特厚煤層采動(dòng)覆巖裂隙演化規(guī)律物理及數(shù)值模擬研究

陳德山, 楊婉欣, 張建江, 焦 健, 周繼國

(1.蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)資源環(huán)境工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730207;2.甘肅靖遠(yuǎn)煤電股份有限公司 魏家地煤礦, 甘肅 白銀 730913)

1 前言

近年來,隨著煤層開采深度的增加和煤礦自動(dòng)化程度的提高,礦井瓦斯涌出量也隨之增大,瓦斯災(zāi)害已成為制約煤礦安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵因素[1-2]。在“雙碳”目標(biāo)下,煤與瓦斯共采技術(shù)已成為煤炭綠色開采的關(guān)鍵技術(shù)[3-4]。瓦斯抽采過程中,工作面上覆巖層裂隙的密度、連續(xù)性對(duì)瓦斯抽采效率有極大影響,尤其是工作面推進(jìn)過程中采動(dòng)覆巖裂隙的演化規(guī)律對(duì)瓦斯抽采及瓦斯控制至關(guān)重要。

針對(duì)覆巖受煤層開采擾動(dòng)影響后的活動(dòng)規(guī)律及裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)育特征,眾多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究,取得了豐碩的成果。對(duì)于采動(dòng)覆巖裂隙形態(tài),錢鳴高、許家林[5]利用模型實(shí)驗(yàn)、圖像分析、離散元模擬等方法,對(duì)上覆巖層采動(dòng)裂隙分布特征進(jìn)行了研究,提出了“O”型圈模型。袁亮[7]以顧橋煤礦1115工作面為試驗(yàn)點(diǎn),運(yùn)用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手段、COSFLOW數(shù)值模擬及CFD模擬技術(shù)對(duì)工作面采動(dòng)覆巖裂隙場(chǎng)進(jìn)行了研究,提出了高位裂隙環(huán)形模型。伍永平[8]等采用理論分析與數(shù)值模擬對(duì)煤層開采過程中圍巖變形破壞規(guī)律進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)圍巖應(yīng)力分布特征呈“拱殼”型、工作面圍巖塑性區(qū)分布呈“馬鞍形”分布?；陉P(guān)鍵層理論,李樹剛[9]利用數(shù)值模擬與物理相似模擬相結(jié)合的方法,提出了多因素影響下的采動(dòng)裂隙呈“橢拋帶”分布。楊科[10]通過物理相似模擬試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)相結(jié)合的方法,研究了關(guān)鍵層運(yùn)移時(shí)采動(dòng)裂隙的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)沿工作面走向采動(dòng)裂隙隨關(guān)鍵層破斷“跳躍式”向上擴(kuò)展。文獻(xiàn)[12-16]運(yùn)用物理模擬、數(shù)值模擬及理論分析相結(jié)合的方法,對(duì)采動(dòng)覆巖裂隙的演化規(guī)律進(jìn)行了研究,獲得了圍巖應(yīng)力演化和來壓規(guī)律,為預(yù)防頂板事故的發(fā)生提出了解決方法。文獻(xiàn)[17]對(duì)不同條件下的采動(dòng)覆巖裂隙演化規(guī)律進(jìn)行研究,為瓦斯抽采系統(tǒng)的布置奠定了基礎(chǔ),解決了回采過程中瓦斯頻繁超限的難題。

通過文獻(xiàn)檢索,眾多學(xué)者對(duì)薄煤層及厚煤層采動(dòng)覆巖變形破壞規(guī)律開展了大量研究,但針對(duì)特厚煤層采動(dòng)覆巖變形破壞規(guī)律研究較少。本文以魏家地煤礦北1103工作面的為試驗(yàn)原型,基于物理相似模擬試驗(yàn),對(duì)采動(dòng)裂隙的發(fā)育特征進(jìn)行分析,通過數(shù)值模擬試驗(yàn),對(duì)工作面采動(dòng)覆巖應(yīng)力、位移及裂隙分布規(guī)律進(jìn)行研究,以期掌握厚煤層采動(dòng)裂隙場(chǎng)演化分布規(guī)律,為回采過程中瓦斯抽采系統(tǒng)的布置提供參考依據(jù)。

2 物理相似模擬試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原型及相似設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以魏家地礦北1103工作面為基本原型,該工作面走向長度785 m,傾斜長度205 m,地面標(biāo)高1 655～1 676 m。煤層傾角7°～23°,平均12°,煤層厚度5.71～16.96 m,平均可采厚度9.2 m。采用走向長臂綜合機(jī)械化一次采全高采煤法,用全部垮落法控制頂板。煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 北1103工作面頂板巖層物理力學(xué)參數(shù)

試驗(yàn)利用大比尺相似模擬試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行,模型幾何相似常數(shù)取值為100,模擬開采長度170 m,兩側(cè)留設(shè)8 m邊界煤柱,開切眼為8 m,日進(jìn)尺為5 m、推進(jìn)2次,工作面共推進(jìn)33次。試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗨瞥?shù)見表2。

表2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗨瞥?shù)

為準(zhǔn)確模擬采動(dòng)影響覆巖的位移變化規(guī)律,在模型上共布置10條監(jiān)測(cè)線監(jiān)測(cè)頂板覆巖的垮落情況,其中第1條監(jiān)測(cè)線距煤層的距離為5 cm,各監(jiān)測(cè)線之間的距離為10 cm,每個(gè)監(jiān)測(cè)線布置19個(gè)測(cè)點(diǎn)。試驗(yàn)時(shí),對(duì)煤層進(jìn)行分步開挖,模擬工作面推進(jìn)過程中覆巖“三帶”的變化規(guī)律。模型布置如圖1所示。

圖1 物理相似模型布置圖

2.2 采動(dòng)覆巖破斷及運(yùn)移規(guī)律

不同推進(jìn)距離下采動(dòng)覆巖裂隙發(fā)育及垮落特征如圖2所示。

圖2 不同推進(jìn)距離下采動(dòng)覆巖裂隙發(fā)育及垮落特征

從圖2可以看出:當(dāng)工作面推進(jìn)至30 m時(shí),直接頂垮落發(fā)生初次來壓,垮落高度距煤層頂板4.5 m,離層裂隙向上發(fā)展至距頂板18 m處,此時(shí),工作面兩端出現(xiàn)破斷裂隙,并與離層裂隙相互貫通;當(dāng)工作面推進(jìn)至41 m時(shí),采空區(qū)覆巖基本頂?shù)?次周期來壓,覆巖大范圍垮落,垮落高度距煤層頂板18 m,離層裂隙距煤層頂板29 m,此時(shí)巖梁出現(xiàn)不明顯彎曲現(xiàn)象,形成初始鉸接結(jié)構(gòu);當(dāng)工作面推進(jìn)至84 m時(shí),發(fā)生第4次周期來壓,覆巖垮落高度距煤層頂板41.5 m,離層裂隙發(fā)育至距頂板54 m;當(dāng)工作面推進(jìn)至162 m時(shí),工作面發(fā)生第8次周期來壓,此時(shí)垮落巖層形成的鉸接結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定,離層裂隙不再發(fā)育,垮落高度不再向上發(fā)展,采空區(qū)基本被壓實(shí)。根據(jù)統(tǒng)計(jì),在整個(gè)工作面回采期間,共發(fā)生8次礦壓顯現(xiàn),平均周期來壓步距為16.5 m,首次來壓步距為30 m,周期來壓的具體的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表3。

表3 工作面周期來壓步距

煤層開采后上覆巖層10條測(cè)線的垂直位移變化曲線如圖3所示。

圖3 覆巖垂直位移變化曲線圖

從圖中可以看出,測(cè)線1與測(cè)線2之間的距離較大,測(cè)線2至測(cè)線4之間的距離逐漸減小,在周期來壓處,測(cè)點(diǎn)的位移量達(dá)到最大值,且測(cè)線1的下沉量接近煤層厚度,因此可以認(rèn)為測(cè)線2下方為冒落帶。測(cè)線4至測(cè)線7之間測(cè)點(diǎn)位移量變化幅度不大,測(cè)線之間的距離較為緊密,為裂隙帶。裂隙帶和彎曲下沉帶范圍內(nèi)的巖體,呈現(xiàn)連續(xù)動(dòng)態(tài)下沉的移動(dòng)過程具有連續(xù)性,且離頂板距離越大,連續(xù)性越強(qiáng)。在冒落帶之下的覆巖,其最大位移量基本上在周期來壓處,而彎曲下沉帶和裂隙帶內(nèi)最大位移量基本位于采空區(qū)中部。結(jié)合物理相似模擬試驗(yàn)和覆巖位移規(guī)律,得到冒落帶高度為39.1 m,裂隙帶高度為127.9 m。

3 采動(dòng)裂隙場(chǎng)數(shù)值模擬

UDEC數(shù)值模擬軟件是一種以非連續(xù)體為模擬單元的二維數(shù)值模擬計(jì)算程序,具有內(nèi)置節(jié)理多、可選材料豐富特點(diǎn),可以表征不同力學(xué)性質(zhì)的巖體采動(dòng)影響后其節(jié)理、裂隙的發(fā)育變化規(guī)律,能夠定量分析采動(dòng)過程中覆巖點(diǎn)位應(yīng)力及位移的變化量。本次數(shù)值模擬基于北1103工作面的實(shí)際地質(zhì)條件,采用離散元程序UDEC 分析工作面回采過程中上覆巖層塑性區(qū)演化范圍、采動(dòng)裂隙場(chǎng)應(yīng)力分布、位移分布、裂隙分布特征。

3.1 模型的建立

1)初始條件

煤巖層力學(xué)參數(shù)是數(shù)值模擬的關(guān)鍵環(huán)節(jié),北1103工作面煤巖層力學(xué)參數(shù)見表4。

表4 煤巖層力學(xué)基本參數(shù)

2)邊界條件

在充分考慮邊界效應(yīng)的基礎(chǔ)上,建立二維煤巖體幾何模型,設(shè)置模型長為350 m,高為220 m,工作面長度170 m,同時(shí)設(shè)置隨機(jī)分布的微裂隙表示巖體的初始損傷。上部邊界設(shè)置6.85 MPa的均勻向下載荷(模擬上覆巖層的自重載荷);下部邊界設(shè)定為固定位移邊界條件;兩側(cè)邊界條件均為實(shí)體煤巖體,設(shè)定為位移邊界條件,邊界設(shè)置按深度變化的載荷,測(cè)壓系數(shù)為1。數(shù)值模型如圖4所示。

圖4 數(shù)值計(jì)算模型

3)模擬方案

魏家地礦北1103工作面采用走向長臂一次采全高采煤法,煤層可采厚度為5.71～16.96 m,平均可采厚度9.2 m,本次研究選取煤層厚度分別為6 m、8 m、10 m、12 m(不同采高均采用1步開挖方式)作為變量來模擬不同采高對(duì)采動(dòng)裂隙場(chǎng)分布規(guī)律的影響。

3.2 模擬結(jié)果分析

1)采動(dòng)裂隙場(chǎng)的應(yīng)力分布

圖5所示為不同采高條件下工作面開采穩(wěn)定后圍巖垂直應(yīng)力的分布二維變化。

圖5 采動(dòng)裂隙場(chǎng)應(yīng)力分布

從圖5可以看出,隨著工作面的開挖,采空區(qū)上覆巖層在重力的作用下,產(chǎn)生的載荷向采空區(qū)兩側(cè)煤體轉(zhuǎn)移并產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,形成應(yīng)力集中區(qū),應(yīng)力分布范圍為9.08～20.1 MPa,應(yīng)力呈軸對(duì)稱分布。同時(shí),上覆巖層發(fā)生卸壓塑性破壞,巖體出現(xiàn)變形破壞,部分巖體發(fā)生垮落,垂直應(yīng)力急劇減小并形成采動(dòng)卸壓區(qū),應(yīng)力分布范圍為0.22～1.46 MPa,應(yīng)力呈拋物線形狀分布。受主關(guān)鍵層影響,隨著采高的增加,卸壓區(qū)高度隨之增大,變化范圍為 70.4～81.2 m,但卸壓高度未超過主關(guān)鍵層。

2)采動(dòng)裂隙場(chǎng)的位移分布特征

隨著煤層的開挖,頂板覆巖在礦壓的影響下由彈性狀態(tài)向塑性狀態(tài)變化并發(fā)生彎曲斷裂,部分巖體發(fā)生垮落,不同區(qū)域巖體產(chǎn)生的位移也不同。不同采高條件下采動(dòng)裂隙場(chǎng)的垂直位移分布如圖6所示。

圖6 采動(dòng)裂隙場(chǎng)位移分布

從圖6 可以看出,煤層開采后,采空區(qū)的頂板覆巖失去煤體的支撐作用,中間部位的巖體受到的應(yīng)力效果最為集中,該部位斷裂垮落后的位移變化量也最大。隨著采高的增大、頂板覆巖的垮落高度增加,采空區(qū)在水平方向上的空間也隨之增大,高度變化范圍從52.4 m增大到74.8 m,但未超過主關(guān)鍵層位。同時(shí),隨著采高的增加,在巖石的碎脹作用下,位移最大區(qū)寬度呈減少趨勢(shì),從102.3 m減至71.6 m。

3)采動(dòng)裂隙場(chǎng)的裂隙分布特征

工作面開采后,頂板覆巖會(huì)產(chǎn)生破斷裂隙和離層裂隙,二者縱橫交錯(cuò)形成采動(dòng)裂隙網(wǎng)絡(luò),不同采高條件下工作面開采穩(wěn)定后覆巖采動(dòng)裂隙分布如圖7所示。

圖7 采動(dòng)裂隙場(chǎng)裂隙分布

從圖7可以看出,當(dāng)采高為6 m時(shí),采動(dòng)裂隙網(wǎng)絡(luò)較為稀疏,裂隙主要集中在裂隙帶內(nèi)瓦斯優(yōu)勢(shì)通道處,中部壓實(shí)區(qū)有少量貫通的微觀裂隙通道,采空區(qū)兩側(cè)煤巖體也存在一定量的次生裂隙,亞關(guān)鍵層下方以離層裂隙和破斷裂隙交錯(cuò)發(fā)育,亞關(guān)鍵層至主關(guān)鍵層之間以離層裂隙居多,主關(guān)鍵層之上幾乎不存在離層裂隙。隨著采高的增大,采動(dòng)影響范圍進(jìn)一步擴(kuò)大,采場(chǎng)內(nèi)裂隙數(shù)目也不斷增多,采空區(qū)壓實(shí)區(qū)內(nèi)微觀裂隙通道、采空區(qū)兩側(cè)煤巖體的次生裂隙及亞關(guān)鍵層上方的破斷裂隙顯著增多,壓實(shí)區(qū)寬度減小但高度增加。當(dāng)采高為12 m時(shí),主關(guān)鍵層出現(xiàn)顯著的下沉變形,但主關(guān)鍵層的上方?jīng)]有產(chǎn)生明顯的裂隙,但主關(guān)鍵層的下方產(chǎn)生的裂隙激增,且裂隙發(fā)育程度較為豐富。

4 結(jié)論

(1)在工作面回采期間,首次來壓步距為30 m,周期來壓步距為10～21 m,平距周期來壓步距為16.5 m,冒落帶高度為39.1 m,裂隙帶高度為127.9 m。

(2)工作面開挖后,在不同的圍巖區(qū)域形成卸壓區(qū)和應(yīng)力集中區(qū),應(yīng)力卸壓區(qū)的應(yīng)力呈拋物線分布,應(yīng)力分布范圍為0.22～1.46 MPa,應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力呈軸對(duì)稱分布,應(yīng)力分布范圍為 8.94～19.8 MPa;隨著煤層采高的增大,卸壓區(qū)的高度會(huì)隨之逐漸增加,增高趨勢(shì)趨緩,卸壓區(qū)高度變化范圍為70.4～81.2 m。隨著煤層采高的增加,位移最大區(qū)的高度也增大,變化范圍為52.4～74.8 m,位移最大區(qū)的寬度逐漸減小,其變化范圍為102.3～71.6 m。

(3)隨著采高的增加,主關(guān)鍵層出現(xiàn)顯著的下沉變形,上方無明顯裂隙,下方裂隙激增,采空區(qū)兩側(cè)煤巖體的次生裂隙及亞關(guān)鍵層上方的破斷裂隙顯著增多,采空區(qū)壓實(shí)區(qū)寬度減小、高度增加,內(nèi)部微觀裂隙通道增多。