急斜煤层开采覆岩漏风途径生成演化模拟.pdf

第 24 卷 第 4期 2007 年 12 月 采矿与安全工程学报 Journal of Mining 微裂隙; 漏风; 供氧通道 中图分类号 TD 823 文献标识码 A Dynamic Evolution of Air Leakage Channel in Overburden Rocks in Mining Steep Coal Seems SHAO Xiaopin, SHI Pingwu School of Energy Engineering, Xi an University of Science and Technology, Xi an, Shaanxi 710054, China Abstract The destruction process of upperlayers was simulated by means of strata failure process analysis system RFPA 2D in order to make clear the cause of fire in working face in horizontal section top coal caving. The result of numerical simulation shows that fractures of upperlayers have an expanding and penetrating process. The micro fractures are firstly ed in roof above the working face. Along with mining underneath working face, they develop to wards shallow direction undergoing repeated closing and opening, and, finally connect with the fractures which were ed in the process of surface subsidence and develop toward the depth. This may an air supply channel leading to the gob over the working face, easy to result in fire disaster in the gob, damaging the working face. It will cause spontaneous combustion of coal in gobs and the enormous harm for the working face safety in production. Stopping up the air leakage channel is helpful for avoiding coal spontaneous combustion. Key words horizontal section top coal caving; micro fracture; air leakage; air supply channel 急倾斜水平分段放顶煤开采[ 1 3], 工作面上方 采空区靠顶板侧极易发生火灾, 危及工作面正常安 全生产. 采空区遗煤要发生自燃, 具备连续的漏 风[ 4]供氧通道是不可或缺的重要条件之一. 分段放 顶煤开采工作面一般采用均压通风[ 5], 且段高取得 较大时 18 22 m , 工作面风流通过上部顶煤裂 隙至采空区的漏风量是很微小的, 不足以引起残煤 自燃, 因此采空区发火必然存在其它漏风供氧途 采矿与安全工程学报第 24 卷 径. 目前, 对急斜煤层漏风供氧途径的研究, 还仅 停留在基于现场观测研究基础上. 其形成与发展的 深层次研究, 无法简单地用解析法求解, 相反数值 模拟提供了一种有效的研究方式. 国内在采矿和地 下结构工程中, 已有许多利用有限元 FEM , 边界 元 BEM 和位移非连续法 DDM 等对开采后的围 岩破坏进行数值模拟的报道. 但这些方法中多数是 从均匀、 连续介质出发, 而实验和工程实际均表明 岩石类材料的非均匀性对破坏机制影响是显著的. 岩石内部的孔隙、 软的或硬的结核及颗粒、 颗粒边 界和三通点都可以诱发应力集中而产生微破坏. 特 别是急倾斜煤层的形成经历了地壳不均衡沉降和 冲蚀作用, 以及后期地质构造运动数度褶皱和断裂 运动的影响, 非均匀性是造成此类岩石脆性材料在 地下开采后应力集中区产生的一个重要原因. 基于以上认识, 本文采用岩石破裂渐近过程分 析软件 RFPA 2D来进行数值研究. 该软件运用物理 统计的方法来描述材料的非均匀性, 可对特定的结 构面做非均匀处理, 对于模拟急倾斜煤层浅部开采 后采动区覆岩裂隙萌生、 扩展及贯通, 形成漏风供 氧通道的过程是非常有效的. 研究将有助于对急斜 煤层工作面火灾成因的深入了解, 并进而采取有效 的防灾措施, 因此显得非常必要和有意义. 1 模拟矿区概况及模型的建立 以神华新疆能源公司下属苇湖梁煤矿 B1 2煤 层开采为模拟研究对象. 煤层平均倾角 65 , 水平 厚度 36 m, 为急斜特厚煤层开采. 煤层呈简单单斜 构造, 赋存较稳定. 伪顶为炭质泥岩, 厚 0. 16 m; 直 接顶为炭质泥岩、 泥岩互层, 厚度 3. 62 m; 基本顶 为泥岩, 厚 22. 5 m. 伪底为泥岩、 炭质泥岩互层, 厚 0. 47 m; 直接底为泥岩、 细砂岩、 砂质泥岩层, 厚 3. 98 m; 老底为泥岩、 砂质泥岩层, 厚10. 6 m. 苇湖 梁矿煤岩物理力学参数如表 1. 表 1 模型参数表 Table 1 Parameter list of model 岩 层 容重/ kN m- 3 抗压强度/ M Pa 弹模/ MPa 内摩擦 角/ 泊松比 泥岩24. 245. 66 890380. 25 炭质泥岩23. 032. 44 500340. 28 B1 2煤层13. 814. 82 230320. 31 砂质泥岩23. 538. 54 750350. 27 砂泥岩互层25. 852. 57 550390. 24 矿井共划分 4个开采水平, 第 1 水平 670 730 为报废水平, 目前正开采第 2 水平 550 670 . 数值实验模拟第 2水平 550 670 及 第 3 水平 430 550 部分开采, 模型整体尺寸 450 m ∀ 300 m, 设计每步开挖段高 20 m 见图 1 . 图 1 计算模型m Fig. 1 Calculating model 2 数值计算裂隙发展过程及结果分析 RFPA2D在模拟中引入基元的概念. 基元是构 成介质的基本细观尺度单元, 是在物理力学性质方 面能够代表介质特征的最小单元. 并假设离散后的 基元体力 学性质 的分布 是统计性 的, 引入 了 Weibull 统计分布函数[ 6], 即 m 0 0 m - 1 e - 0 m , 式中 为岩石介质基元体力学性质参数; 0为基 元体力学性质的平均值; m 为岩石介质的均匀性系 数. 模型共划分为 60 000 个单元, 上边界自由, 两 端及底部边界约束, 模拟煤层从上至下开采. 即从 第 2 开采水平首分段开始开挖, 每次开挖段高为 20 m. 数值模拟主要研究随着分段工作面由上至下 的开采, 围岩中裂隙萌生、 发展的过程, 以便为急斜 煤层开采防灭火工作寻求科学的依据. 2. 1 上覆岩层顶板侧裂隙发展过程 苇湖梁煤矿 B1 2煤层采用急斜水平分段放顶 煤开采. 首分段开采过程中, 炭质泥岩直接顶稳定 性较差, 脆性特征明显, 受采动影响后向采空区冒 落. 同时第 1 水平遗留煤柱下部受拉成拱形破坏后 向采空区冒落 见图 2a . 第 2 分段开采过程中, 采 空区靠顶板侧基本顶下位岩层受压产生剪切裂隙, 裂隙延伸距离极短, 其扩展处岩层易冒落. 采空区 左上钝角处及上方煤柱主要受拉产生微裂隙, 裂隙 扩展性差, 受损体极易冒落 见图 2b . 第 3 分段开 采初期 第 8 步第 2 子步开挖, 见图 2c , 围岩破坏 向浅部方向发展, 裂隙扩展性仍然较差. 第 3 分段 开采后期 第 8 步第 37 子步开挖, 见图 2d , 采空 区上方上覆层受顶底板强烈挤压后塑性特征加强. 454 第 4 期邵小平等 急斜煤层开采覆岩漏风途径生成演化模拟 最初在基本顶上位岩层及上覆层靠底板处产生具 有较大扩展性及延伸性的剪切裂隙, 裂隙朝浅部方 向发展; 而后在靠顶板侧地表形成近于垂直的拉裂 隙, 裂隙朝深部方向发展. 第 4 分段开采初期 第 11 步第 1 子步开挖, 见图 2e , 顶板侧的裂隙进一 步扩展延伸, 可明显看出几组裂隙的存在. 裂隙延 伸同时伴随着裂隙所夹受损岩体的破坏冒落. 部分 裂隙在发展过程中存在闭合、 扩展的反复过程. 在 第 4 分段开采中期 第 11 步第 4 子步开挖, 见图 2f , 顶板处扩展裂隙瞬时贯通, 从而形成由地表至 工作面上方采空区的漏风供氧通道. 图 2 上覆层裂隙发展过程 Fig. 2 Developing process of overlying fracture 由此, 上覆层顶板裂隙的发展随开挖后采空区 的增大经历了裂隙萌生、 发展及贯通的全过程, 靠 顶板侧树状分布裂隙应是采取防灾措施的重点. 2. 2 上覆岩层底板侧裂隙发展过程 与顶板侧裂隙发展不同, 底板侧采空区上方上 覆层最初形成具有一定扩展性及延伸性的剪切裂 隙, 但随着分段工作面的下移及上覆层朝底板侧的 挤压运动, 剪切裂隙扩展终止, 产生反向压缩. 由图 3 图 3a 对应图 2a, 图 3b 对应图 2c, 图 3c 对应图 2d, 图 3d 对应图 2f, x 线表示地表影响区域内的水 平位移情况, y 线表示影响区域内的竖直方向位移 情况 地表位移量对比分析可知, 竖向位移在水平 分段放顶煤开采过程中随着分段工作面向深部的 延伸呈现增加趋势, 最大位移递增量变化由 620, 820, 1 650 到6 050 mm, 特别在顶板处裂隙贯通时 期, 位移呈现急剧增长, 反映出急斜煤层开采地表 沉陷剧烈性及多次反复性的特点, 这是与近水平及 缓斜煤层所完全不同的. 水平位移最初是对向运动 的 图 3a , 且顶板侧的水平位移明显大于底板侧. 随着开采的延续, 水平位移呈现单向朝底板侧运动 特征. 因此底板侧裂隙最终产生闭合性, 而不会形 成与地表贯通的漏风供氧通道. 图 3 地表位移量对比 Fig. 3 Contrast analysis of the surface displacement 分析图 3 可知, 顶板处裂隙在瞬时贯通时刻, 竖向最大位移处受损岩体经相互挤压, 所对应水平 位移量减小, 最大水平位移转至贯通裂隙附近, 并 且裂隙贯通瞬时水平位移呈现急剧增长特征. 顶板 处裂隙贯通后裂隙扩展达到暂时的最大值. 3 贯通裂隙控制研究 基于以上分析, 急斜放顶煤开采过程中顶板侧 裂隙的贯通使地表至工作面上方采空区产生漏风 供氧途径, 其存在给工作面安全生产带来极大危 害. 由于采空区有三角煤及遗煤损失, 通过贯通裂 隙对采空区氧的供给, 残煤极易发生自燃. 如果开 采区域为高瓦斯地区, 工作面将面临爆炸危险. 而 且在地表如不采取有效措施, 贯通裂隙将随着时间 延续和下分段开采进一步扩展, 其对安全生产的危 害性将快速增加. 为防止贯通裂隙进一步扩展, 在 地表应采取待工作面推过一段距离, 上覆层有一定 稳定性后进行黄土充填措施. 黄土充填及注水后可 有效堵塞漏风供氧途径; 黄土经碾压后又可以对贯 通裂隙起到反向挤压作用. 因此可有效阻止地表至 采空区漏风. 4 实例分析 新疆乌鲁木齐矿区下属碱沟煤矿, 属急斜煤层 群开采, 煤层平均倾角 84 . B1 2煤层为稳定的巨厚 煤层. 分段工作面开采过程中, 地表产生槽形塌陷, 塌陷区域有浓烟产生 见图 4a , 说明工作面上方 采空区残煤发生自燃. 随后在工作面推过一定距离 后, 在地表进行黄土充填、 注水及碾压后, 采空区发 火熄灭, 如图 4b 示. 这说明对于急斜煤层开采来 说, 分段放顶煤开采形成了由地表至采空区的漏风 供氧通道, 正是此通道的存在造成了采空区残煤自 燃, 而地表黄土充填、 注水及碾压措施对于堵塞漏 455 采矿与安全工程学报第 24 卷 风供氧途径是非常有效的. 图 4 塌陷坑概况 Fig. 4 General situation of subsidence pit 5 结 论 1 工作面靠顶板侧树状分布裂隙形成了由地 表至工作面上方采空区的漏风供氧通道, 是造成采 空区发火并进而引起工作面发火的主要原因. 2 在地表堵塞漏风供氧途径是防止急斜煤层 工作面上方采空区发火的重要手段之一. 采取黄土 充填堵塞漏风通道以防止采空区发火实践证明是 可行的. 参考文献 [ 1] 石平五, 高召宁. 急斜特厚煤层开采围岩与覆盖层破 坏规律[ J] . 煤炭学报, 2003, 281 1316. SHI Ping wu, GAO Zhao ning. The failure law of surrounding rocks overlying bed in the steep special thickness seem mining [ J] . Journal of China Coal So ciety, 2003, 281 1316. [2] 高召宁, 石平五. 急斜煤层开采老顶破断力学模型分 析[ J] . 矿山压力与顶板管理, 2003, 21 1 8184. GAO Zhao ning, SHI Ping wu. Mechanical model of main roof destruction in mining steep seams [ J] . Ground Pressure and Strata Control, 2003, 21 1 81 84. [3] 邵小平, 石平五. 急斜放顶煤开采围岩破坏规律立体 模拟研究[ J]. 采矿与安全工程学报, 2006, 23 1 107110. 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[6] 唐春安, 王述红, 傅宇方. 岩石破坏过程数值试验 [ M]. 北京 科学出版社, 2003 2224. 下期内容预告 下期采矿与安全工程学报∃主要发表下列内容的文章 1 采动围岩活动与工作面瓦斯涌出关系研究 2 高应力软岩巷道全断面松动卸压技术研究 3 潞安矿区奥陶系岩溶演化主控因子特征分析 4 深井巷道底鼓机理及切槽控制技术数值分析 5 基于采场覆岩空间结构的宽条带开采技术研究 6 陷落柱形成的力学机理及数值模拟研究 7 柔性注压锚杆主要设计参数的研究 8 刀柱式老采空区上行长壁开采的采矿安全评价 9 岩体力学参数敏感性正交数值模拟试验分析 10 富水覆岩采动裂隙渗流相似模拟研究 11 综放大断面切眼锚杆长度与间排距关系的研究与应用 12 综放面特殊煤层注水降尘的技术研究 456