注水軟化對淺埋厚硬關(guān)鍵層礦壓的影響

注水軟化對淺埋厚硬關(guān)鍵層礦壓的影響

1厚硬關(guān)鍵層采場充填規(guī)律在采礦和開采地表巖石層的巖石中，通常會(huì)發(fā)現(xiàn)厚而硬的屋頂層，即厚而硬的關(guān)鍵層。例如，中國山西、內(nèi)蒙古、北京等許多礦區(qū)的礦山和印度和其他國家的礦山。厚而硬的關(guān)鍵層通常位于采礦和巖石表面。厚硬關(guān)鍵層在開采過程中大面積懸露和冒落，礦山壓力顯現(xiàn)劇烈，影響范圍大，若處理不當(dāng)，往往會(huì)造成災(zāi)難性的后果。目前，采礦工程中對厚硬關(guān)鍵層控制的主要方法有鉆孔爆破法、注水軟化法和充填法等。根據(jù)厚硬關(guān)鍵層的具體情況，不太厚的厚硬關(guān)鍵層從采空區(qū)向上鉆孔爆破松動(dòng)巖層，特厚厚硬關(guān)鍵層從地表或開巷道在其上方鉆孔爆破松動(dòng)巖層，這種方法的實(shí)質(zhì)是用排孔或切口破壞厚硬關(guān)鍵層的幾何連續(xù)性以及造成巖體中的應(yīng)力集中來達(dá)到強(qiáng)制放頂?shù)哪康?。而頂板注水軟化法基于高壓水作用下注水孔壁及其周邊巖體的受內(nèi)壓開裂，加上巖石與水的物理、化學(xué)作用使其力學(xué)性能顯著下降，而使厚硬關(guān)鍵層承載能力大為減弱，易于冒落。頂板注水期間，一部分注入的水會(huì)滲進(jìn)開采煤層，從而采煤時(shí)粉塵大為減少。頂板注水軟化法由于具有軟化效果較好、消耗費(fèi)用低以及能利于生產(chǎn)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，因此，在山西大同和北京礦區(qū)的多家礦井被采用。厚硬關(guān)鍵層的破斷、冒落及其對礦山壓力的影響較薄關(guān)鍵層更加復(fù)雜，其規(guī)律性和力學(xué)機(jī)理尚有待廣泛而深入探討。文對某礦區(qū)具有淺埋厚硬關(guān)鍵層采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行了研究，本文對該礦區(qū)2#，3#鉆孔所對應(yīng)的難冒落、礦壓顯現(xiàn)劇烈的淺埋厚硬關(guān)鍵層采場注水力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，在此基礎(chǔ)上本文采用巖層破斷過程分析系統(tǒng)RFPA2D軟件，對3#鉆孔不同注水軟化參數(shù)下的上覆巖層破斷與冒落規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值摸擬研究。對2#鉆孔注水軟化的上覆巖層破斷與冒落規(guī)律附帶進(jìn)行了數(shù)值摸擬。2各層中砂巖力學(xué)參數(shù)采礦工程實(shí)踐和研究表明，并非所有的厚硬巖層均適宜采用注水軟化法，這主要取決于軟化系數(shù)。軟化系數(shù)ηc定義為水飽和巖石試件的單向抗壓強(qiáng)度σcw與干燥巖石試件單向抗壓強(qiáng)度σc的比值，即式(1)可用來衡量巖石注水后強(qiáng)度的降低程度，軟化系數(shù)越小，表示越適宜采用注水軟化法。本文所研究的厚硬關(guān)鍵層為中砂巖，其力學(xué)參數(shù)見表1。為得到σcw，采用直徑50mm，高度100mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形巖塊試件，用水浸泡至飽和狀態(tài)，通常條件下試驗(yàn)所用中砂巖浸水至飽和狀態(tài)大約需用6d時(shí)間，經(jīng)單向壓縮試驗(yàn)，可得到的軟化系數(shù)ηc為0.44～0.50。3礦壓模型及分層根據(jù)某礦區(qū)提供的鉆孔資料，其煤層覆巖存在17～36m厚的砂巖老頂。該礦區(qū)煤層埋深為200m左右，厚度為4.5m左右，屬中硬煤層；老頂為中砂巖，一般無明顯分層，抗壓強(qiáng)度σc為30～40MPa。3#鉆孔煤層埋深為175m，厚為5m，老頂巖層為厚36m的中砂巖。3#鉆孔R(shí)FPA2D平面應(yīng)變礦壓模型見圖1。其中，水平方向?yàn)?00m，垂直方向?yàn)?00m(煤層底板厚度20m)。數(shù)值計(jì)算時(shí)此模型被劃分為2m×2m的正方形網(wǎng)格，共300×100=30000個(gè)。模擬煤層從左到右開挖，開挖寬度為200m，兩側(cè)各留200m煤柱，每個(gè)開挖步距為10m。巖層的分層特性取值嚴(yán)格以鉆孔資料為依據(jù)，巖層與巖層之間設(shè)有強(qiáng)弱不等的層理。模型中巖層亮度越高，說明其彈性模量越大。模型上表面為自由表面，左右邊界加水平位移約束，下表面為底板，加鉛垂方向位移約束。2#鉆孔煤層埋深為252m，厚為4.5m，老頂巖層為厚23m的中砂巖。以2#鉆孔巖層柱狀圖為基礎(chǔ)建立的平面應(yīng)變礦壓分析模型，其水平方向?yàn)?00m，垂直方向?yàn)?00m(圖略)，其余同3#鉆孔。4采場來壓的情況根據(jù)采礦工程實(shí)際，分別考慮軟化系數(shù)ηc和軟化厚度hr改變時(shí)，對應(yīng)上覆巖層冒落情況以及對采場來壓的影響。在RFPA2D軟件數(shù)據(jù)輸入時(shí)，對于不同軟化系數(shù)ηc和軟化厚度hr，只需將厚硬關(guān)鍵層分為兩層，下層為厚度為hr的軟化層，并根據(jù)軟化系數(shù)ηc，降低軟化層彈性模量、抗壓和抗拉強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)，而其他參數(shù)保持不變。4.1軟化系數(shù)的確定取軟化系數(shù)ηc=0.44(對應(yīng)抗壓強(qiáng)度σc=15.4MPa，彈性模量E=15GPa)，改變厚硬關(guān)鍵層下部分軟化厚度hr，對應(yīng)不同軟化厚度，3#鉆孔厚硬關(guān)鍵層軟化厚度與初始冒落步距關(guān)系如圖2所示。從圖2可以看出，在軟化系數(shù)ηc不變的條件下，隨著軟化厚度hr的增加，采場的初始冒落步距Lc顯著減小。改變軟化系數(shù)的對應(yīng)結(jié)果見圖3。當(dāng)軟化厚度為0即不進(jìn)行軟化處理時(shí)，覆巖冒落情況及底板最上層所受支撐壓力σy沿模型寬度方向尺寸l分布曲線如圖4所示。其初始冒落步距約為180m，采空區(qū)在如此大的懸頂距下發(fā)生初始冒落給采場造成的礦山壓力是極大的。其厚硬關(guān)鍵層斷裂冒落過程中的主關(guān)鍵塊，由圖4中支撐壓力分布曲線計(jì)算(計(jì)算依據(jù)文)得到。當(dāng)軟化厚度為20m時(shí)，對應(yīng)的覆巖冒落情況及支撐壓力分布曲線如圖5,6所示。其初始冒落步距約為70m，周期冒落步距約為110m，對應(yīng)的最大支撐壓力值約為7600kN。比較可見，達(dá)到飽和軟化條件下，即軟化系數(shù)ηc=0.44，并實(shí)現(xiàn)一定的軟化厚度，此處hr=20m較為理想，上覆巖層冒落情況大為改善，初始冒落步距僅為原來的39%，并且采場來壓大幅減小，僅為原來的19%。軟化系數(shù)ηc=0.7(對應(yīng)抗壓強(qiáng)度σc=25MPa，彈性模量E=25GPa)時(shí)，改變厚硬關(guān)鍵層下部分軟化厚度hr，對應(yīng)不同軟化厚度RFPA2D軟件數(shù)值模擬結(jié)果如圖2中虛線所示。4.2充填巖冒落分析取軟化厚度hr=10m，改變軟化系數(shù)ηc，對應(yīng)不同軟化系數(shù)ηc,RFPA2D軟件數(shù)值模擬結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，在取軟化厚度hr=10m的條件下，隨著軟化系數(shù)ηc的減小，采場的初始冒落步距顯著減小。當(dāng)軟化系數(shù)ηc=0.14(對應(yīng)抗壓強(qiáng)度σc=5MPa，彈性模量E=5GPa)時(shí)，初始冒落步距約為50m，工作面前方煤壁處的最大支撐壓力約為5800kN。對應(yīng)的覆巖冒落情況及支撐壓力分布曲線如圖7,8所示。軟化厚度hr=15m，改變軟化系數(shù)ηc，對應(yīng)不同軟化系數(shù)ηc,RFPA2D軟件數(shù)值模擬結(jié)果如圖3中虛線所示。4.32厚硬關(guān)鍵層礦壓與采場礦壓的關(guān)系由上述對3#鉆孔注水?dāng)?shù)值模擬結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)：取軟化系數(shù)ηc=0.44，當(dāng)軟化厚度hr=20m時(shí)，礦山壓力才能得到較為理想的控制；而取軟化厚度hr=10m，則只有當(dāng)軟化系數(shù)ηc=0.14時(shí)，礦山壓力才能得到較為理想的控制。但目前采礦工程中，要達(dá)到軟化厚度hr=20m、軟化系數(shù)ηc=0.14多是難以辦到的。因此，從數(shù)值模擬結(jié)果看，3#鉆孔對應(yīng)采場頂板巖層單獨(dú)采用注水軟化法控制采場礦壓較難，須采用其他弱化頂板的方法，如深孔爆破，或幾種方法結(jié)合使用。2#鉆孔的厚硬關(guān)鍵層厚度僅為23m，煤層埋深為252m，僅此2項(xiàng)指標(biāo)與3#鉆孔就有明顯的差異。通過對2#鉆孔類似的數(shù)值模擬，結(jié)果顯示2#鉆孔用注水軟化能夠達(dá)到較為理想的強(qiáng)制放頂目的。這里僅列出軟化系數(shù)ηc=0.44、軟化厚度hr=10m時(shí)的數(shù)值模擬結(jié)果。2#鉆孔對應(yīng)的覆巖冒落情況及支撐壓力分布曲線如圖9,10所示。從圖9,10可以得出，厚硬關(guān)鍵層中的軟化層及整個(gè)厚硬關(guān)鍵層冒落時(shí)，礦山壓力顯現(xiàn)較為平緩。厚硬關(guān)鍵層中的軟化層初次冒落步距約為60m，整個(gè)厚硬關(guān)鍵層初次冒落步距約為100m，工作面前方煤壁處的最大支撐壓力約為4500kN。5注意事項(xiàng)在采場礦壓控制過程中,巖樣的灌注軟化系數(shù)c(1)數(shù)值模擬結(jié)果表明，針對具體的巖層，選擇合理的注水軟化參數(shù)，可以大幅降低采場上覆巖層初次冒落步距，顯著減小采場礦壓顯現(xiàn)，從而正確指導(dǎo)采礦工程實(shí)際。(2)巖樣的軟化系數(shù)ηc比