煤层倾角对巷道开挖瓦斯突出的影响

张鹏鹏

煤炭工业太原设计研究院集团有限公司, 山西 太原 030000)

煤与瓦斯突出是一种极其复杂的煤岩动力灾害,其发生机理一直是突出灾害研究中最主要、最根本的内容之一,也是突出灾害防治的前提和理论基础,许多专家对此进行了大量研究[1-4],研究成果有效指导了煤与瓦斯突出的预防,但是关于煤层倾角对瓦斯突出影响的研究很少。为了解决这些问题,有必要探讨煤层倾角对瓦斯突出的影响。FLAC3D作为功能强大的数值模拟软件,可以定量评估煤层倾角对瓦斯突出的影响。

1 模型建立

利用FLAC3D模拟软件建立0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°共7种不同倾角下煤层掘进的模拟模型,模型大小为80 m×80 m×80 m. 平顶山高庄煤矿5203运输巷道煤层的力学参数见表1.

模型的上下层均为岩石层,分别为煤层的顶板和底板,中间层是厚度为4.2 m的煤层。5203运输巷道宽5 m,中心高度为3.2 m,位于煤层的中间。模型的侧面和底部均为位移边界。在模型顶部施加20 MPa的荷载。沿垂直于巷道的方向布置61个测量点,相邻测量点之间的距离为1 m. 测点可以实时记录应力和位移的变化。倾角为30°的数值模型见图1.

表1 煤和岩石的力学参数表

图1 倾角为30°的数值模型图

2 煤层倾角对工作面突出的影响

2.1 工作面应力分析

工作面最大主应力云图见图2. 从图2可以看出,在工作面两侧的煤层中存在应力集中区域。周围煤和岩石由于受到开采的影响,工作面部分的应力很小,这会导致其松动并且不易于发生应力集中。

图3为两个测量点(A和B)的最大主应力曲线,两个测量点分别距巷道壁6 m和8 m. 选择距巷道壁6 m和8 m的位置是因为煤层中的应力集中区域距巷道壁5～10 m. 从图3可以看出,在煤巷的开挖过程中,测量点处的应力首先逐渐增大,然后在某个点处急剧减小。这是因为当煤巷在测量点附近开挖的过程中,打破了该点周围的应力平衡。通过不同煤层倾角条件下应力曲线的比较表明,煤层倾角越大,测量点的应力开始下降的时间越晚,最大应力越大。这也证明了煤层的倾角越大,突出危险越大的结论。

图2 工作面最大主应力云图

图3 测量点的应力曲线图

2.2 工作面位移分析

巷道开挖打破了煤层中原始应力平衡状态,从而引起煤层发生一定程度的位移。如果煤层的位移太大,则突出的危险会很大,因此分析掘进头周围的位移也是判断突出危险的有效方法[5-6].

不同煤层倾角下巷道位移云图见图4. 由图4可知,巷道周围的大位移区域主要集中在巷道底板和巷道壁附近的煤层中,而岩层的位移非常小。随着煤层倾角的增大,巷道周围大位移总面积逐渐增大,巷道上侧和底板附近的大位移面积也随之增加。相反,巷道下侧附近的大位移区域逐渐减小。

大位移区域的范围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。通过观察不同煤层倾角下的位移云图并比较其最大位移,可以发现最大位移随煤层倾角的增加而增加,但位移增量不明显。当煤层倾角为0°时,最大位移值约为15.08 cm,当煤层倾角增加至30°时,最大位移值约为15.25 cm,增加了1.1%,煤层倾角的变化对巷道最大位移的影响并不明显。

图5是巷道上侧附近7组测量点的位移曲线。由图5可看出,煤层的位移随着距巷道内表面距离增加而逐渐减小,并趋于稳定。这是因为巷道开挖主要影响巷道周围的煤层,因此巷道壁附近煤层的位移总是大于其他区域。随着距巷道距离的逐渐增加,巷道开挖的影响减小,位移趋于稳定。同时可以看出,随着煤层倾角的增加,煤层位移曲线呈逐渐上升的趋势,这意味着煤层的位移总体上有所增加。

图5 测量点的位移曲线图

通过对工作面的位移分析,可以发现煤层的位移一般随煤层倾角的增加而增大,而突出的可能性也随之增大。同时,大位移区域逐渐向巷道上侧迁移,易爆区域集中在巷道上侧和底板上。

2.3 工作面塑性区分析

大多数材料具有弹性极限,当应力小于弹性极限时,材料处于弹性变形状态。材料在弹性变形状态下也会发生变形,但应力消除后,将恢复其原始形状。当材料上的应力超过弹性极限时,材料处于塑性状态,其变形在应力消除后无法完全恢复。

煤层中也有弹性极限和塑性状态。处于塑性状态的煤区称为塑性区,是应力高、变形大、易发生突出的区域。因此,对煤巷塑性区的统计分析也是预测突出部位和危险性的有效手段。

图6,图7分别为沿煤层掘进面的方向煤层剖面和掘进工作面剖面的塑性区云图。非塑性区主要分布在远离巷道的煤岩层中,属于应力小、变形小、突出风险小的安全区域。原始塑性区是一直处于塑性状态的区域,但是当应力消除后,恢复为弹性状态。这是由于在巷道开挖时,巷道周围的煤岩应力平衡突然遭到破坏,使巷道周边的煤岩应力快速达到弹性极限。在此基础上,应力引起煤层变形,同时对应力进行分解和传递。当煤层再次达到应力平衡时,大部分煤岩区的应力值降低,由塑性状态恢复到弹性状态。这种区域在巷道周围的煤和岩层中分布均匀,但煤层中的分布范围略大于岩层中的分布范围。尽管这种区域的应力暂时较小,但进入塑性状态后材料的弹性极限降低,因此该区域更容易重新进入塑性状态,这属于警告区域,需要注意。塑性区是破坏平衡并重新平衡后,煤和岩石的应力仍处于塑性状态的区域。该区域是应力集中、变形大、巷道瓦斯突出危险高的危险区域。

图6 煤层剖面的塑性带云图

从图6可知,相对远离工作面的巷道围岩基本上处于可塑性状态,受煤层倾角的影响较小。但是受煤层倾角的影响,工作面附近的煤层表现出更明显的塑性区。

由图7可知,非塑性区和原始塑性区的范围很少随煤层倾角而变化,而塑性区的范围受煤层倾角的影响很大。

就面积而言,当煤层倾角为0°时,煤层中的塑性区面积小于原始塑性和塑性区总面积的5%. 随着煤层倾角的增加,原始塑性区逐渐过渡为塑性区。当煤层倾角增加到25°时,煤层中塑性区的面积大约为原始塑性区和塑性区总面积的50%.

从塑性区的位置可以看到,当煤层倾角为0°时,塑性区主要分布在巷道周围。当煤层倾角为25°时,上部煤层的上半部分和巷道的底板都处于塑性状态。随着煤层倾角的增加,塑性区逐渐聚集到煤层和底板的上侧。

3 煤层倾角对巷道围岩不稳定的影响

受煤巷掘进的影响,巷道围岩由于破坏了原有的应力平衡,容易发生突出事故。但是,随着距方位面距离的增加,围岩逐渐恢复平衡。通过对比煤层在不同倾角下围岩的不稳定状态,可以得到煤层倾角对围岩不稳定区域的影响。

3.1 巷道围岩应力分析

图8是煤层剖面的最大主应力云图,从图8可以看出,不同煤层倾角下的应力云图从巷道外侧呈“弱-弱-弱”半椭圆形分布。

图8 煤层剖面的应力云图

沿煤层在掘进面上绘制一条直线,并将其标记为0水平线,0水平线垂直于巷道。然后,从前进方向向下到内部巷道每3 m设置一条平行于0水平线的直线,并将这些线分别标记为-3、-6、-9、-12、-15、-18水平线。在每条水平线上总共布置61组测量点,记录应力值并绘制水平应力曲线,见图9.

图9 测量点在不同水平上的应力曲线图

由图9可知,每个测量点的最大主应力通常随着距巷道中线距离的增加而增加,而增加的趋势则逐渐减小。根据曲线变化趋势的估计,当测量点与工作面之间的距离超过20 m时,应力会略有变化,从而使煤层的应力状态趋于平衡。

3.2 巷道围岩位移分析

图10是煤层剖面的位移云图。从图10可以看出,围岩的位移分布为半椭圆形多层结构,位移从巷道向外侧逐渐减小。通过对巷道壁面积的分析,发现煤层的位移随着距工作面距离的增加而沿巷道方向逐渐增大,这与应力分布是一致的。

记录距工作面不同距离的巷道壁位移,见图11. 由图11可看出,巷道壁位移曲线呈上升趋势,在工作面附近位移增量较大。然而,远离工作面变得越来越小,并且位移曲线逐渐趋于平坦。通过比较不同煤层倾角下的位移曲线可以看出,随着煤层倾角的增大,位移曲线逐渐增大,即巷道围岩位移整体呈上升趋势。通过曲线拟合可以发现,所有煤层倾角下的位移曲线都趋于在距工作面18～25 m趋于平稳。这意味着在距工作面约20 m的巷道周围基本恢复了平衡,但是平衡距离也随着煤层倾角的增加而增加。

图10 煤层剖面的位移云图

图11 巷道壁的位移曲线图

4 结 论

通过比较和分析煤层在不同倾角下的工作面应力分布、位移分布以及塑性区分布,探究了巷道掘进工作面突出的危险。另外,通过比较和分析不同煤层倾角下巷道围岩的应力和位移分布规律,研究了巷道掘进过程中巷道围岩的不稳定区域范围。基于以上研究,得出以下结论:

1) 不论煤层倾角的变化如何,应力集中区、位移集中区和塑性区始终位于煤层中,岩层相对稳定。

2) 随着煤层倾角的增加,开挖工作面周围瓦斯突出的危险性也随之增加,突出性高的区域沿煤层逐渐向上移动。

3) 巷道围岩不稳定区域主要集中在工作面附近,且随着距工作面距离的增加,巷道围岩不稳定性逐渐减小,在距工作面约20 m处,巷道围岩达到平衡。另外,随着煤层倾角的增加,平衡距离逐渐增大。