四台矿极近距离煤层采空区下围岩承压性能模拟分析

随着矿井开采年限的增加，四台矿上组煤层基本采完，已逐步开始转入开采下组煤层，由于上下煤层层间距大多很近，在开采过程中下部煤层顶板受上部煤层开采的影响很大，掘进及回采过程中的顶板维护困难，在开采11#层404盘区极近距离煤层的过程中，我们采用理论分析和数值模拟的方法对大同矿区“两硬”条件下开采极近距离煤层进行了研究分析，得出了比较合理的极近距离煤层划分及工作面围岩的力学性能和承压性能。 　　1　盘区概况 　　404盘区所处的开采水平为1045水平，盘区走向长度1340～1770m，倾斜长度1180m，上部10#层已回采结束，下部煤层包括11#层和盘区中部1000m段11#层与12-1#层合并层，厚度20～74m，平均厚度40m，煤层倾角1～6°，平均3°，煤层与10#层层间距04～178m，大部分区段为04～15m，平均1m，11#层平均埋深为230m。  　　404盘区内地质构造复杂，有陷落柱4个，断层分布较密集。11#层顶板为粉细砂岩互层，层理、节理、裂隙发育，稳定性差，掘进和回采时顶板不易维护，易发生漏顶事故。 　2　数值模拟分析煤层及顶底板力学参数 　　 我们以11#层404盘区首采工作面8423工作面的煤层开采条件作为模拟原型，煤层柱状图如图1所示，通过实验室测试煤岩层力学参数见表1所示。模拟范围和边界条件依据现场实际情况确定，采空区冒落的矸石考虑为松散介质。随着工作面推进，矸石在覆岩作用下逐步被压实，其密度ρ、弹性摸量E和泊松比μ随时间呈指数变化关系，最终达到恒定值。根据已有研究，ρ、E和μ变化规律可由以下经验公式表示：（略） 　　表1　煤层及顶底板岩层力学参数表（略） 　　图1　11#层404盘区8423工作面柱状图　（略） 　　3　上部煤层开采底板岩层塑性屈服特征 　　31　根据弹性理论确定底板岩层的塑性屈服特征 由于煤层的开采引起回采空间围岩应力重新分布，不仅在回采空间周围的煤体上产生应力集中，而且该应力会向底板深部传递。对于长壁工作面，沿工作面推进方向上的采空区空间断面为矩形，开采高度远远小于开采宽度。在远离采场的地方，竖直方向受原始自重应力q=γH的作用，水平方向受原始水平应力λq的作用，其中λ为水平应力系数。利用弹性理论及莫尔—库仑准则，可以求出开采层边缘下方由于应力集中导致的底板岩体塑性屈服深度h为：（略） 　　底板岩体的最大塑性屈服深度hy为：（略） 　　该最大值在图2所示采场边缘岩体塑性屈服区域中θ=-7484°时取得（负号表示图2中x轴顺时针旋转）。 　　上式表明，采场边缘底板岩体最大塑性屈服深度与工作面开采宽度成正比，与岩体中自重应力的平方成正比关系，与岩层自身单轴抗压强度平方成反比关系。 　　图2　采场边缘岩体塑性屈服区域（略） 底板岩体最大塑性屈服深度与工作面端部的水平距离LP为：（略） 　　按照极近距离煤层的定义，极近距离煤层层间距离hj应满足下式：（略）  　　岩层的单轴抗压强度受节理、裂隙发育程度的影响较大。四台矿近距离煤层之间的岩层多为砂岩类，通过实验室煤岩力学测试，得到的此类岩石块体的单轴抗压强度在552～6563MPa，岩层的节理裂隙影响系数一般为030～055，采场上覆岩层的平均容重为25kN/m3，煤层平均埋深230m，工作面长度为150m，由上式计算得到的极近距离煤层的间距为418～592m之间。 　　图3　底板岩层的垂直应力集中系数分布曲张（略） 　　32　底板岩层塑性屈服特征数值模拟 　　本模型以11#层8423工作面开采条件为模拟原型，建立数值分析模型。经过数值计算得出上部10#层工作面开采后底板应力集中系数分布和塑性屈服区域，如图3、图4、图5所示。 　　从图3、图4可以看出，在距开采层3m的底板截面上，应力峰值在煤壁前577m。在工作面推过后应力由185γH急剧降至052γH（γH为原岩应力），应力差高达133γH。远离开采层时，应力变化平缓，在深度8m处工作面推进前的最大应力为167γH（应力峰值在煤壁前759m）。工作面推过后的最小应力为065γH，应力差为102γH。随着采空区逐渐压实，工作面前后方底板岩层应力有小幅度的升高，如在10m深的截面上，在工作面后方40m处应力可恢复到10γH，上述情况是由于采空区冒落矸石逐渐压实后向底板传递的结果，底板应力传递影响角δ约19°。不同位置的竖向剖面上，σz的分布不论是在采空区还是工作面前后方煤体所作的竖向剖面上，σz最终都趋于原岩应力。 　　图4　底板不同深度岩层的应力集中系数分布曲线（略） 　　应用莫尔—库仑准则，采用直线型包络线计算底板岩层的剪切塑性屈服区分布。岩层塑性屈服区判断公式：（略） 　　如图5为工作面底板塑性屈服区数值模拟结果，通过计算，剪切塑性屈服区的分布特点如下。 　　由于底板受工作面超前支承压力影响，采空区下方底板以剪切塑性屈服为主。 　　图5　底板岩层的剪切塑性屈服系数分布曲线（略） 　　底板屈服范围的确定：取安全系数SF=1时，底板屈服范围在工作面煤壁前方165m、底板塑性屈服深度为53m；底板53m以下的SF＞1，说明底板53m以下岩层内没有剪切塑性屈服出现。 　　由于工作面持续向前推进，底板塑性屈服区范围随之向前移动。岩石塑性屈服后具有不可逆性，最终导致采空区下方深度为53m（取SF=1）范围内的岩层受工作面采动影响而发生塑性屈服。 　　4　结论 　　（1）运用弹塑性理论确定“两硬”条件下上部煤层底板岩体最大损伤，其深度的计算公式为：（略），确定大同矿区“两硬”条件下煤层层间距6m以下的煤层为极近距离煤层。 　　（2）数值模拟结果表明，11#层8423工作面底板应力传递影响角δ约为19°。采空区下方底板以剪切塑性屈服为主，在工作面煤壁前方约165m至采空区长度范围内的底板不同程度上产生剪切塑性屈服，塑性屈服最大深度约为53m。 　　参考文献 　　1　徐永圻煤矿开采学［M］徐州：中国矿业大学出版社，1999 　　2　 钱鸣高，刘听成矿山压力及其控制［M］北京：煤炭工业出版社，1992 　　3　吕家立矿山岩体力学［M］徐州：中国矿业大学出版社，1996 信息来源于：中国煤炭