上保护层开采双工作面卸压数值模拟

时间：2024-09-03

丁海洋,罗文柯,万芳芳,施式亮,汤铸,鲁义,李贺

(1.安徽神源煤化工有限公司邹庄煤矿,安徽淮北 235123;2.湖南科技大学资源环境与安全工程学院,湖南湘潭 411201;3.湖南科技大学南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室,湖南湘潭 411201)

作为我国基础能源的煤炭在我国一次能源消费总量中长期占有相当大的比重[1].随着我国浅部煤炭资源开采的逐渐枯竭[2，3],矿井开采以20～50 m/a的速度向深部延伸[4,5].由于深部煤层瓦斯压力和地应力的增大[6,7],煤与瓦斯突出风险随之增高[8].保护层开采是目前突出煤层防治成本最低、卸压效果最好的技术措施.大量国内外学者们在理论与实践应用指导下,对煤与瓦斯突出机理[9]、突出危险性预测指标[10，11]、效果检验[12,13]、防突措施[14-16]、瓦斯卸压抽采[17,18]等方面投入大量研究工作,并取得丰富成果.尤其在数值模拟方面,朱栋等[19]通过数值模拟获得上保护层开采时围岩应力演化规律;2009年,胡国忠等[20]通过对急倾斜俯伪斜上保护层保护范围的三维数值模拟研究获得了走向与倾斜方向的卸压范围;2013年,陈思等[21]在对下保护层开采的应力分布特征、煤层透气性变化规律和煤层变形量进行数值模拟分析基础上,首次在潘三矿保护层开采试验研究中进行保护范围和卸压增透效果的验证;2013年,梁海汀等[22]揭示了关键层在不同位置下被保护层的卸压效果、位移以及膨胀率的变化;2016年,李圣伟等[23]研究得到了保护层开采不同距离的增透率图谱;2018年,张哲[24]建立了保护层开采的卸压范围与瓦斯运移数值模型.这些研究成果对于煤矿保护层开采的实践应用具有一定的指导作用.然而,目前对于上保护层双工作面开采后被保护层的卸压保护情况研究甚少.

本文基于被保护层开采工作面尽可能与保护层工作面等尺寸的要求,采用FLAC3D软件并结合祁南煤矿地质条件和实际开采情况,建立上保护层双工作面开采的三维立体模型.采用数值模拟方法对比分析祁南煤矿上保护层6123和6125工作面依次开采后,72煤层的垂直应力、膨胀变形量、被保护范围等变化情况,进一步探讨上保护层61煤双工作面开采后被保护层72煤卸压保护情况.

1 工程背景

82采区位于淮北矿业股份有限公司祁南煤矿西南部,东北部以178与14-153两孔连线为界,与81采区、84采区相邻;西部及南部以9煤层露头线为界,与101采区、102采区相邻;东部(深部)以F9断层、164与补195两孔连线及61煤层-550 m底板等高线为界,与83采区、89采区相邻.82采区上限为9煤层露头线,煤层底板标高约为-300～-320 m,下限为61煤层-550 m底板等高线.采区整体形状不规则，中北部较宽,南部较窄,南北长约4.5 km,东西宽约0.5～1.6 km,面积约4.4 km2.6125工作面位于82采区左翼6煤组第三区段，右侧以82采区上山保护煤柱为界,左侧以-380 m防砂煤柱为界，上部为 6123工作面,下部为6127工作面,6125工作面标高为-380.7～-431.5 m,高差50.8 m.6125工作面位于井田西部,西风井东部,地面标高为+22.6 m.研究区域主要煤层综合柱状图如图1所示.

图1 祁南煤矿82采区主采煤层综合柱状图

2 模型建立

2.1 模型尺寸与边界条件

祁南煤矿上保护层双工作面开采三维模型尺寸为300.00 m×416.57 m×236.25 m,采用自下往上分层建模方法,定义煤岩层共计26层(组),煤(岩)层倾角10°.模型单元格为八节点六面体,全模型共划分为359 550个网格单元,生成网格节点378 572个.模型四周及底部采用位移边界,顶部采用应力边界,由于61煤实际埋深为430 m,本模型中61煤层距离模型顶部约100 m,因此考虑模型顶部补偿320 m荷载(2.5×320÷100=8 MPa).

2.2 本构模型与力学参数

采用FLAC3D中的摩尔-库仑模型,其中区段窄煤柱采用应变硬化/应变软化模型.根据祁南煤矿的地质资料,结合该煤矿柱状图和实际开采情况,确定数值模拟中各煤(岩)层、回采工作面的空间及层位关系,根据力学实验确定各煤层、岩层的力学参数,如表1所示.

表1 祁南煤矿围岩力学参数

考虑6125工作面回采时,区段窄煤柱经受二次采动影响被压缩,煤柱发生塑性破坏,该区段窄煤柱采用FLAC3D中应变软化本构模型,煤柱力学参数如表2所示.

表2 煤体应变软化参数

2.3 模拟方案

采场布置:该模型中定义Y方向为走向方向,工作面回采沿着Y轴正方向进行,X方向为倾向方向.根据祁南煤矿开采实际,6123和6125工作面的倾斜长度(考虑煤层倾角10°)均为140 m,走向回采长度按照最大180 m考虑.

开挖方案:沿着Y轴正方向开挖,每步开挖10 m,自动迭代至平衡,6123工作面开挖完毕并达到平衡后进行6125工作面的开挖,6123和6125工作面单次回采步距相同.

考察方案:为了全面分析上保护层双工作面开采过程中的围岩应力场、岩层变形移动等随工作面推进的动态演变情况,结合上保护层双工作面在模型的布置位置,制定了上保护层双工作面开采剖面考察方案,如图2所示.

图2 上保护层6123和6125双工作面布置模型与卸压范围效果考察剖面

3 结果分析

3.1 应力演化分析

3.1.1 6123和6125工作面依次回采过程中走向方向围岩垂直应力分布

上保护层双工作面依次回采过程中，开采走向方向围岩垂直应力分布如图3所示，回采对72煤走向方向垂直应力的影响如图4所示.

图3 上保护层双工作面依次回采过程中走向方向垂直应力分布

由图3和图4可知:

图4 上保护层双工作面依次回采对72煤走向方向垂直应力的影响

1)当上保护层双工作面分别自切眼向前推进10 m时,6123和6125工作面采空区下方72煤在走向方向上围岩受采动影响较小,应力降低不明显.

2)当双工作面分别自切眼向前推进50 m时,6123采空区下方72煤层的垂直应力由初始11.7降至9.0 MPa,工作面前方煤壁和切眼后方煤壁的垂直应力由10升至17 MPa;6125采空区下方72煤层垂直应力由13.5降至10.2 MPa,工作面前方煤壁和切眼后方煤壁的垂直应力升至18 MPa.

3)当双工作面分别自切眼向前推进100 m时,6123采空区下方72煤层的垂直应力降至5.07 MPa,工作面前方煤壁和开切眼后方煤壁应力集中升至20 MPa;6125采空区下方72煤层垂直应力降至5.57 MPa,卸压范围较回采50 m时有明显扩大,工作面前方煤壁和开切眼后方煤壁垂直应力升至22 MPa.

4)当双工作面分别自切眼向前推进150 m时,6123采空区下方72煤层的垂直应力降至3.48 MPa,竖直方向上卸压范围较回采100 m时略有扩大,工作面前方煤壁和开切眼后方煤壁集中应力值约为20 MPa,升高不明显;6125采空区下方72煤层垂直应力降至3.56 MPa,竖直方向上卸压范围较回采100 m时略有扩大,工作面前方煤壁和开切眼后方煤壁垂直应力升至24 MPa.

5)当双工作面分别自切眼向前推进180 m时,6123采空区下方72煤层的垂直应力降至3.12 MPa,竖直方向上卸压范围较回采150 m时扩大不明显,工作面前方煤壁和开切眼后方煤壁应力集中升至22 MPa;6125采空区下方72煤层垂直应力降至3.03 MPa,竖直方向上卸压范围较回采150 m时扩大也不明显,工作面前方煤壁和开切眼后方煤壁垂直应力升至26 MPa.

3.1.2 6123和6125工作面依次回采过程中倾斜方向围岩垂直应力分布

上保护层双工作面依次回采过程中，开采倾斜方向围岩垂直应力分布如图5所示，回采对72煤倾向方向垂直应力的影响如图6所示.

由图5和图6可知:

图5 上保护层双工作面依次回采过程中倾向方向垂直应力分布

图6 上保护层双工作面依次回采对72煤倾向方向垂直应力的影响

1)当上保护层双工作面分别自切眼向前推进10 m时,6123和6125工作面在倾向方向上围岩受采动影响较小,应力降低不明显,但6125工作面开采对6123采空区上下部煤岩体垂直应力产生了影响,6123采空区下方72煤层的垂直应力降至9.08 MPa,当6125工作面接续开采时,应力集中主要分布在6125运输巷侧煤壁、6123与6125工作面间区段保护煤柱、6123回风巷侧煤壁,应力峰值达到22 MPa.

2)当双工作面分别自切眼向前推进50 m时,6123采空区下方72煤层的垂直应力由初始值降至10.9 MPa,6123运输巷与回风巷两侧煤壁均出现了应力集中,垂直应力升至22 MPa;6125采空区下方72煤层垂直应力降至11.1 MPa,6123采空区下方72煤层的垂直应力降至8.7 MPa,6123与6125工作面间区段保护煤柱内部应力集中消失,卸压区域连成一体,呈倾倒的“葫芦型”;其中,6125工作面形成的卸压区域小于6123工作面的卸压区,应力集中区域分布在6125运输巷侧煤壁、6123回风巷侧煤壁,垂直应力升至28 MPa.

3)当双工作面分别自切眼向前推进100 m时,6123采空区下方72煤层的垂直应力降至8.34 MPa,竖直方向上卸压范围较回采50 m时明显扩大.6123运输巷与回风巷两侧煤壁均出现应力集中,垂直应力升至28 MPa;6125采空区下方72煤层垂直应力降至7.05 MPa,6123采空区下方72煤层的垂直应力降至6.51 MPa,“葫芦型”卸压连体区域中,由于6125工作面在竖直方向上(采场上部、下部)不断扩大,6125与6123工作面分别形成的卸压范围差异逐步缩小,6125运输巷侧煤壁、6123回风巷侧煤壁内的应力集中升至32 MPa.

4)当双工作面分别自切眼向前推进150 m时,6123采空区下方72煤层的垂直应力降至6.69 MPa,竖直方向上卸压范围较回采100 m时略有扩大,6123运输巷与回风巷两侧煤壁应力集中至30 MPa;6125采空区下方72煤层垂直应力降至4.55 MPa,6123采空区下方72煤层的垂直应力降至4.62 MPa,“葫芦型”卸压连体区域在竖直方向上略有扩大;6125运输巷侧煤壁、6123回风巷侧煤壁内的应力集中升至34 MPa.

5)当双工作面分别自切眼向前推进180 m时,6123采空区下方72煤层的垂直应力降至6.25 MPa,竖直方向上卸压范围较回采150 m时无明显差别,6123运输巷、6123回风巷两侧煤壁应力集中至32 MPa;6125采空区下方72号煤层垂直应力降至3.92 MPa,6123采空区下方72煤层的垂直应力降至4.22 MPa,双工作面形成的卸压连体区域在竖直方向上较回采150 m时无明显差别;6125运输巷侧煤壁与6123回风巷侧煤壁内的应力集中维持在34 MPa.

3.2 位移演化分析

3.2.1 6123和6125工作面回采过程中走向方向围岩垂直位移演化特征

上保护层双工作面回采过程中，开采走向方向围岩垂直位移演化形态特征如图7所示，回采对72煤走向方向膨胀变形量的影响如图8所示.

由图7和图8可知:

图7 上保护层双工作面依次回采过程中走向方向垂直位移分布

图8 上保护层双工作面依次回采对72号煤走向方向膨胀变形量的影响

1)当上保护层双工作面分别自切眼向前推进10 m时,6123与6125工作面走向方向采场上覆岩层产生竖向变形,顶板最大变形量分别为0.16和0.18 m,下部岩层变形量均极小.

2)当双工作面分别自切眼向前推进50 m时,6123工作面采空区上部岩层竖向变形增至0.24 m,采空区下部岩层产生底鼓变形,72煤层的膨胀变形量最大达到3‰;6125工作面采空区上部岩层竖向变形增至1.4 m,采空区下部岩层产生底鼓变形,72煤层的膨胀变形量最大达到2.7‰;7225与7227工作面煤层膨胀变形量在走向范围内多处于2‰～3‰水平.

3)当双工作面分别自切眼向前推进100 m时,6123工作面采空区上部岩层竖向变形增至1.4 m,6123采空区下部72煤层的膨胀变形量最大达到4.5‰;6125工作面采空区上部岩层竖向变形增至1.5 m,72煤层的膨胀变形量最大达到4.6‰.7225与7227工作面煤层膨胀变形量在走向范围内多处于3‰～5‰水平;此外,6123和6125工作面回采时,上覆岩层变形移动范围随工作面推进继续向上发展.

4)当双工作面分别自切眼向前推进150 m时,6123工作面采空区上部岩层竖向变形增至1.5 m,72号煤层的膨胀变形量最大达到5.1‰;6125工作面采空区上部岩层竖向变形增至1.6 m,其下部72煤层的膨胀变形量最大达到5.36‰;6125回采工作面的前方煤壁下部72煤层压缩变形率为0.4‰;7225和7227工作面煤层膨胀变形量在走向范围内多处于3‰～6‰水平.

5)当双工作面分别自切眼向前推进180 m时,6123采空区上部岩层竖向变形维持在1.5 m,下部72煤层的膨胀变形量最大达到5.25‰.6125工作面采空区上部岩层竖向变形维持在1.6 m,下部72煤层的膨胀变形量最大达到5.58‰;6125回采工作面的前方煤壁和开切眼后方煤壁下部,72煤层压缩变形继续增加,煤层压缩率分别达到0.6‰和0.3‰;7225与7227工作面煤层膨胀变形量在走向范围内多处于4‰～6‰水平.

3.2.2 6123和6125工作面回采过程中倾向方向围岩垂直位移分布

祁南煤矿上保护层双工作面开采倾斜方向围岩垂直位移演化形态特征如图9所示.

由图9可知:上保护层双工作面开采倾向方向围岩变形移动与走向方向基本一致,双工作面推进10 m后,倾向方向采场上覆岩层产生竖向变形,顶板最大变形量达0.16和0.18 m,下部岩层变形量极小;双工作面推进50 m后,采空区上部岩层竖向变形分别增至0.24和1.40 m,上覆岩层变形移动范围随工作面推进向上继续发展,下部岩层产生底鼓变形;双工作面推进100 m后,采空区上部岩层竖向变形增至1.4和1.5 m,且靠近回风巷侧上覆岩层的变形移动较运输巷侧略大;双工作面推进150m后,采空区上部岩层竖向变形增至1.5和1.6 m;双工作面推进180 m后,采空区上部岩层竖向变形维持在1.5 和1.6 m,上覆岩层变形移动范围不再随工作面推进向上继续发展.

图9 上保护层双工作面依次回采过程中倾向方向垂直位移分布

上保护层双工作面依次回采对72煤倾向方向膨胀变形量的影响如图10所示.

图10 上保护层双工作面依次回采对72号煤倾斜方向膨胀变形量的影响

由图10可知:上保护层双工作面开采后(回采180 m)被保护煤层(7225,7227)倾向方向均产生不同程度膨胀变形,随着回采工作面的推进,采空区中心区域被冒落矸石逐步压实,继而限制采空区下部被保护煤层的膨胀变形,最大膨胀变形出现在采空区下伏煤层的两侧,6123与6125采空区下部72煤层的最大膨胀变形量分别为5.25‰和5.58‰.同时,在倾向方向上,6123回采工作面左右两侧、回风巷侧及6125回采工作面运输巷侧煤壁下部72煤层均产生较小的压缩变形.

4 被保护层保护范围划定

4.1 走向方向

按照煤层膨胀变形量大于3‰即视为充分卸压区,对祁南煤矿上保护层双工作面开采走向卸压保护范围进行划定.6125回采工作面开采完后,7227回采工作面走向方向煤层膨胀变形量大于3‰的范围为86 ～216 m,61煤与72煤层间垂距取55 m,可得出6125工作面开采后7227工作面走向方向的卸压保护范围:开切眼(始采线)垂直投影往里26 m处,走向下部卸压角为64.5°,停(止)采线垂直投影往里26 m处,走向下部卸压角为64.5°,如图11所示.

图11 上保护层工作面采后被保护层工作面走向卸压保护范围

4.2 倾斜方向卸压角确定

按照煤层膨胀变形量大于3‰即视为充分卸压区,对祁南煤矿上保护层双工作面开采倾向卸压保护范围进行划定.6123回采工作面开采完后,7225回采工作面走向方向煤层膨胀变形量大于3‰的范围为222 ～330 m,61煤与72煤层间垂距取55 m,可得出6123工作面开采后7225工作面倾向方向的卸压保护范围:6123运输巷垂直投影往里12.24 m处,倾向下部卸压角为77.4°,6123回风巷垂直投影往里18.62 m处,走向下部卸压角为71.3°.6125回采工作面开采完后,7227回采工作面走向方向煤层膨胀变形量大于3‰的范围为84～193 m,61号煤与72号煤层间垂距取55 m,可得出6125工作面开采后7227工作面倾向方向的卸压保护范围:6125运输巷垂直投影往里16.05 m处,倾向下部卸压角为73.4°,6125回风巷垂直投影往里13.8 m处,走向上部卸压角为75.8°,如图12所示.

图12 上保护层工作面采后被保护层工作面倾向卸压保护范围

5 上保护层双工作面开采卸压保护范围考察

5.1 倾斜方向卸压范围考察

倾斜方向以7225下部卸压角为考察对象,在82采区72煤底板南翼轨道大巷选择g40点向g39点前进22.7 m的位置为倾向边界卸压角观测孔钻场,在该钻场分别施工4个倾向方向保护范围的观测钻孔,即以原参考卸压角75°为基准,其余3个钻孔分别与基准孔外偏5°,内偏5°和数值模拟卸压角77.4°,钻孔编号分别为KYQ7-1(内偏5°,δ41=70°)、KYQ7-2(基准δ42=75°)、KYQ7-3(模拟值δ43=77.4°)、KYQ7-4(外偏5°,δ44=80°)，见图13.

图13 7225工作面卸压倾斜方向下部卸压角实测钻孔布置

图14是倾斜方向卸压范围的实测数据,可以看出:自2015年1月6日安装测压表后,各测压钻孔的瓦斯压力逐渐升高,至2015年1月20日之后,钻孔KYQ7-1,KYQ7-2,KYQ7-3和KYQ7-4的瓦斯压力分别稳定在0.4 ,0.2 ,0.3和0.4 MPa.当工作面推进近200 m接近各测压钻孔时,KYQ7-1,KYQ7-2和KYQ7-3钻孔的瓦斯压力相继下降至0 MPa,KYQ7-4瓦斯压力由原来的0.4 MPa降低到0.2 MPa.说明在倾斜方向卸压范围的实测值超出理论参考值,即外偏5°的KYQ7-4钻孔范围.

图14 7225工作面卸压倾斜方向下部各卸压角瓦斯压力实测结果

5.2 走向方向卸压范围考察

在82采区7煤底板南翼轨道大巷选择从g18点向g26点方向前进32.13 m为开口位置开设钻场,在该钻场分别施工4个走向方向保护范围的观测钻孔,钻孔编号分别为KYZ7-1(内偏5°,δ51=55°)、KYZ7-2(理论δ52=60°)、KYZ7-3(模拟值δ53=64.5°)和KYZ7-4(外偏5°,δ54=65°),见图15.

图15 7225工作面卸压走向方向下部卸压角实测钻孔布置

走向方向卸压范围实测钻孔施工始于2015年1月6日,实测数据如图16所示.

图16 7225工作面卸压走向方向下部卸压角实测结果

由图16可以看出:测试钻孔KYZ7-1,KYZ7-2,KYZ7-3和KYZ7-4的原始瓦斯压力分别稳定在0.2 ,0.3,0.5和0.5 MPa,随工作面不断推进靠近测定钻孔,各钻孔的瓦斯压力逐渐释放,压力值开始减少:KYZ7-1与KYZ7-2钻孔的瓦斯压力在距切眼方向695 m位置时急剧衰减至0 MPa,数值模拟参考点KYZ7-3钻孔在距切眼703 m位置开始下降至0.1 MPa,降幅为80%;外侧偏离5°边界线上的KYZ7-4钻孔的瓦斯压力也在靠近停采线处(距切眼712 m)开始下降至0.2 MPa,降幅为60%.说明靠近理论参考外偏5°的卸压角边界线也在其保护层开采的有效卸压范围之内.