上解放层开采解放作用机理数值模拟研究

吕长国,窦林名,徐长厚,张明伟,郑有雷

(1.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州 221008;2.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221008;3.兖州煤业股份有限公司济宁三号煤矿,山东邹城 272069)

上解放层开采解放作用机理数值模拟研究

吕长国1,2,窦林名1,2,徐长厚1,张明伟1,2,郑有雷3

(1.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州 221008;2.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221008;3.兖州煤业股份有限公司济宁三号煤矿,山东邹城 272069)

为实现大埋深冲击矿压煤层的安全高效回采,依据济三煤矿十二采区工作面地质条件及开采参数,对上解放层工作面开采过程中围岩的应力、变形规律进行数值分析及地应力的现场实测分析。研究结果表明：开采解放层会改变被解放层原岩应力分布状态;开采解放层破坏顶底板岩层结构,提前释放高位岩体弹性能,改善被解放层开采中能量积聚与释放的空间分布状况;随解放层工作面的推进,下方被解放层应力会经历采前应力升高、采后应力降低和应力逐渐稳定 3个阶段;数值分析结果和现场测定卸压效果基本吻合。研究成果为工作面开采布置提供借鉴,具有一定的理论意义与实用价值。

冲击矿压;解放层;数值模拟;解放作用机理

冲击矿压是世界范围内煤矿矿井中最严重的灾害之一,尤其随着我国煤矿开采深度的增加,以及开采条件越来越复杂,冲击矿压现象越来越多,危害也越来越大[1]。《冲击地压煤层安全开采暂行规定》第十五条明确规定,冲击矿压煤层开采设计应首先开采解放层。解放层开采技术是最有效的战略性措施,是防治冲击矿压的有效和带有根本性的区域性防范措施[2-3]。

大量实践和研究表明,解放层的开采改变岩层运动规律,降低煤与瓦斯突出危险,增大煤层透气性,有利于瓦斯抽采工作[4-10]。但对上解放层开采,降低煤层冲击危险性的卸压效果和解放作用机理研究较少,本文结合兖州煤业集团济宁三号煤矿的实际开采条件,运用数值模拟和现场实测方法,分析研究了上解放层开采过程中被解放层应力分布和煤岩移动变形规律,分析卸压解放机理,为具冲击倾向煤层安全开采合理布局提供借鉴。

1 工程概况

济宁三号煤矿主采煤层为 3上煤和 3下煤,其中3下煤层冲击倾向性较强。随着开采深度及范围的扩大、地质构造日趋复杂,原岩应力及围岩移动释放的能量强度增大,矿井冲击危险性逐年升高。

上解放层 123上04工作面为十二采区 3上煤层首采工作面,对应 3下冲击倾向煤层 123下03工作面。123上04工作面标高 -555.8～-652.6m,平均为 -610.5m;该面走向长 2196.0m,倾斜长 150.4m;3上煤层结构简单,煤层倾角 0～12°,平均 3°,大部分厚度 1.4m以上,最大厚度 2.2m,平均1.72m;3上煤层直接顶为粉砂岩及细粉砂岩互层,直接底为泥岩,老底为坚硬中砂岩及细粉砂岩互层;3下煤厚度 5.80～7.36m,平均 6.86m,3上煤、3下煤间距 32.33～41.79m,平均 34.27m。

2 模型的建立

2.1 数值模型及边界条件

模拟解放层工作面开采过程,工作面开采影响范围很大,但模型范围有限。为建立本次研究所需的有限范围分析模型,消除边界约束对分析结果的影响,数值模型的始采线位置距模型边界 110m,终采线距模型边界 110m,3上煤层的开采方向从左到右,开采长度为 180m,数值模型宽度为 400m。模型覆盖实际煤岩体的范围为 3下煤底板下 26.6m至 3上煤顶板以上 83m,数值模型高度为 150m。研究范围的煤岩体以砂岩、黏土岩为主。

模型底边界采用全约束条件,即左右移动和上下移动均受限制;模型的左右边界施加水平约束条件,即限制左右移动,但可上下移动,使边界岩体不至于影响内部岩体的应力迭代计算。模型的顶边界根据上覆岩层重力产生的均布载荷,施加应力边界条件[11]。力学模型如图 1所示。

图1 保护层开采数值模拟力学模型

2.2 岩层属性及开采方法

本次数值模拟煤岩层物理力学参数基本由岩石力学试验测定数据确定,参照位于 123上04面的 C4-4钻孔资料。

保护层开采后周围 (煤)岩层移动、变形、破坏是渐变过程,伴随工作面的向前推进,采空区范围的不断扩大,应力的不断调整而逐步发展变化。为掌握其发生和发展演化规律,对工作面开采过程进行数值模拟,使之转化成更符合实际的动态问题。为此,保护层开采采用分步开挖的开采方式,一次采全高,结合工作面的实际推进进度,每5m为 1个开采步距,以垮落法处理顶板。

3 模拟结果分析

3.1 被解放层应力变化规律

距离开切眼 80m的 3下煤层中部及其上覆顶板5m处设置监测点,监测垂直应力,垂直应力随工作面推进距离的变化曲线如图 2所示。沿工作面走向,解放层 3上煤层开采过程中,被解放煤层内垂直应力分布情况如图 3所示。

图2 监测点垂直应力动态变化规律

图3 3下煤层垂直应力随回采距离的分布规律

由图 2应力变化曲线可知,随解放层工作面的推进,3下煤层及其顶板中的垂直应力经历了采前应力升高、采后应力降低和应力逐渐稳定 3个阶段。如图 3所示,解放层的开采范围对被解放层有较大影响,解放层开采初期,解放层开采对被解放层煤体垂直应力影响较小,当回采 45m时,3下煤层垂直应力有所降低,煤层卸压程度与范围都较小,卸压效果不明显。随着工作面向前推进,由于3上煤层底板岩层的移动,采空区下方一定范围内被解放层垂直应力进一步降低,被解放层卸压效果逐渐增强并趋于稳定,这也大大降低了煤层开采过程中发生冲击矿压等动力灾害的危险性。当卸压范围进一步增大,由于底板岩层的进一步移动,解放层采空区后部重新被压实,被解放层的垂直应力有所升高,并且最终稳定在较原岩应力低的 13.6MPa左右。

同时由于 3上煤层底板岩层的应力传递作用,使解放层开切眼煤柱区和工作面下方煤体形成应力集中区,3下煤层对应上解放层开切眼内侧 15～20m范围,垂直应力降至原岩应力水平,因此,在3下煤层开采设计中,开切眼要与 3上煤层开切眼内错 15～20m,避开高应力集中区。

3.2 被解放层位移变化规律

图4为 3下煤层垂直位移值随解放层回采距离变化规律。

图4 3下煤层垂直位移随回采距离的分布规律

如图 4所示,由于上解放层开采使上覆岩层应力重新分布,被解放层的应力得到释放,被解放层一定范围内出现明显的膨胀变形,降低被解放层的弹性能,并有效降低了冲击危险性,从而使被解放层得到充分保护,其中被解放层中部位置的膨胀变形最大,卸压最充分。随着解放层开采距离增大,膨胀变形区也随之变大。同时,被解放层一定范围内煤层被压缩,解放层开切眼后方 20m的被解放层煤柱,解放层工作面前方 10～20m被解放层煤体压缩变形最大,对应位置支承压力出现最大值。

被解放层水平位移随采煤工作面推进距离的变化关系如图 5所示,图中纵坐标为被解放层水平位移,大于零表示煤体移动方向与回采方向一致,反之与回采方向相反。

图5 3下煤层水平位移随回采距离的分布规律

如图 5所示,解放层开采后,被解放层卸压区煤层水平变形出现 2个区域,采空区前半部分对应煤层的水平移动方向与回采方向一致;而采空区后半部分对应煤层的水平移动方向与回采方向则相反。卸压区煤层在工作面支承压力的作用下,向中间挤压变形,中间煤体水平移动不对称,增加该区域煤体机械破坏,有利于 3下煤层次生裂隙的发育,降低了 3下煤层的弹性潜能。解放层工作面回采135m,水平位移值较回采 90m时低,因为随采空区的加大,上覆岩层逐步垮落压实,使得解放层变形值减小,工作面回采 180m,煤层前半部分水平位移值接近于 0mm。

3.3 解放作用机理

秦子晗、潘俊锋等通过分析被解放层围岩应力分布变化特征确定卸压效果和卸压机理[12],本文通过分析被解放层应力变化和围岩变形破裂规律,揭示解放层开采的解放作用机理。解放层工作面回采 150m时,围岩状态如图 6所示。

图6 回采 150m时围岩状态

(1)开采解放层后,改变被解放层原岩应力分布状态,减缓强矿压发生的应力水平。

(2)解放层开采后,顶板岩层出现大面积断裂冒落,破坏了顶板岩层结构,提前释放高位岩层储存弹性能,降低了冲击危险性。

(3)解放层的开采,工作面超前支承压力和采空区两端的侧向支承压力通过底板向下传递,使下部煤岩层向已形成的采空区产生移动变形,产生鼓裂区域,破坏了 3下煤层及其上覆厚层坚硬顶板的完整性,释放了顶板中积聚的大量弹性能。

(4)上层煤开采的超前支承压力使下层煤经历了一次加卸载运动,煤体强度和整体性已经受到损伤和破坏,出现膨胀破裂变形区域,减弱了储存大量弹性能的能力,开采 3下煤层时顶板弯曲下沉,在裂隙处易形成拉应力而遭断裂破坏,降低因煤层上方坚硬顶板整体活动引发冲击矿压的危险性。

(5)解放层采空区形成人造“松散破碎弱结构”,其对震动波加速度与能量的强衰减性使顶板震源能量得到充分的吸收、散射,其冲击震动能量的强耗散能力可充分保护下方煤层开采,从而能最大程度地避免由于顶板型矿震震动波导致的叠加应力场高于巷道围岩体的极限承载强度引发强矿压的发生。

通过以上解放机理的协同作用,解放层开采后,有效降低了被解放层回采的冲击危险性,起到了充分的卸压保护作用,开切眼侧模拟卸压保护角为 69°,工作面侧模拟卸压保护角为 77°。

4 现场观测结果对比分析

为对比验证数值模拟结果,对模拟区域被解放层的地应力变化进行了现场实测。观测方案如图 7所示,1至 4号应力计安装深度分别为 19m,23m,34m,30m,水平间距 2m,距离底板 1.2m左右,垂直 123上胶带巷方向施工。应力计安装位置与巷帮水平间距分别为 5m,10m,20m和 13m。

图7 被解放层应力观测方案

应力计自 2009年 7月 8日开始正常采集数据,此时 123上04工作面与其水平间距为 150m左右,2009年 9月 2日工作面采过其安装位置 190m后,应力计停止工作。解放层开采前后被解放层地应力数据见表 1。

表1 被解放层地应力实测数据

解放层开采过后,被解放层 3下煤层得到一定程度的卸压,其卸压效果如图 8所示,图中的应力释放率采用下式计算[13]：

式中,R为应力释放率,σ为煤层的初始应力(MPa),σ′为煤层卸压后的应力 (MPa)。

图8 被解放层应力释放率

由图 8可以看出,被解放层应力得到了释放,且越靠近工作面中部位置,卸压效果越理想,最大应力释放率 19.2%。而安装在工作面倾向 20m位置的 3号应力计,测得应力释放率偏低的原因是其靠近 HF75断层,煤岩破裂,初始地应力相对较小,且受工作面回采影响,断层残余构造应力易产生叠加。由此可见,实测卸压效果与数值模拟结果基本吻合,数值模拟结果可达到工程使用要求,具有可信性。

5 结论

(1)开采解放层改变了被解放层原岩应力分布状态;破坏了岩层结构,改变顶板运动规律,提前释放了积聚在高位岩体中的弹性能;破坏坚硬底板完整性,被解放煤层出现膨胀变形,改善了被解放层开采中能量积聚与释放的空间分布状况;破坏的岩体结构,增加了震动波衰减系统,降低了震动波对被解放层的作用。

(2)随解放层工作面的推进,被解放煤层及其顶板中的垂直应力经历采前应力升高、采后应力降低和应力逐渐稳定 3个阶段。

(3)现场观测结果显示,解放层开采后,被解放层应力得到释放,卸压效果理想,数值模拟结果与此卸压效果基本吻合,采用数值模拟方法研究解放层卸压效果具有可信性。

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[责任编辑：邹正立 ]

Numerical Simulation of Protective Mechan ism of Upper Protective Seam Mininig

LV Chang-guo1,2,DOU Lin-ming1,2,XU Chang-hou1,ZHANG Ming-wei1,2,ZHENG You-lei3
(1.State Key Laboratory of Coal Resources&Safe Mining,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221008,China;2.Mining Engineering School,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221008,China;3.Jining 3rdMine,Yanzhou Coal Co.,Ltd,Zhoucheng 272069,China)

In order to safely mine deep coal-seam with rock-burst liability,rule of stress and deformation of surrounding rock in mining upper protective coal-seam was simulated by numerical method and geo-stress was test on the basis of geological and mining condition of 12thmining area in Jining 3rdmine.Results were showed as follows.Mining protective coal-seam would change stress distribution state of protected coal-seam.Protective coal-seam mining would destroy its roof and floor rock structure and release elastic energy of higher strata in advance,which improve energy accumulation and release condition of protected coal-seam.With protective mining face advancing,stress in protected coal-seam would come through 3 phrases including stress increase before mining,stress decrease after mining and stress stability.Numerical simulation result was fit for on-the-spot observation data,so the results would provide reference for mining design.

rock-burst;protective coal-seam;numerical simulation;protective action mechanism

TD823.84

A

1006-6225(2011)02-0012-04

2011-01-10

国家重点基础研究发展规划 (973)资助项目 (2010CB226805),煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究课题资助项目(SKLCRS M10X05);国家自然科学基金资助项目 (50490273,50474068)。

吕长国 (1985-),男,山东淄博人,硕士研究生,主要从事矿山压力、冲击矿压、采矿地球物理等方面的研究。