析

数值计算表明己15煤层原始区域应力值为14～16 MPa,区域五、区域六钻屑量测试对应该方案,平均钻屑量16.5 kg/m,如图14(a)所示;区域四钻屑量测试对应方案2,最大卸压值为2 MPa,平均钻屑量14.8 kg/m;区域二钻屑量测试对应方案4,叠加采空区下方己15煤层卸压情况,卸压区域最大卸压值6.5 MPa,平均钻屑量10.8 kg/m;区域一钻屑量测试对应方案4,掩护煤柱下方己15煤层卸压情况,卸压值为4 MPa,平均钻屑量为11.3 kg/m;区域三钻屑量测试对应方案5,丁5-6、戊9-10工作面煤柱未相互掩护,区域最大集中应力值可达到34 MPa,最大卸压值3 MPa,平均钻屑量12.3 kg/m;区域七对应该方案3,戊9-10单一工作面保护己15煤层,卸压最大值为4 MPa,平均钻屑量11.7 kg/m,如图14(b)所示。图14中给出了区域六、七的钻屑量测试结果,其他区域钻屑量值测试可参考文献[26],各区域测试结果均能反映卸压值变化情况。

4 现场应用

现场实测表明,己15-21030工作面瓦斯含量及压力较大,因此需要科学制定采掘计划及抽采钻孔布置方案。依据数值计算结果,卸压区范围为工作面走向100 m到1 150 m,最大卸压值位于工作面走向300 m到700 m范围内,应力集中系数在300～1 000 m范围内较小。当前正常情况下巷道日掘进进尺为8 m/d,根据卸压区分布情况,将卸压区外掘进时的进尺调整为4 m/d,工作面走向300～700 m范围内的掘进进尺按原计划8 m/d进行,其余区域掘进进尺调整为6 m/d。原设计本煤层预抽钻孔间距为2.5 m,在卸压区外将钻孔间距调整为1.5 m,走向300～700 m范围内按原计划2.5 m间距设计,其余区域调整为2.0 m间距。回采过程中在300～1 000 m范围内保持正常回采速度,在该范围外降低工作面推进速度。调整设计方案后,依据后续掘进反馈数据,未发生瓦斯突出及超限事故。

5 结 论

1)丁5-6煤层单一工作面保护己15煤层时,煤柱为边界煤柱,煤柱应力集中值达到19 MPa,影响范围达到下方80 m。卸压影响至己15煤层,己15煤层垂直应力最大卸压值为1 MPa。戊9-10单一工作面保护己15煤层时,垂直应力卸压值最大达4 MPa。丁5-6煤层多工作面保护己15煤层时,丁5-6工作面区段煤柱应力集中值达39 MPa,向下影响范围较小为26 m,对己15煤层最大卸压值为2 MPa,水平应力变化不明显。边界煤柱集中应力较区段煤柱小,但向下影响范围大。

2)丁5-6、戊9-10煤层双重保护时,工作面区段煤柱相互掩护时,垂直应力卸压值最大达6.5 MPa。丁5-6、戊9-10煤层工作面相互掩护使得工作面区段煤柱集中应力由39 MPa卸载至10 MPa。水平应力卸压值变化不明显。工作面区段煤柱未相互掩护时,垂直应力卸压值最大为3 MPa,煤柱集中应力制约了被保护层的卸压。丁、戊煤层双重叠加掩护卸压增强了卸压效应降低了区段煤柱的应力集中,较单一煤层开采明显提高了被保护层的卸压值。

3)开展了现场工作面钻屑量测试,验证了双重保护层开采应力分布规律。得到己15煤层21030工作面卸压影响范围为工作面100 m到1 150 m,最大卸压值位于工作面走向300 m到700 m范围内,应力集中系数在300～1 000 m范围内较小。依据上述规律制定了采掘计划及抽采钻孔设计方案。