杜兒坪礦8#煤層頂板兩帶高度數(shù)值模擬研究

王建鵬，張 軍，

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.山西焦煤集團有限責(zé)任公司杜兒坪礦，山西 太原 030026；3.華北科技學(xué)院科技管理處，河北 三河 065201)

綜采工作面上覆巖層運移規(guī)律、礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及受力狀態(tài)分析，有很多專家進行過詳細的理論分析、模擬及現(xiàn)場實測研究，取得了一大批研究成果，對綜采工作面設(shè)備選型及回采工藝的優(yōu)化提供了良好的技術(shù)支持[1-7]。但是將上覆巖層受力狀態(tài)及破壞形態(tài)的研究成果應(yīng)用到裂隙帶高度分析領(lǐng)域的研究較少。杜兒坪礦是高瓦斯礦井，目前開采的8#煤層是主采層，但由于工作面開采過程中瓦斯超限現(xiàn)象頻繁發(fā)生，嚴重影響了工作面的安全正常生產(chǎn)。主要原因是裂隙帶高度確定不準(zhǔn)、瓦斯高位抽采效率不高，不能有效解決瓦斯在工作面上隅角積聚的問題，本文擬通過對開采煤層上覆巖層受力狀態(tài)及破壞形態(tài)的數(shù)值模擬研究，分析確定裂隙帶發(fā)育高度，并應(yīng)用現(xiàn)場實測手段對數(shù)值模擬分析結(jié)果進行驗證，為綜采工作面裂隙帶高度的分析計算提供了新的有效方法。

1 模型建立

1.1 模型參數(shù)設(shè)置

模擬實驗依據(jù)杜兒坪礦8#煤層68303工作面的煤巖層地質(zhì)條件進行研究。主采8#煤層平均厚度4.7m，傾角2～3°，工作面長度240m，平均埋深422m。走向模型兩邊各留60cm的邊界，以消除邊界效應(yīng)；模型中采高4.7cm，模型每次開挖20m。

巖石的破壞一般是由于其巖石內(nèi)部剪張力作用的結(jié)果，巖體的破壞可理解為“塑性破壞”。當(dāng)巖石達到屈服極限之前，可將巖石的變形視為彈性變形，達到屈服極限后則顯示為塑性破壞。屈服準(zhǔn)則是判別某一點的應(yīng)力是否進入塑性狀態(tài)的判別準(zhǔn)則，本次模型計算，采用摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則。建立計算模型如圖1所示。

1.2 相似條件的確定

根據(jù)實際賦存狀況，計算模型的邊界條件設(shè)定如下所示。

1) 上部邊界條件:設(shè)定為煤層上覆巖層的重量，即

式中：γ為上覆巖層的平均體積力，kN/m3；H為煤層的埋深，m。

8#煤層平均垂深約為400m左右，上覆巖層的平均體積力取27kN/m3，代入式(1)得

σ=γH=10.8MPa

2) 下部邊界條件:本模型的下部邊界條件為底板，簡化為位移邊界條件，在x、y方向可以運動，z方向為固定鉸支座，即v=0。

3) 兩側(cè)邊界條件:本模型的兩側(cè)邊界條件均為實體煤巖體，簡化為位移邊界條件，在z方向可以運動，其他方向為固定鉸支座，即u=w=0。

實驗室測定68303工作面頂板不同巖性的力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

圖1 數(shù)值計算模型

表1 巖石物理力學(xué)性質(zhì)

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 采場應(yīng)力狀態(tài)分析

從圖2可以看出，頂板上方約40m范圍內(nèi)的巖體處于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，垂直應(yīng)力在0～5MPa，小于原巖應(yīng)力，表明該部分巖體應(yīng)力已經(jīng)釋放，處于屈服狀態(tài)，即頂板上方40m可能發(fā)生塑性破壞，該區(qū)域巖體為冒落帶和裂隙發(fā)育區(qū)域；而在采場周邊處于應(yīng)力增高區(qū)域，當(dāng)巖體載荷大于巖體的單軸抗壓強度時，巖體即發(fā)生屈服破壞，且?guī)r體的破壞程度和破壞范圍隨著載荷的增大、時間的延長而增大。

圖2 采場圍巖垂直應(yīng)力云圖

由圖3可以看出，當(dāng)工作面推過后，采場頂板上方紅色區(qū)域內(nèi)的水平應(yīng)力值大于0，該區(qū)域為拉應(yīng)力區(qū)，一般巖體的抗拉強度遠小于巖體的抗壓強度，且由于巖體中節(jié)理、裂隙等弱面的存在，導(dǎo)致巖體的抗拉強度較小，在數(shù)值模擬計算中，當(dāng)巖體出現(xiàn)拉應(yīng)力即可認為該巖體已發(fā)生塑性破壞或拉升破壞。圖中采空區(qū)上方的拉應(yīng)力區(qū)域約為頂板上方40m以內(nèi)，即頂板上方的冒落帶、裂隙帶發(fā)育區(qū)域為40m左右。

圖3 采場圍巖水平應(yīng)力云圖

從圖4可以看出，當(dāng)工作面開采后，應(yīng)力重新分布，由于采空區(qū)上方頂板下沉易形成拉應(yīng)力區(qū)，巖體抗拉強度較小，該區(qū)域易發(fā)生垮落；在工作面左上和右上位置可形成剪應(yīng)力集中區(qū)，因此該部分的巖體易形成拉剪破壞區(qū)，拉剪破壞巖體內(nèi)部可形成較多的裂隙。

圖4 采空區(qū)頂板力學(xué)分析

頂板上方70m、60m、50m、40m、30m、20m、10m處測點的垂直應(yīng)力如5圖所示。由于采動作用，頂板上方50m以上測點的應(yīng)力變化幅度較小，表明采動對其影響較小；頂板上方20～40m處測點的垂直應(yīng)力先是增大，后是快速減小，表明頂板上方50m以下巖體受采動影響較大，說明裂隙帶發(fā)育高度小于50m。

圖5 測點垂直應(yīng)力追蹤曲線

2.2 開采不同階段頂板塑性狀態(tài)分析

由圖6可以看出，當(dāng)工作面推進至140m時，頂板塑性區(qū)高度約為10m左右；當(dāng)工作面推進至160m時，頂板塑性區(qū)高度約為16m左右；當(dāng)工作面推進至180m時，頂板塑性區(qū)高度約為18m左右；當(dāng)工作面推進至200m時，頂板塑性區(qū)高度約為20m左右；當(dāng)工作面推進至220m時，頂板塑性區(qū)高度約為20m左右，且對其老頂上方巖層開始產(chǎn)生影響，8#煤上方含煤地層部分產(chǎn)生塑性屈服；當(dāng)工作面推進至220m時，頂板塑性區(qū)高度約為20m左右，但頂板的破壞范圍與破壞程度有所增加。

圖6 工作面推進不同階段頂板塑性狀態(tài)

3 現(xiàn)場測試驗證

采用仰斜鉆孔分段注水法與測試鉆孔參數(shù)分析法對8#煤層冒落帶、裂隙帶高度進行現(xiàn)場測試，測試結(jié)果如下所示。

1) 鉆孔垂直深度從11.3m到13.3m，高壓水流量逐漸減小，壓力基本不變，注水60L前后的流量數(shù)值差距不大、壓力差距逐漸增大，可見在垂深為11.3m到13.3m范圍內(nèi)，高壓水在注水管外流動比在管內(nèi)阻力大，但流量基本相等，表明13.3m接近冒落帶的上限。

2) 鉆孔垂直深度從13.3m到16.4m，高壓水流量明顯減小、壓力逐漸增大，注水60L前后的流量數(shù)值差距明顯增大、壓力差距逐漸增大，可見在垂深為13.3m到16.4m范圍內(nèi)，高壓水在注水管外流動比在管內(nèi)阻力大，流量顯著降低，表明16.4m為冒落帶的上限和裂隙帶的下限(極發(fā)育階段)。

3) 鉆孔壓力參數(shù)測試的負壓及節(jié)流壓力數(shù)據(jù)表明，鉆孔垂深從20.5m到46m負壓逐漸降低。根據(jù)氣體狀態(tài)方程pv=nRT可知，當(dāng)氣體狀態(tài)參數(shù)nRT變化不大時，氣體的體積大則壓力小，由此可知鉆孔垂深從20.5m到46m范圍內(nèi)巖層裂隙逐漸減小，節(jié)流后壓力降低幅度與節(jié)流前的壓力成正比，所表現(xiàn)的實際意義與負壓相同。

4) 鉆孔氣體流量參數(shù)測試中，流量表現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，表明裂隙逐漸減小，但垂深33.6m到46m降低顯著，表明垂深達到46m時已接近裂隙帶的上限。

4 結(jié)論

通過數(shù)值模擬手段對杜兒坪礦68303工作面頂板冒落帶、裂隙帶高度進行了分析研究，將數(shù)值分析與現(xiàn)場測試結(jié)果進行對比，得到如下結(jié)論。

1) 冒落帶內(nèi)巖體主要以拉伸破壞為主，裂隙帶內(nèi)巖體以剪切破壞為主，且剪應(yīng)力集中區(qū)的范圍在采場周邊要大于采場中部；塑性破壞區(qū)為頂板冒落帶范圍，頂板采動垂直應(yīng)力的變化幅度反映了裂隙帶的發(fā)育程度。

2) 頂板受力狀態(tài)、破壞形態(tài)及采動垂直應(yīng)力變化幅度的數(shù)值分析結(jié)果表明，冒落帶高度約為20m左右，裂隙帶高度約為50m左右，比較發(fā)育的裂隙帶范圍為33.0～40.0m。

3) 現(xiàn)場仰斜鉆孔分段注水及鉆孔參數(shù)實測冒落帶、裂隙帶高度分別為16m、46m左右。

4) 借助數(shù)值模擬手段對綜采工作面頂板受力狀態(tài)、破壞形態(tài)及采動垂直應(yīng)力變化幅度進行分析推定頂板冒落帶、裂隙帶高度是可行的、有效的。

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