近距离煤层下伏工作面巷道布置及顶板控制模拟分析

2023-12-13赵启峰姜士源杨学红沈春阳

华北科技学院学报 2023年6期

庄通,田军,赵启峰,姜士源,杨学红,沈春阳

(1.华北科技学院矿山安全学院,北京东燕郊 065201;2. 山东能源枣矿集团三河口矿业有限责任公司,山东济宁 277605)

0 引言

随着开采强度增大,近距离开采愈发普遍,解决近距离开采所产生的应力集中现象和巷道维护困难等难题也显得愈发重要。为解决近距离开采煤层重复采动影响及其覆岩致灾问题,学者们采用相似模拟[1,2]、数值模拟[3-9]、理论分析[10-15]等方法,分析重复开采条件下采场覆岩的破坏演化特征,探究近距离煤层重复开采条件下采场覆岩的力学行为特征及采动破坏变形影响因素,构建重复采动条件下采场覆岩破坏失效判据,提出近距离煤层重复采动条件下采场覆岩稳定性控制对策。近距离煤层同采理论技术已趋于成熟,但对近距离煤层开采过程中各个煤层之间存在的相互影响及各煤层矿压显现规律仍待进一步研究。本文针对鲁南地区普遍存在近距离开采情况,研究近距离煤层开采过程中各个煤层之间存在的相互影响及矿压显现规律,掌握上层煤开采对下层煤开采的影响,确定巷道布置及支护方案,研究下层煤顶板控制措施,提高煤岩体强度和抗变形破坏性能,提前做好工作面顶板管控。

1 工程地质概况

1.1 煤层赋存概况

鲁西南某矿可采煤层主要为3上和3下煤层,采区内为3上煤和3下煤联合布置。上下煤层平均层间距为8.4m。根据煤层钻孔勘探,上煤层平均厚度为3.9m,煤层倾角为5～10°,平均6°,局部含0～2层夹矸,岩性多为泥岩、粉砂质泥岩,为可采的稳定～较稳定煤层。下煤层平均厚度为3.69m,煤层含夹石0～3层,岩性一般为泥岩、炭质泥岩、粘土岩,属于可采的较稳定煤层。表1为煤层钻孔柱状表。

表1 煤层钻孔柱状表

1.2 地应力参数

结合矿井实际生产情况,选定2个地应力测点,地应力分布特征如下。

(1) 最大主应力σ1为最大水平主应力σhmax,最大水平主应力σhmax的大小为9.22～10.96MPa(平均10.09MPa),方位角为18.96°～24.74°。

(2) 第二主应力σ2为最小水平主应力σhmin,大小为8.73～10.02MPa(平均为9.37MPa),方位角集中在100.45°～115.36°。最大水平主应力σhmax为最小水平主应力σhmin的1.06～1.09倍,平均1.07倍。

(3) 最小主应力σ3为垂直主应力σv,其大小为7.56～8.32MPa(平均7.94MPa),方位角为222.38°～243.06°,倾角为82.36°～85.33°。最大水平主应力σhma为垂直主应力σv的1.22～1.32倍,平均1.27倍。

(4) 地应力实测结果表明最大水平应力σhmax的方位角集中在18.96°～24.74°,平均21.85°。根据工作面布置平面图,最大水平应力方向与运输巷轴向夹角为18.53°。

2 数值模型建立

2.1 模型尺寸的设定

本文利用FLAC3D数值模拟软件建立计算模型,本构模型选用Mohr-Coulomb模型。模型长宽高尺寸为: 280m×280m×101.5m。模拟巷道开挖尺寸为4.8m×180m,上煤层的平均厚度取4.8m,工作面开挖尺寸为170.4m×180m,一次采全高,自然垮落法管理顶板。具体模型岩层力学参数见表2,计算模型及空间关系如图1所示。其中,上煤层埋深为337m,上、下煤层的平均层间取7.9m。回采巷道均为沿煤层顶板和底板掘进。

图1 数值计算模型及空间关系模型

表2 模型岩层力学参数

2.2 模型边界的设定

模型左右边界限制x方向位移,前后边界限制y方向位移,并施加随深度变化的水平压应力;下部边界限制z方向的位移;上部边界根据上煤层的埋深,施加应力边界,模拟上覆岩层对煤层施加的自重载荷。地应力条件取σx=10.1MPa,σy=9.4MPa,σz=7.9MPa作为应力边界。

2.3 模拟方案

回采巷道均为沿煤层顶板和底板掘进,用FLAC3D模拟煤层开采围岩应力分布规律,得到应力分布图并进行分析研究;继而对上煤层工作面开采对下煤层工作面的影响进行分析,得到相应应力分布图并进行分析研究。

3 数值计算结果分析

3.1 煤层开采围岩应力分布规律

上煤层工作面开采后围岩应力分布如图2所示。上煤层工作面开采后,采空区周边形成了一定范围的应力增高区,最大垂直应力27.5MPa,

图2 上煤层工作面开采围岩应力分布

峰值点距离煤壁2～4m之间,采场周边破坏范围较小,煤层开采主要采动范围约为40m。

上煤层工作面推进过程中围岩应力分布如图3所示。工作面超前距离8.2m处出现最大峰值垂直应力,大约为18MPa。

图3 上煤层工作面推进超前支承压力分布

上煤层工作面开采之后,采空区中部围岩应力逐渐恢复至原岩应力,说明工作面覆岩垮落充分。采空区顶板垮落矸石自重及其垮落冲击动能使得煤层底板应力重新分布,部分区域产生塑性区。为分析上煤层开采后对底板下方的影响,分别截取底板下方2m、4m、6m、8m、10m深处的垂直应力云图,如图4所示。

图4 上煤层采空区底板不同深度岩层垂直应力分布平面图(续)

图4 上煤层采空区底板不同深度岩层垂直应力分布平面图

由图4可知,工作面采空区两侧实体煤壁内侧约10m位置下方形成应力集中区,在实体煤壁内侧10m位置下方2m的最大垂直应力约20.8MPa;在煤壁内侧10m位置下方4m的最大垂直应力约18.9MPa;在煤壁内侧10m位置下方6m的最大垂直应力约17.5MPa;在煤壁内侧10m位置下方8m的最大垂直应力约16.7MPa;在煤壁内侧10m位置下方10m的最大垂直应力约16.1MPa;总体来看,随着底板深度的增大,垂直应力呈减小趋势。

3.2 上煤层工作面开采对下煤层的影响分析

为了分析上煤层开采对下煤层的影响,绘制上煤层工作面开采后数值模型自下而上垂直应力分布图,如图5所示。

由图5可知,上煤层工作面开采后,应力释放效应明显,下煤层工作面正下方,自模型底部向上应力逐渐升高,在下煤层和上煤层位置处,采场的垂直应力降低至1.5MPa,相较于原岩应力降低了78.5%,很好地起到了保护下位煤层开采的作用。

上煤层工作面开采后,在采空区两侧实体煤壁下方出现应力集中现象,上煤层底板不同距离处煤壁侧垂直应力和应力集中系数如图6和图7所示。随着距离上煤层底板距离的增加煤壁侧的垂直应力和应力集中系数逐渐下降,在下煤层处,煤壁侧的最大垂直应力和应力集中系数分别为16.7MPa和2.38。因此,下位煤层开采时要考虑上煤层开采后未采煤壁侧的应力集中。

图6 上煤层底板不同距离处煤壁侧垂直应力

上煤层开采后底板不同深部下工作面倾向应力分布如图8所示。图8中2m、4m、6m、8m、10m,分别代表自上而下距离上煤层底板垂直距离。由图8可知,上煤工作面开采后工作面下方一定区域内应力急速下降,而在未采工作面的煤壁侧出现应力集中现象,应力集中的峰值应力处随距离上煤层底板距离的增大而逐渐向煤壁深处转移,同时应力集中程度也逐渐降低。图8中8m的曲线约为下煤层的位置处,此时峰值应力约距上煤层工作面约10m位置处。

图8 上煤层开采后底板不同深部下工作面倾向应力分布图

相较于原岩应力,上煤层开采后工作面下方应力开始降低点位于距上煤层回采巷道约6m处,距离巷道侧越远应力降低越大,但当距离达到25m后,应力不再降低,此时上煤层的卸压值达到最小值,如图9所示。根据上煤层底板应力分布特征,可将上煤层开采对下煤层应力影响区域分为应力增高区、应力稳定区和应力降低区,由此可知,下煤层开采时,为了减轻上煤层开采的影响,应将下位回采巷道布置在应力稳定区或应力降低区,即沿上煤层内错距离大于6m的区域布置。

图9 近距离煤层开采底板岩层应力分区图

4 下煤层回采巷道合理布置和稳定性分析

4.1 下煤层回采巷道位置布置

近距离煤层下行开采中,上位煤层开采后造成下位煤层采场围岩应力发生改变,为了减小上位煤层开采对下位煤层回采巷道稳定性的影响,科学合理布置回采巷道是下位煤层安全高效开采的关键。近距离煤层回采巷道布置方式主要有3种,分别是重叠式布置、外错式布置和内错式布置。基于前文关于上煤层开采对下煤层开采的影响分析结果,确定外错式和内错式两种布置方式的距离为6m。建立三种巷道布置方案的数值分析模型,如图10所示。

图10 下位回采巷道布置方式

其中,巷道断面设计参数如下:材料巷断面为矩形断面,净高为3.9m,净宽为4.8m。材料巷岩巷断面为三心拱断面,净高为3.9m、净宽为4.8m。运输巷断面为矩形断面,净高为3.9m,净宽为4.8m。运输巷岩巷断面为三心拱断面,净高为3.9m、净宽为4.8m。切眼采用矩形断面,净高3.5m,净宽7.9m。

回采巷道掘进后三种布置方式对应的巷道围岩变形曲线如图11所示。由图11可知,巷道布置方式对围岩变形影响较大,围岩变形呈现出外错式、重叠式、内错式依次减小的规律。因此,为了降低下位煤层回采巷道围岩应力,降低巷道围岩变形,选用内错6m方式布置下位煤层回采巷道。

4.2 下煤层回采巷道支护参数确定

在无支护情况下,下位回采巷道两帮位移大约250mm,底鼓175mm,顶板下沉80mm。为了提高回采巷道围岩强度和抗变形破坏性能,结合下煤层的实际情况和数值分析结果,确定下位回采巷道支护参数。

单独使用锚索支护可以满足切眼支护需要;但是在3下煤层开采中,为了加强巷道支护强度,顶部采用一排锚杆、一排锚索的支护方式。顶部采用Φ20mm×2400mm的左旋无纵肋高强预应力锚杆,每排布置10根;锚索规格为Ф21.8mm×5000mm,每排布置4根。锚杆间排距为800mm×800mm,锚索间排距为1600mm×1600mm;帮部采用Φ20×2200mm的左旋无纵肋高强预应力锚杆,每排布置10根,锚杆间排距为900mm×800mm;同时使用单体液压支柱加强支护,规格为DW45-250/110X单体,每排布置2根,间排距为3500mm×1000mm,配合使用HDJB-1000一字铰接顶梁。

4.3 煤层内错布置巷道稳定性分析

根据以上回采巷道支护方案建立数值模型,数值模型支护图如图12所示。分析在该支护条件下回采巷道内错6m时煤层开采回采巷道围岩应力分布和变形情况。

由图13可以看出,当下位煤层回采巷道内错6m时,巷道位于上部采空区的卸压范围内,巷道顶板的应力明显降低,应力范围在1.7～5.2MPa。由此可知,采用内错布置可较好的降低顶板应力,有利于巷道顶板的稳定性控制。

图13 下煤层回采巷道内错6m沿工作面倾向垂直应力分布曲线

上煤层开采平衡后,对下煤层进行开采模拟。图14为不同开采距离下煤层采区的应力场分布图,由图14可知,在回采过程中采场周边实体煤会产生应力集中,回采巷道巷旁应力集中位置距巷道边缘约16m。在工作面回采过程中,工作面前方一定区域内会产生超前支承压力峰值,但由于上部采空区卸压效果,应力集中值较小,约为3～6MPa,小于原岩应力。

图14 不同开采距离下下煤层采场垂直应力分布

下煤层不同开采距离下沿工作面走向的支承应力和峰值支承压力分布如图15、图16所示。由图可知工作面前方的峰值应力位于工作面前方约10m处,峰值应力随开采距离的增大逐渐增大,当达到稳定开采时,峰值应力逐渐趋于稳定并达到最大值,最大峰值应力约为6.0MPa,小于原岩应力,由此可知受上覆采空区的影响下位工作面开采的支架压力会得到显著降低,巷道的稳定性也得到加强。