近距离煤层煤巷掘进底板防突岩柱厚度数值分析＊

宁 俊 林柏泉 张志雨 孟 杰 张萌博

(1.煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏省徐州市,221008;2.中国矿业大学安全工程学院,江苏省徐州市,221116)

近距离煤层煤巷掘进底板防突岩柱厚度数值分析＊

宁 俊1,2林柏泉1,2张志雨1,2孟 杰1,2张萌博1,2

(1.煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏省徐州市,221008;2.中国矿业大学安全工程学院,江苏省徐州市,221116)

以平煤股份五矿己-1532020掘进工作面为研究对象,针对该掘进工作面处于近距离煤层上保护层内、掘进巷道底板与被保护层的间距过小、掘进过程中可能发生下部突出煤层冲破底板岩柱而导致煤与瓦斯突出的情况,运用FLAC3D对底板防突岩柱厚度进行模拟研究,结果表明,在围岩均质完整情况下,煤巷掘进的最小预留防突岩柱厚度不应小于2.5 m,结合现场实际,安全岩柱厚度应不小于3 m。

近距离煤层煤巷掘进 煤与瓦斯突出 底板突出 安全岩柱

在上保护层内的巷道掘进过程中,巷道底板岩柱处于一定的地应力和瓦斯压力共同作用之下。如果巷道与被保护层之间的岩柱厚度不足,在强大的地应力和瓦斯压力作用下,就有可能造成瓦斯冲破顶底板岩柱,发生煤与瓦斯突出的危险。因此确定合理的预留安全岩柱厚度,对于保证保护层内煤巷安全高效掘进具有重要意义。

目前在对岩土工程和采矿工程问题进行研究时,人们常采用将理论分析、相似材料模型以及数值模拟相结合的研究方法,其中数值模拟研究方法能较全面、精确地获得巷道围岩的移动变形和应力变化,为进一步确定合理的安全岩柱厚度提供支持。本文对巷道围岩应力分布状态及稳定性进行分析,在此基础上,指导数值模拟模型的建立,通过数值模拟分析从理论上研究巷道与被保护层之间的合理安全岩柱厚度。

1 巷道围岩应力分布状态及稳定性分析

1.1 深埋巷道弹塑性分布的二次应力状态

巷道掘进开挖后,巷道周围岩体的应力状态发生了变化,这种被改变了应力状态的岩体称为围岩,围岩范围的大小与岩体的自身特性有关。围岩的二次应力状态就是指开挖后岩体经应力重新分布后的应力状态。因此,围岩的二次应力状态与岩体自身的力学性质和岩体的初始应力状态有关。

对于埋深较大的高应力巷道,由于作用于岩体上的初始地应力较大或岩体的强度较低,巷道掘进后,巷道周围部分岩体应力超过了岩体的屈服强度极限,使这部分岩体处于塑性状态。巷道壁面以内的岩体,随着与巷道壁面距离的增大,最小主应力也逐渐增大,内部岩体强度逐渐提高,使岩体处于弹性状态。因此,巷道围岩的二次应力状态一般为弹、塑性分布。处在弹、塑性分布中的巷道必须进行支护,否则巷道周围的岩体将会失稳,影响巷道的正常使用。

1.2 最大水平应力方向与巷道稳定性

巷道掘进开挖造成巷道围岩应力重新分布,垂直应力向巷道两帮转移,水平应力向顶、底板转移,因而垂直应力的影响主要显现在两帮,而水平应力的影响则主要显现于顶、底板岩层。

图1 不同掘进方向的巷道受力情况

方向呈正交关系的最大水平主应力和最小水平主应力在量值上通常相差较大,因此,水平应力对巷道顶、底板影响具有明显的方向性。与最大水平主应力呈不同角度掘进的巷道将经受不同程度的应力集中影响,相应的巷道状况也会有显著的差别,见图1。

分析认为:当最大水平主应力与巷道掘进方向平行时,水平应力对巷道的影响最小,最有利于顶底板的稳定;当最大水平主应力以一定角度与巷道斜交时,巷道一侧出现应力集中而另一侧出现应力释放,因而顶底板的变形破坏会偏向巷道的某一侧;当最大水平主应力与巷道掘进方向相垂直时,水平应力对巷道影响最大,最不利于顶底板的稳定。因此,在随后进行的数值模拟计算中,就应该按照最不利的情况建模(即巷道走向与最大水平应力垂直),分析确定安全岩柱厚度。

2 数值模拟分析

2.1 模型的建立

FLAC3D软件包含11种材料本构模型,其中1种空单元模型,3种弹性材料模型和7种塑性模型。摩尔-库伦模型属于塑性模型的一种,该模型的破坏包络线对应于摩尔-库伦判据(剪切屈服函数)加上拉伸分离点(拉应力屈服函数),与拉应力流动法则相关联而与剪切流动不相关联。针对在煤岩体中开凿巷道,根据上面对巷道周围围岩应力场的分析,认为采用摩尔-库伦模型能达到最好的模拟效果。

2.2 模型的参数设置

数值模拟以平煤股份五矿三水平己-1532020采面地层条件为原型,模拟32020采面上保护层己-15煤层内巷道的掘进过程。巷道掘进沿己-15煤层顶板综掘施工,巷道高度3.5 m。

由于己-15煤层厚度约为1.7 m,巷道施工中会开掘一定厚度的己-15煤层底板。而己-15煤层与己-16、17煤层最小层间距仅为3.3 m,这就使得巷道底板距己-16、17煤层的最小间距不足1.5 m。因此,将模拟在不同的岩柱厚度情况下,巷道底板的移动变形、应力变化、塑性区分布等规律,为确定合理的预留安全岩柱厚度提供指导,确保己-15煤层煤巷的安全高效掘进。

摩尔-库伦模型所需参数包括围岩密度、体积模量、剪切模量、摩擦角、粘聚力和剪胀角。由于实验室物理力学性质实验得到的岩石力学性质比岩体的物理力学参数要大,根据前苏联恩·默罕默德(N.Mohammand)等专家在大量现场试验和实验室试验的结果,总结出了现场测得的数据与实验室测得数据的一些比值关系如下:

(1)现场测得的弹性模量y和实验室测试的弹性模量x之间的关系:y=0.469x;

(2)现场测试的抗拉强度y和实验室测试的抗拉强度x之间的关系:y=0.5x;

(3)现场测试的泊松比y和实验室测试的柏松比x之间的关系:y=x。

谢文兵等将以上规律应用到FLAC3D模拟中,经大量数值模拟结果验证,证明其规律在数值模拟中是可靠的。依照此规律对己-15煤层顶、底板岩体的物理力学参数折减后得到岩体物理力学参数见表1。

表1 模型材料力学参数

2.3 模拟方案

依据己-1532020采面地层条件,对实际巷道考虑其主要因素,对模型进行简化,建立的模型外部尺寸为40 m×24 m×38 m。本次试验模拟了岩柱厚度分别为1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m和4 m共7种情况下的巷道掘进情况,因此各模型的网格划分有所不同,图2为3 m岩柱厚度下的模型计算网格图。

图2 3 m岩柱厚度计算网格图

由于己-1532020采面为深部开采,埋深900～1000 m,因此模型采用人工边界。根据矿方提供的地应力资料,本计算模型的边界条件如下:在模型顶部采用应力边界条件,即垂直应力σV=27 MPa。其他边界使用位移边界条件,即单约束边界,在模型的地面约束所有Z方向的自由度,在平行于巷道走向的两侧约束X方向上的自由度,垂直于巷道走向的两侧约束Y方向的自由度。

在所有采矿工程开始开挖和构造之前,都有一个原始应力状态。FLAC3D中,通过设置初始条件(initial命令)来模拟这种原始状态。在此,施加27 MPa的垂直应力(S ZZ),考虑到最大水平应力垂直于巷道走向时对巷道的影响最大,故施加30.5 MPa的最大水平应力(S X X),方向垂直于巷道走向,施加19 MPa的最小水平应力(S YY),方向平行于巷道走向。考虑到己-16、17煤层实测的瓦斯压力较大,不能忽视瓦斯压力对顶底板岩柱的影响,而瓦斯压力实质上为瓦斯膨胀能的作用,因此把瓦斯压力简化为垂直于煤层作用在顶底板的力。

根据现场的实际掘进情况,模型每次掘进1 m。

2.4 结果分析

为了研究最小预留安全岩柱的厚度,选取了底板拉应力和位移量两个分析指标,同时结合巷道掘进后的围岩塑性分布情况进行综合判定。

根据模拟结果,在地应力和瓦斯压力共同作用下,最大应力集中区主要发生在巷道底角部,而最大拉应力出现在巷道底板的中部,因此主要的控制区是在巷道的底板。分别模拟了4 m、3.5 m、3 m、2.5 m、2 m、1.5 m和1 m岩柱厚度下,巷道开挖后的变形情况。各情况下的位移量和最大拉应力见表2,曲线图见图3和图4。

表2 巷道底板应力及变形量

从表2、图3和图4可以看出,预留岩柱厚度大于2.5 m时,巷道底板的拉应力和垂直方向位移量随岩柱厚度的减小而缓慢增加;当预留岩柱在2～2.5 m之间时,拉应力和位移量的增速有所增加,但绝对值增加不显著;当预留岩柱小于2 m时,拉应力急剧增加,当预留岩柱减少到1 m时,拉应力达到1.57 MPa,比2.5 m时的拉应力增大了近1倍。因此,2.5 m的厚度可以看成是底板岩柱稳定性的临界厚度。

同时,围岩的塑性变形也是影响围岩稳定性的一个重要因素,巷道围岩的塑性分布如图5～图8。FLAC3D在每个计算循环中,各区域(zone)都根据破坏准则(failure criterion)因受剪(shear)或受拉(tension)而处于不同的塑性状态,n和p分别表示在现在(now)和以前(previous)循环中所处的塑性状态。

图5 岩柱厚度3 m塑性松动区分布图

从图5～图8可以看出,当岩柱厚度大于2.5 m时,巷道塑性单元较少,且基本稳定;当岩柱厚度小于2.5 m时,巷道底板的塑性松动单元急剧增加;当岩柱厚度为1.5 m时,底板下的己-16、17煤也出现了较大范围的塑性变形区。因此,结合前面对底板拉应力和位移量从力学角度分析认为,在围岩均质完整情况下的煤巷掘进的最小预留防突岩柱厚度不应小于2.5 m。考虑到在现实情况下围岩的非均质性及岩体裂隙等因素的影响,在无地质构造和岩体较完整的情况下,现场掘进时预留安全岩柱厚度应不小于3 m。

3 结论

本文先对巷道围岩应力分布状态及稳定性进行分析,进而对近距离上保护层巷道掘进进行计算机数值模拟。通过分析,确定了底板拉应力和位移量两个可行的研究指标,并结合现场实际对巷道围岩塑性松动区分布的比较分析,确定了己-1532020采面上保护层内煤巷掘进时,巷道底板与被保护层之间的最小防突岩柱厚度为3 m。

[1] 郭勇义,何学秋,林柏泉.煤矿重大灾害防治战略研究与进展[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003

[2] 周世宁,鲜学福,朱旺喜.煤矿瓦斯灾害防治理论战略研讨[M].徐州:中国矿业大学出版社,2001

[3] 钱鸣高、石五平.矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003

[4] N.Mohammand.The Relation between in situ and Laboratory Rock Properties Used in Numerical Modeling[J].Int.J.Rockmech.Min.Sci.1997(2)

[5] 谢文斌、陈晓祥.采矿工程问题数值模拟研究与分析[M].徐州:中国矿业大学出版社,2005

Numerical analysis on outburst prevention of floor rock column during excavation in contiguous coal seams

Ning Jun1,2,Lin Boquan1,2,Zhang Zhiyu1,2,Meng Jie1,2,Zhang Mengbo1,2

(1.State Key Laboratory of Coal Resources and Mine Safety,Xuzhou,Jiangsu 221008,China;2.China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China)

The F15-32020 working face of the 5thCoal Mine of pingdingshan Tian’an Coal Mining Company Ltd.was located in the upper protective coal seam.The distance between the floor and the protected coal seam is too short,which possibly induces coal seam to break through floor rock and causes the coal and gas outburst during excavation.The reasonable thickness of floor rock column for outburst prevention was obtained by using FLAC3Dnumerical calculation program.The results showed that the minimum thickness of rock column during evacuation should not be less than 2.5 m for the uniform and integrated surrounding rock according to mechanical analysis.In view of the practical operation,the safe thickness of protective rock column should not be less than 3 m.

contiguous seams coal drift excavation,coal and gas outburst,floor burst,protective rock column

TD713.31

A

国家重点基础研究发展计划资助(973计划)(2011CB201205);国家自然科学基金资助项目(51074161)

宁俊(1985-),男,山东泰安人,硕士研究生,从事煤矿安全监测和安全管理等方面研究。

(责任编辑 梁子荣)