四臺礦極近距離煤層采空區(qū)下圍巖承壓性能模擬分析
| 隨著礦井開采年限的增加，四臺礦上組煤層基本采完，已逐步開始轉入開采下組煤層，由于上下煤層層間距大多很近，在開采過程中下部煤層頂板受上部煤層開采的影響很大，掘進及回采過程中的頂板維護困難，在開采11#層404盤區(qū)極近距離煤層的過程中，我們采用理論分析和數(shù)值模擬的方法對大同礦區(qū)“兩硬”條件下開采極近距離煤層進行了研究分析，得出了比較合理的極近距離煤層劃分及工作面圍巖的力學性能和承壓性能。 1 盤區(qū)概況 404盤區(qū)所處的開采水平為1045水平，盤區(qū)走向長度1340～1770m，傾斜長度1180m，上部10#層已回采結束，下部煤層包括11#層和盤區(qū)中部1000m段11#層與12-1#層合并層，厚度20～74m，平均厚度40m，煤層傾角1～6°，平均3°，煤層與10#層層間距04～178m，大部分區(qū)段為04～15m，平均1m，11#層平均埋深為230m。 404盤區(qū)內地質構造復雜，有陷落柱4個，斷層分布較密集。11#層頂板為粉細砂巖互層，層理、節(jié)理、裂隙發(fā)育，穩(wěn)定性差，掘進和回采時頂板不易維護，易發(fā)生漏頂事故。 2 數(shù)值模擬分析煤層及頂?shù)装辶W參數(shù) 我們以11#層404盤區(qū)首采工作面8423工作面的煤層開采條件作為模擬原型，煤層柱狀圖如圖1所示，通過實驗室測試煤巖層力學參數(shù)見表1所示。模擬范圍和邊界條件依據(jù)現(xiàn)場實際情況確定，采空區(qū)冒落的矸石考慮為松散介質。隨著工作面推進，矸石在覆巖作用下逐步被壓實，其密度ρ、彈性摸量E和泊松比μ隨時間呈指數(shù)變化關系，最終達到恒定值。根據(jù)已有研究，ρ、E和μ變化規(guī)律可由以下經(jīng)驗公式表示：（略） 表1 煤層及頂?shù)装鍘r層力學參數(shù)表（略） 圖1 11#層404盤區(qū)8423工作面柱狀圖?。裕?BR> 3 上部煤層開采底板巖層塑性屈服特征 31 根據(jù)彈性理論確定底板巖層的塑性屈服特征 由于煤層的開采引起回采空間圍巖應力重新分布，不僅在回采空間周圍的煤體上產(chǎn)生應力集中，而且該應力會向底板深部傳遞。對于長壁工作面，沿工作面推進方向上的采空區(qū)空間斷面為矩形，開采高度遠遠小于開采寬度。在遠離采場的地方，豎直方向受原始自重應力q=γH的作用，水平方向受原始水平應力λq的作用，其中λ為水平應力系數(shù)。利用彈性理論及莫爾—庫侖準則，可以求出開采層邊緣下方由于應力集中導致的底板巖體塑性屈服深度h為：（略） 底板巖體的******塑性屈服深度hy為：（略） 該******值在圖2所示采場邊緣巖體塑性屈服區(qū)域中θ=-7484°時取得（負號表示圖2中x軸順時針旋轉）。 上式表明，采場邊緣底板巖體******塑性屈服深度與工作面開采寬度成正比，與巖體中自重應力的平方成正比關系，與巖層自身單軸抗壓強度平方成反比關系。 圖2 采場邊緣巖體塑性屈服區(qū)域（略） 底板巖體******塑性屈服深度與工作面端部的水平距離LP為：（略） 按照極近距離煤層的定義，極近距離煤層層間距離hj應滿足下式：（略） 巖層的單軸抗壓強度受節(jié)理、裂隙發(fā)育程度的影響較大。四臺礦近距離煤層之間的巖層多為砂巖類，通過實驗室煤巖力學測試，得到的此類巖石塊體的單軸抗壓強度在552～6563MPa，巖層的節(jié)理裂隙影響系數(shù)一般為030～055，采場上覆巖層的平均容重為25kN/m3，煤層平均埋深230m，工作面長度為150m，由上式計算得到的極近距離煤層的間距為418～592m之間。 圖3 底板巖層的垂直應力集中系數(shù)分布曲張（略） 32 底板巖層塑性屈服特征數(shù)值模擬 本模型以11#層8423工作面開采條件為模擬原型，建立數(shù)值分析模型。經(jīng)過數(shù)值計算得出上部10#層工作面開采后底板應力集中系數(shù)分布和塑性屈服區(qū)域，如圖3、圖4、圖5所示。 從圖3、圖4可以看出，在距開采層3m的底板截面上，應力峰值在煤壁前577m。在工作面推過后應力由185γH急劇降至052γH（γH為原巖應力），應力差高達133γH。遠離開采層時，應力變化平緩，在深度8m處工作面推進前的******應力為167γH（應力峰值在煤壁前759m）。工作面推過后的最小應力為065γH，應力差為102γH。隨著采空區(qū)逐漸壓實，工作面前后方底板巖層應力有小幅度的升高，如在10m深的截面上，在工作面后方40m處應力可恢復到10γH，上述情況是由于采空區(qū)冒落矸石逐漸壓實后向底板傳遞的結果，底板應力傳遞影響角δ約19°。不同位置的豎向剖面上，σz的分布不論是在采空區(qū)還是工作面前后方煤體所作的豎向剖面上，σz最終都趨于原巖應力。 圖4 底板不同深度巖層的應力集中系數(shù)分布曲線（略） 應用莫爾—庫侖準則，采用直線型包絡線計算底板巖層的剪切塑性屈服區(qū)分布。巖層塑性屈服區(qū)判斷公式：（略） 如圖5為工作面底板塑性屈服區(qū)數(shù)值模擬結果，通過計算，剪切塑性屈服區(qū)的分布特點如下。 由于底板受工作面超前支承壓力影響，采空區(qū)下方底板以剪切塑性屈服為主。 圖5 底板巖層的剪切塑性屈服系數(shù)分布曲線（略） 底板屈服范圍的確定：取安全系數(shù)SF=1時，底板屈服范圍在工作面煤壁前方165m、底板塑性屈服深度為53m；底板53m以下的SF＞1，說明底板53m以下巖層內沒有剪切塑性屈服出現(xiàn)。 由于工作面持續(xù)向前推進，底板塑性屈服區(qū)范圍隨之向前移動。巖石塑性屈服后具有不可逆性，最終導致采空區(qū)下方深度為53m（取SF=1）范圍內的巖層受工作面采動影響而發(fā)生塑性屈服。 4 結論 ?。?）運用彈塑性理論確定“兩硬”條件下上部煤層底板巖體******損傷，其深度的計算公式為：（略），確定大同礦區(qū)“兩硬”條件下煤層層間距6m以下的煤層為極近距離煤層。 ?。?）數(shù)值模擬結果表明，11#層8423工作面底板應力傳遞影響角δ約為19°。采空區(qū)下方底板以剪切塑性屈服為主，在工作面煤壁前方約165m至采空區(qū)長度范圍內的底板不同程度上產(chǎn)生剪切塑性屈服，塑性屈服******深度約為53m。 |
