近距离煤层开采底板破坏的力学分析

近距离煤层开采底板破坏的力学分析

中国近距离煤层的所有权、储存和开采比例很大。大多数矿区存在着近距离煤层开采的问题，如霍州、宝鸡、平顶山、邯郸等矿区。现有关于近距离煤层开采的研究主要是经验性的定性总结,缺乏相应的定量指导,尤其是下位煤层工作面回采巷道合理错距的确定.以往的开采经验主要有两种:一种是上位煤层工作面采完后,待顶板垮落稳定后再回采下位煤层,未充分考虑上位煤层开采后遗留煤柱应力集中所造成的影响,导致下位煤层工作面回采巷道布置不合理,矿山压力显现明显,巷道维护困难;另一种是上下煤层同时开采,但在实际生产过程中组织实施协调开采工作的难度较大.而对于下位煤层孤岛工作面回采巷道错距的确定,不仅要把下位煤层工作面回采巷道布置在应力降低区内,同时又要尽可能地保证下位煤层工作面顶板能够较好地形成结构,以便于巷道维护.为此,本文结合霍州曹村煤矿具体地质条件,应用理论分析、力学计算及现场实测手段,对10#和11#极近距离煤层开采过程中下位11#煤层209孤岛工作面回采巷道合理布置位置进行了研究,定量地确定出了巷道的合理内错距,研究成果可为其他矿区近距离煤层开采提供参考.1煤层开采时自然状况曹村煤矿可采煤层从上至下有2#,9#,10#及11#煤,2#,9#,10#煤已开采完毕,目前正进行11#煤开采.1)10#煤层:厚度1.85~8.06m,平均4.43m.煤层底板岩性多为中、细砂岩,局部为砂质泥岩和黑色泥岩.210上位煤层工作面开采后底板破坏深度和预留煤柱的应力分布力两极近距离煤层的下位煤层工作面回采巷道合理错距的确定与上位煤层的底板破坏深度和遗留煤柱的应力分布情况有着十分密切的关系.为此,需对上位煤层工作面开采后底板破坏深度和遗留煤柱的应力分布情况进行力学分析.2.110.01煤炭底板的深度力学分析2.1.1工作面底板破坏力学模型10#煤209工作面采用全部垮落法处理顶板,顶板垮落稳定后会在其下方形成应力降低区.11#煤209工作面回采巷道布置在何处较为合适,成为工作面快速投产之前亟待解决的难题.根据上下煤层具体位置关系,建立如图1所示的10#煤层底板破坏力学模型.由图1可以看出,随着工作面的开采,其底板岩层在一定范围内移动和破坏,F点为破坏的最深点.随着底板支承压力的移动,破坏点会形成一条近似的平行破坏线FG.同时,由于支承压力的作用,底板岩层被破坏成碎块结构,煤壁与底板的关系类似于建筑物基础与地基的关系.2.1.2a角螺线方程10#煤开采后引起的底板破坏深度,可以采用土力学中的地基计算方法,并依据塑性理论及采场矿压理论,将其分为3个区域.主动应力区(Ⅰ区)式中φ为内摩擦角.过渡区(Ⅱ区)CD曲线为对数螺线,以A为原点,其螺线方程为式中:r为以A为原点与r0成α角处的螺线半径;r0为AC或BC的长度.被动应力区(Ⅲ区)工作面底板的破坏主要是由于支承压力的影响,根据图1可知通过计算得出底板的最大破坏深度为根据曹村煤矿大量现场实测数据表明,工作面超前支承压力峰值在其前方12m左右处.因此,可以取L=12m,10#煤底板岩石内摩擦角φ=33.5°~38.9°,取φ=36°,带入式(4)计算得Hmax=26.1m>9.3m.由计算结果可知,10#煤开采最大破坏深度已波及到11#煤.10#煤回采后,其采空区一定范围内出现应力降低区,可以定性地确定11#煤层209工作面的回采巷道采用内错布置比较合适.2.21采空区煤层垮落高度计算由于10#煤已回采完毕,其二采区遗留的区段煤柱(宽18m)将出现不同程度的应力集中并传递到底板,直接影响11#煤209工作面回采巷道的布置.由于10#煤顶板岩性坚硬,煤柱两侧出现不同程度的悬空,故其采空区上覆岩层重量会通过板或梁的方式传递给煤柱.煤柱上的总载荷为式中:P为煤柱上的总荷载,N/m;H为开采深度,m;L为采空区宽度,m;h为采空区岩层垮落高度,m;B为煤柱宽度,m;δ为采空区上覆岩层垮落角,(°);γ为上覆岩层的平均容重,N/m3.煤柱上的均布载荷为q=27.49MPa.把煤岩体简化为弹性介质,则煤柱受力模型如图2所示.利用弹性力学理论,均布载荷在板无限平面内任一点(ρ,φ)的应力分量用极坐标表示为将式(7),(8),(9)转化为直角坐标系得将式(10),(11),(12)进行积分并修正其表达式,得出煤柱在均布载荷作用下其底板任意一点的应力表达式为将10#煤209区段煤柱18m带入式(13)~(15)计算可得煤柱在均布载荷作用下底板不同深度的剪切应力、垂直应力及水平应力分布情况,如图3所示.从图3上可以看出,三者均呈现出非均匀分布,且都随着距煤柱水平距离的增大而衰减和扩散,但其应力传递规律不同.煤柱下的剪切应力和水平应力随着深度的变化其应力峰值和范围变化不大,基本维持在原岩应力值左右,垂直应力随深度变大,峰值会逐渐减小,从开始的一个峰值变为两个峰值,影响范围也随之增大.在8m和10m深度其应力峰值出现在距离煤柱中心线12.8m和14.1m处,在煤柱的边缘3.8~5.1m范围都处于应力降低区.311#209路返回车间的合理配置位置确定3.1顶板受力简化模型煤炭开采破坏了原有的应力平衡环境,导致应力重新分布,会不可避免地产生应力集中,如在区段煤柱、三角煤、巷道拐角和巷道交叉处等.从图3的应力分布曲线不难发现,煤柱底板的各点应力差距很大,而且呈现出一定的规律性,但都是非均布载荷.以常见的矩形巷道为例,建立如图4所示的巷道断面和如图5所示的顶板受力简化模型.在巷道顶板受力模型中:l为巷道顶、梁宽度;q0为均布载荷;k为载荷非均布系数;FA,FB为巷道两帮受到的顶板压力;FSA,FSB为巷道左右帮受到的水平力;MA,MB为巷道左右帮受到的力矩;EI为梁的抗弯刚度.由力学平衡得解之得从上述计算可以看出,巷道在非均布载荷作用下,巷道两帮受到的顶板压力FA和FB不同时,其约束力矩MA和MB也不同.当k变大时,最大弯矩Mmax随之变大,且呈现出线性变化的趋势.不仅如此,最大弯矩还会随着巷道顶板宽度变化呈现类似抛物线变化,且出现在巷道顶板的非中间对称位置,这充分说明在非均布载荷作用下,巷道很容易出现局部过载而破坏,进而引起巷道整体失稳.通过对近距离煤层巷道变形现场实测发现:下位煤层的回采巷道布置在应力降低区,依然出现了巷道一帮变形大于另一帮的情形,顶板出现非对称台阶下沉,并伴随有底鼓出现,锚杆、锚索出现不同程度的失效,甚至部分锚索直接脱落,这充分表明非均布载荷是造成巷道变形破坏的重要原因之一.3.21巷道内错距m根据弹性力学半平面问题的求解结果可知,在均布载荷条件下煤层底板的应力分布规律如图6所示.由图6可知,煤柱压力在煤层底板岩层内传递是由近及远,由大到小的.随着远离煤柱,向煤柱底板中的深度愈大,产生的垂直应力愈小,认为0.1p大小的应力对巷道的影响可以忽略不计,故确定煤柱的应力影响边界在0.1p处.应力在煤层底板岩层内将传递相当远的范围,而且随着远离煤柱而逐渐衰减,其应力影响范围可以简化为两条直线包络下的范围,如图7所示.结合曹村煤矿的具体地质条件,在分析10#煤开采对11#煤的影响关系时,取影响角θ=35°.由图8可知(Ln为11#煤巷道内错距),11#煤的回采巷道必须布置在支承压力影响线外的煤层中,才能避开10#煤遗留煤柱压力的影响,即要满足式中:L0为10#煤柱与11#煤巷道水平间距,m;θ为应力影响角,取35°;h1为10#煤和11#煤层间距),取9.3m;h2为11#煤巷道高度,取2.50m.将相关数据代入式(17)计算得L0≥8.26m.由于10#煤209工作面巷道掘进沿顶板起底掘进,11#煤209工作面回采巷道相对于10#煤209工作面回采巷道的内错距为式中:Ln为11#煤209工作面回采巷道内错距,m;B为10#煤209工作面回采巷道宽度,取4.3m.将相关数据代入式(18)计算得Ln=3.96m.由上述计算可知,为避免10#煤遗留煤柱集中应力的影响,11#煤回采巷道与10#煤回采巷道的内错距最小应为3.96m,考虑一定的安全系数(1.5倍),内错距确定为不小于5.94m.而从对煤柱下的应力分布力学计算可知,煤柱下的应力呈现出非均布变化,随着深度的增加,垂直应力从一个应力峰值变成两个应力峰值,且出现了缓和均化现象.此时,将巷道布置在距离煤柱底板越远越好,但由于上下两层煤间距的客观条件限制,只能取一个较为合适的深度,即既要考虑将巷道布置在应力降低区,又要考虑应力场变化率的影响,为此定义了应力场变化率系数ξ,其表达式为式中:σ(x,y)为煤柱下任一点的应力函数;x为煤柱中线到其下面任一点的水平距离,m;y为煤柱下方不同深度的距离,m.上述计算出的巷道错距是按照均布载荷得出的,但是实际的应力分布是非均匀的,所以不能仅考虑将巷道布置在应力降低区,还要考虑应力场变化率系数的影响,只有其取得最小值ξmin时,才是合理的错距.11#煤209工作面回采巷道布置如图9所示.根据曹村矿10#煤与11#煤9.3m的层间距,并结合采用均布载荷计算得出的错距和底板破坏情况综合分析,确定11#煤209工作面回采巷道合理内错距为7.5m.4锚网索联合支护情况由图9所示,曹村矿11#煤209工作面回采巷道布置采取内错7.5m,巷道现已准备完毕,采用锚网索联合支护形式.从2011年1月12日到2011年4月3日的为期82d的巷道变形现场实测表明:巷道顶底板累计移近量基本维持在64~112mm,两帮累计移近量为96~134mm,变形速度维持在3~7mm/d,第32天之后巷道变形基本稳定.从现场实测数据可以看出,这11#煤209工作面回采巷道相对10#煤209工作面巷道内错7.5m布置时,巷道采用锚网索联合支护效果较好,没有出现强烈的矿压显现,巷道支护效果如图10所示.5回采巷道的选取和巷道放1)曹村煤矿上位10#煤开采引起的超前支承压力对其底板最大破坏深度为26.1m,是两层煤间距的2.8倍.在10#煤回采后,其采空区一定范围内出现应力降低区,可以定性地确定11#煤209工作面的回采巷道采用内错方式布置较为合理.2)通过弹性力学理论计算得出,10#煤遗留煤柱在顶板均布载荷作用下底板不同深度的剪切应力、垂直应力及水平应力三者均呈现出非均匀分布,剪切应力和水平应力随着深度的变化其应力峰值和范围变化不大,基本维持在原岩应力值左右;而垂直应力随深度变大,峰值会逐渐减小,从开始的一个峰值变为两个峰值,且影响范围也随之增大.3)定义了应力场变化率系数ξ,用其衡量应力场的非均布情况.考虑1.5倍的安全系数,并结合采用均布载荷计算得出的错距和底板破坏情况,确定11#煤209工作面回采巷道合理内错距为7.5m.4)通过工程实践应用表明,曹村煤矿11#煤209工作面回采巷道采用内错7.5m布置较为合适,巷道采用锚网索联合支护效果较好,没有出现强烈的矿压显现,研究成果可为其他矿区近距离煤层开采提供参考.2)11#煤层:厚度1.6~1.7m,平均1.65m,倾角为3°~12°.直接顶主要为黑色泥岩,厚1.0~1.7m,平均1.3m;老顶为细砾岩,以