近距離煤層開采底板破壞的力學分析

中國近距離煤層的所有權、儲存和開采比例很大。大多數(shù)礦區(qū)存在著近距離煤層開采的問題，如霍州、寶雞、平頂山、邯鄲等礦區(qū)?，F(xiàn)有關于近距離煤層開采的研究主要是經(jīng)驗性的定性總結,缺乏相應的定量指導,尤其是下位煤層工作面回采巷道合理錯距的確定.以往的開采經(jīng)驗主要有兩種:一種是上位煤層工作面采完后,待頂板垮落穩(wěn)定后再回采下位煤層,未充分考慮上位煤層開采后遺留煤柱應力集中所造成的影響,導致下位煤層工作面回采巷道布置不合理,礦山壓力顯現(xiàn)明顯,巷道維護困難;另一種是上下煤層同時開采,但在實際生產(chǎn)過程中組織實施協(xié)調開采工作的難度較大.而對于下位煤層孤島工作面回采巷道錯距的確定,不僅要把下位煤層工作面回采巷道布置在應力降低區(qū)內,同時又要盡可能地保證下位煤層工作面頂板能夠較好地形成結構,以便于巷道維護.為此,本文結合霍州曹村煤礦具體地質條件,應用理論分析、力學計算及現(xiàn)場實測手段,對10#和11#極近距離煤層開采過程中下位11#煤層209孤島工作面回采巷道合理布置位置進行了研究,定量地確定出了巷道的合理內錯距,研究成果可為其他礦區(qū)近距離煤層開采提供參考.1煤層開采時自然狀況曹村煤礦可采煤層從上至下有2#,9#,10#及11#煤,2#,9#,10#煤已開采完畢,目前正進行11#煤開采.1)10#煤層:厚度1.85~8.06m,平均4.43m.煤層底板巖性多為中、細砂巖,局部為砂質泥巖和黑色泥巖.210上位煤層工作面開采后底板破壞深度和預留煤柱的應力分布力兩極近距離煤層的下位煤層工作面回采巷道合理錯距的確定與上位煤層的底板破壞深度和遺留煤柱的應力分布情況有著十分密切的關系.為此,需對上位煤層工作面開采后底板破壞深度和遺留煤柱的應力分布情況進行力學分析.2.110.01煤炭底板的深度力學分析2.1.1工作面底板破壞力學模型10#煤209工作面采用全部垮落法處理頂板,頂板垮落穩(wěn)定后會在其下方形成應力降低區(qū).11#煤209工作面回采巷道布置在何處較為合適,成為工作面快速投產(chǎn)之前亟待解決的難題.根據(jù)上下煤層具體位置關系,建立如圖1所示的10#煤層底板破壞力學模型.由圖1可以看出,隨著工作面的開采,其底板巖層在一定范圍內移動和破壞,F點為破壞的最深點.隨著底板支承壓力的移動,破壞點會形成一條近似的平行破壞線FG.同時,由于支承壓力的作用,底板巖層被破壞成碎塊結構,煤壁與底板的關系類似于建筑物基礎與地基的關系.2.1.2a角螺線方程10#煤開采后引起的底板破壞深度,可以采用土力學中的地基計算方法,并依據(jù)塑性理論及采場礦壓理論,將其分為3個區(qū)域.主動應力區(qū)(Ⅰ區(qū))式中φ為內摩擦角.過渡區(qū)(Ⅱ區(qū))CD曲線為對數(shù)螺線,以A為原點,其螺線方程為式中:r為以A為原點與r0成α角處的螺線半徑;r0為AC或BC的長度.被動應力區(qū)(Ⅲ區(qū))工作面底板的破壞主要是由于支承壓力的影響,根據(jù)圖1可知通過計算得出底板的最大破壞深度為根據(jù)曹村煤礦大量現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)表明,工作面超前支承壓力峰值在其前方12m左右處.因此,可以取L=12m,10#煤底板巖石內摩擦角φ=33.5°~38.9°,取φ=36°,帶入式(4)計算得Hmax=26.1m>9.3m.由計算結果可知,10#煤開采最大破壞深度已波及到11#煤.10#煤回采后,其采空區(qū)一定范圍內出現(xiàn)應力降低區(qū),可以定性地確定11#煤層209工作面的回采巷道采用內錯布置比較合適.2.21采空區(qū)煤層垮落高度計算由于10#煤已回采完畢,其二采區(qū)遺留的區(qū)段煤柱(寬18m)將出現(xiàn)不同程度的應力集中并傳遞到底板,直接影響11#煤209工作面回采巷道的布置.由于10#煤頂板巖性堅硬,煤柱兩側出現(xiàn)不同程度的懸空,故其采空區(qū)上覆巖層重量會通過板或梁的方式傳遞給煤柱.煤柱上的總載荷為式中:P為煤柱上的總荷載,N/m;H為開采深度,m;L為采空區(qū)寬度,m;h為采空區(qū)巖層垮落高度,m;B為煤柱寬度,m;δ為采空區(qū)上覆巖層垮落角,(°);γ為上覆巖層的平均容重,N/m3.煤柱上的均布載荷為q=27.49MPa.把煤巖體簡化為彈性介質,則煤柱受力模型如圖2所示.利用彈性力學理論,均布載荷在板無限平面內任一點(ρ,φ)的應力分量用極坐標表示為將式(7),(8),(9)轉化為直角坐標系得將式(10),(11),(12)進行積分并修正其表達式,得出煤柱在均布載荷作用下其底板任意一點的應力表達式為將10#煤209區(qū)段煤柱18m帶入式(13)~(15)計算可得煤柱在均布載荷作用下底板不同深度的剪切應力、垂直應力及水平應力分布情況,如圖3所示.從圖3上可以看出,三者均呈現(xiàn)出非均勻分布,且都隨著距煤柱水平距離的增大而衰減和擴散,但其應力傳遞規(guī)律不同.煤柱下的剪切應力和水平應力隨著深度的變化其應力峰值和范圍變化不大,基本維持在原巖應力值左右,垂直應力隨深度變大,峰值會逐漸減小,從開始的一個峰值變?yōu)閮蓚€峰值,影響范圍也隨之增大.在8m和10m深度其應力峰值出現(xiàn)在距離煤柱中心線12.8m和14.1m處,在煤柱的邊緣3.8~5.1m范圍都處于應力降低區(qū).311#209路返回車間的合理配置位置確定3.1頂板受力簡化模型煤炭開采破壞了原有的應力平衡環(huán)境,導致應力重新分布,會不可避免地產(chǎn)生應力集中,如在區(qū)段煤柱、三角煤、巷道拐角和巷道交叉處等.從圖3的應力分布曲線不難發(fā)現(xiàn),煤柱底板的各點應力差距很大,而且呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性,但都是非均布載荷.以常見的矩形巷道為例,建立如圖4所示的巷道斷面和如圖5所示的頂板受力簡化模型.在巷道頂板受力模型中:l為巷道頂、梁寬度;q0為均布載荷;k為載荷非均布系數(shù);FA,FB為巷道兩幫受到的頂板壓力;FSA,FSB為巷道左右?guī)褪艿降乃搅?MA,MB為巷道左右?guī)褪艿降牧?EI為梁的抗彎剛度.由力學平衡得解之得從上述計算可以看出,巷道在非均布載荷作用下,巷道兩幫受到的頂板壓力FA和FB不同時,其約束力矩MA和MB也不同.當k變大時,最大彎矩Mmax隨之變大,且呈現(xiàn)出線性變化的趨勢.不僅如此,最大彎矩還會隨著巷道頂板寬度變化呈現(xiàn)類似拋物線變化,且出現(xiàn)在巷道頂板的非中間對稱位置,這充分說明在非均布載荷作用下,巷道很容易出現(xiàn)局部過載而破壞,進而引起巷道整體失穩(wěn).通過對近距離煤層巷道變形現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn):下位煤層的回采巷道布置在應力降低區(qū),依然出現(xiàn)了巷道一幫變形大于另一幫的情形,頂板出現(xiàn)非對稱臺階下沉,并伴隨有底鼓出現(xiàn),錨桿、錨索出現(xiàn)不同程度的失效,甚至部分錨索直接脫落,這充分表明非均布載荷是造成巷道變形破壞的重要原因之一.3.21巷道內錯距m根據(jù)彈性力學半平面問題的求解結果可知,在均布載荷條件下煤層底板的應力分布規(guī)律如圖6所示.由圖6可知,煤柱壓力在煤層底板巖層內傳遞是由近及遠,由大到小的.隨著遠離煤柱,向煤柱底板中的深度愈大,產(chǎn)生的垂直應力愈小,認為0.1p大小的應力對巷道的影響可以忽略不計,故確定煤柱的應力影響邊界在0.1p處.應力在煤層底板巖層內將傳遞相當遠的范圍,而且隨著遠離煤柱而逐漸衰減,其應力影響范圍可以簡化為兩條直線包絡下的范圍,如圖7所示.結合曹村煤礦的具體地質條件,在分析10#煤開采對11#煤的影響關系時,取影響角θ=35°.由圖8可知(Ln為11#煤巷道內錯距),11#煤的回采巷道必須布置在支承壓力影響線外的煤層中,才能避開10#煤遺留煤柱壓力的影響,即要滿足式中:L0為10#煤柱與11#煤巷道水平間距,m;θ為應力影響角,取35°;h1為10#煤和11#煤層間距),取9.3m;h2為11#煤巷道高度,取2.50m.將相關數(shù)據(jù)代入式(17)計算得L0≥8.26m.由于10#煤209工作面巷道掘進沿頂板起底掘進,11#煤209工作面回采巷道相對于10#煤209工作面回采巷道的內錯距為式中:Ln為11#煤209工作面回采巷道內錯距,m;B為10#煤209工作面回采巷道寬度,取4.3m.將相關數(shù)據(jù)代入式(18)計算得Ln=3.96m.由上述計算可知,為避免10#煤遺留煤柱集中應力的影響,11#煤回采巷道與10#煤回采巷道的內錯距最小應為3.96m,考慮一定的安全系數(shù)(1.5倍),內錯距確定為不小于5.94m.而從對煤柱下的應力分布力學計算可知,煤柱下的應力呈現(xiàn)出非均布變化,隨著深度的增加,垂直應力從一個應力峰值變成兩個應力峰值,且出現(xiàn)了緩和均化現(xiàn)象.此時,將巷道布置在距離煤柱底板越遠越好,但由于上下兩層煤間距的客觀條件限制,只能取一個較為合適的深度,即既要考慮將巷道布置在應力降低區(qū),又要考慮應力場變化率的影響,為此定義了應力場變化率系數(shù)ξ,其表達式為式中:σ(x,y)為煤柱下任一點的應力函數(shù);x為煤柱中線到其下面任一點的水平距離,m;y為煤柱下方不同深度的距離,m.上述計算出的巷道錯距是按照均布載荷得出的,但是實際的應力分布是非均勻的,所以不能僅考慮將巷道布置在應力降低區(qū),還要考慮應力場變化率系數(shù)的影響,只有其取得最小值ξmin時,才是合理的錯距.11#煤209工作面回采巷道布置如圖9所示.根據(jù)曹村礦10#煤與11#煤9.3m的層間距,并結合采用均布載荷計算得出的錯距和底板破壞情況綜合分析,確定11#煤209工作面回采巷道合理內錯距為7.5m.4錨網(wǎng)索聯(lián)合支護情況由圖9所示,曹村礦11#煤209工作面回采巷道布置采取內錯7.5m,巷道現(xiàn)已準備完畢,采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護形式.從2011年1月12日到2011年4月3日的為期82d的巷道變形現(xiàn)場實測表明:巷道頂?shù)装謇塾嬕平炕揪S持在64~112mm,兩幫累計移近量為96~134mm,變形速度維持在3~7mm/d,第32天之后巷道變形基本穩(wěn)定.從現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)可以看出,這11#煤209工作面回采巷道相對10#煤209工作面巷道內錯7.5m布置時,巷道采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護效果較好,沒有出現(xiàn)強烈的礦壓顯現(xiàn),巷道支護效果如圖10所示.5回采巷道的選取和巷道放1)曹村煤礦上位10#煤開采引起的超前支承壓力對其底板最大破壞深度為26.1m,是兩層煤間距的2.8倍.在10#煤回采后,其采空區(qū)一定范圍內出現(xiàn)應力降低區(qū),可以定性地確定11#煤209工作面的回采巷道采用內錯方式布置較為合理.2)通過彈性力學理論計算得出,10#煤遺留煤柱在頂板均布載荷作用下底板不同深度的剪切應力、垂直應力及水平應力三者均呈現(xiàn)出非均勻分布,剪切應力和水平應力隨著深度的變化其應力峰值和范圍變化不大,基本維持在原巖應力值左右;而垂直應力隨深度變大,峰值會逐漸減小,從開始的一個峰值變?yōu)閮蓚€峰值,且影響范圍也隨之增大.3)定義了應力場變化率系數(shù)ξ,用其衡量應力場的非均布情況.考慮1.5倍的安全系數(shù),并結合采用均布載荷計算得出的錯距和底板破壞情況,確定11#煤209工作面回采巷道合理內錯距為7.5m.4)通過工程實踐應用表明,曹村煤礦11#煤209工作面回采巷道采用內錯7.5m布置較為合適,巷道采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護效果較好,沒有出現(xiàn)強烈的礦壓顯現(xiàn),研究成果可為其他礦區(qū)近距離煤層開采提供參考.2)11#煤層:厚度1.6~1.7m,平均1.65m,傾角為3°~12°.直接頂主要為黑色泥巖,厚1.0~1.7m,平均1.3m;老頂為細礫巖,以