牛保爐張益東程敬義王曉溪金志遠(yuǎn)溫耀軍張弛

(1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇省徐州市,221008;2.晉城藍(lán)焰煤業(yè)股份有限公司古書院煤礦,山西省晉城市,048000)

大傾角雙斜工作面巖移規(guī)律數(shù)值模擬研究＊

牛保爐1,2張益東1程敬義1王曉溪1金志遠(yuǎn)1溫耀軍1張弛1

(1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇省徐州市,221008;2.晉城藍(lán)焰煤業(yè)股份有限公司古書院煤礦,山西省晉城市,048000)

為研究大傾角雙斜開采工作面的采場應(yīng)力分布與圍巖變形破壞特征,根據(jù)新集二礦E1108工作面地質(zhì)條件,采用UDEC2D3.1數(shù)值模擬軟件分別對大傾角雙斜工作面俯采與仰采時的巖移規(guī)律進行了模擬計算,并對現(xiàn)場相關(guān)實測結(jié)果進行了分析。結(jié)果表明,大傾角雙斜工作面俯采及仰采時采場圍巖應(yīng)力分布及覆巖變形破壞特征均呈現(xiàn)與近水平或緩傾斜煤層不同的特殊規(guī)律。數(shù)值模擬分析與現(xiàn)場實測結(jié)果基本一致。

大傾角雙斜工作面 圍巖應(yīng)力 巖層移動 數(shù)值模擬

大傾角雙斜回采工作面是指大傾角煤層采取沿傾向布置、走向推進的長壁采煤法時,受褶曲等地質(zhì)構(gòu)造影響,先后經(jīng)歷俯斜(仰斜)、仰斜(俯斜)兩個回采階段的工作面。在工作面傾向角度較大的同時還要連續(xù)經(jīng)過俯斜、仰斜兩個回采階段,這對工作面圍巖控制、設(shè)備選型及穩(wěn)定性控制、現(xiàn)場生產(chǎn)管理等諸多方面均提出了很大挑戰(zhàn),此類工作面也基本上匯集了大傾角煤層綜采工作面所面臨的各種問題。而大傾角煤層開采領(lǐng)域相關(guān)問題的研究尚處于探索階段。所以,研究大傾角雙斜開采工作面的采場應(yīng)力及變形破壞特征,對解決各種特殊情況下大傾角煤層開采所面臨的問題提供了重要的科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

E1108工作面位于新集二礦-550 m開采水平東翼采區(qū),井下標(biāo)高-464.9～-607.0 m,工作面走向長度平均940 m,傾斜長度110～127 m。工作面開采11-2煤層,煤層平均厚度2.83 m,直接頂為泥巖,老頂巖層由下向上依次為細(xì)砂巖、薄煤層、泥巖、砂質(zhì)泥巖等,煤層直接底為泥巖,老底是細(xì)砂巖。煤層傾角10～45°,平均32°。煤層褶曲發(fā)育,在走向上緩波狀起伏。工作面里段為偽俯采,外段為偽仰采,最大俯采角度達(dá)42°,最大仰采角度25°。

2 模型的建立

利用UDEC2D3.1數(shù)值模擬軟件分別建立走向、傾向兩個數(shù)值分析模型,考慮到11-2煤層埋藏較深,基巖比較厚,所以一部分地層簡化為均布載荷。走向模型長1400 m,高450 m,傾向模型長600 m,高450 m,采用Mohr-Coulumb本構(gòu)模型。模型中圍巖物理力學(xué)性質(zhì)參照 E1108工作面實際巖體力學(xué)特性,見表1。模型位移邊界條件為:模型的左右及下部邊界為位移邊界,左右邊界限制X方向的位移(X的原點位于模型左側(cè)邊界);下部邊界限制Y方向的位移(Y的原點位于模型下側(cè)邊界)。

走向模型采用分步開挖的開采方式,并分步進行模型應(yīng)力平衡計算。模型中俯采推進長度為470 m,工作面切眼位于X=250 m處,推進至X=650 m俯采結(jié)束,俯采角度設(shè)置為30°;俯采結(jié)束后進入仰采階段,于X=1150 m處結(jié)束,仰采角度設(shè)置為25°。傾向模型采用一次開挖的開采方式,工作面傾角設(shè)置為30°,工作面傾斜長115 m,風(fēng)巷位于X=250 m煤層處,機巷位于X=350 m煤層處。

表1 E1108工作面煤巖體力學(xué)參數(shù)

3 模擬計算結(jié)果分析

3.1 走向模型計算結(jié)果

3.1.1 采場圍巖應(yīng)力分布特點

工作面俯采段及仰采段的圍巖應(yīng)力分布特征及頂板應(yīng)力分布曲線分別如圖1、圖2所示。隨著工作面的推進,圍巖應(yīng)力分布呈現(xiàn)了原巖應(yīng)力區(qū)、支承應(yīng)力區(qū)、采空區(qū)應(yīng)力恢復(fù)區(qū)、采空區(qū)應(yīng)力降低區(qū)4個分區(qū)。由圖1(a)知,俯采段頂板圍巖應(yīng)力釋放較大的區(qū)域(即采空區(qū)應(yīng)力降低區(qū))位于采空區(qū)靠近開切眼側(cè)上方;采空區(qū)底板巖層中同樣形成拱形應(yīng)力降低區(qū),主要區(qū)域位于靠近工作面?zhèn)鹊装鍘r層下方。開切眼側(cè)及工作面?zhèn)葞r層中均形成支承應(yīng)力區(qū),且工作面?zhèn)葞r層中的應(yīng)力集中程度更高。由圖2(a)和2(b)可知,工作面最大超前支承壓力約為18 MPa,超前工作面煤壁15 m左右。俯采結(jié)束后,即俯采向仰采的過渡階段,超前支承應(yīng)力達(dá)到了最大值,最大達(dá)20 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)2.0。分析可知,由于工作面俯角大,煤層開采后,直接頂冒落時有向工作面?zhèn)然瑒拥膬A向,開切眼側(cè)采空區(qū)由于充填不足而造成冒空現(xiàn)象,開切眼側(cè)巖層垮落高度增加帶來應(yīng)力降低區(qū)范圍的增大;老頂則受自重影響支承在工作面前方煤體上,引起此處圍巖應(yīng)力集中。

由圖1(b)可知,工作面仰采時,之前的回采已經(jīng)對圍巖造成了充分的擾動,采空區(qū)頂板圍巖應(yīng)力降低區(qū)范圍更大;同俯采時相比,仰采時頂板巖層由于受到自重沿巖層層面指向采空區(qū)分力的影響,直接頂巖層更易垮落,老頂巖層破斷步距也較短,來壓時頂板受到的擾動更加劇烈,造成頂板巖層破斷處圍巖應(yīng)力降低的幅度也更大。從應(yīng)力分布曲線圖2(c)和2(d)可以看出,仰采段工作面最大超前支承應(yīng)力較俯采段小,且最大支承應(yīng)力超前工作面不足10 m。

3.1.2 圍巖變形特征分析

從工作面走向頂板位移曲線分析可知,工作面進入仰采階段后俯采段上覆巖層垂直位移繼續(xù)增大,回采結(jié)束后上覆巖層垂直位移曲線由非對稱狀態(tài)恢復(fù)成對稱狀態(tài),見圖3(a);俯采段與仰采段上覆巖層水平位移方向相反,均指向俯、仰采拐點方向,并且由俯采向仰采的過渡階段水平位移普遍較小,見圖3(b)。

圖3 工作面走向頂板位移曲線

圖4 頂板巖層垮落特征圖

頂板巖層垮落特征如圖4所示,上覆巖層在不同開采階段呈現(xiàn)出不同的垮落規(guī)律。俯采時由于煤層傾角大,在巖層自重和采動力的共同作用下,直接頂相互“咬合”,形成了砌體梁結(jié)構(gòu),使得老頂?shù)壬细矌r層難以垮落,垮落步距較長。而仰采過程中,頂板巖層受自重沿巖層層面指向采空區(qū)的分量的拉力作用,直接頂隨著工作面推進基本上隨采隨冒,老頂來壓步距也較短,并且老頂巖層斷裂成的巖塊在重力的作用下向采空區(qū)方向旋轉(zhuǎn)、下滑,使得工作面液壓支架上方巖層結(jié)構(gòu)很不穩(wěn)定,容易產(chǎn)生壓垮型冒頂事故和推垮型冒頂事故,同時液壓支架將多次承擔(dān)著頂板的動載壓力?；卷敵醮蝸韷翰骄酁?0 m,俯采段周期來壓步距為20 m,仰采段周期來壓步距為10 m。

3.2 傾向模型計算結(jié)果

3.2.1 垂直應(yīng)力分布特征

由圖5(a)可知頂板圍巖應(yīng)力釋放較大的區(qū)域(即應(yīng)力降低區(qū))位于工作面中上部,應(yīng)力降低區(qū)呈軸線向工作面上部偏移的拱形輪廓;煤層開采后,工作面下端頭巖層內(nèi)的垂直應(yīng)力要比上端頭更集中,因此要注意加強下端頭及運輸巷的支護。分析可知,工作面傾角較大時,工作面上部直接頂冒落后有可能沿底板滑移,導(dǎo)致工作面上部頂板垮落帶高度增加;受老頂巖層分力影響,工作面下端頭應(yīng)力更加集中。

3.2.2 水平應(yīng)力分布特征

由圖5(b)可知水平應(yīng)力比較集中的區(qū)域位于工作面上端頭底板及下端頭頂板中,上端頭頂板中的水平應(yīng)力小于下端頭,上端頭底板中的水平應(yīng)力則大于下端頭,這說明工作面上端頭更容易發(fā)生底臌現(xiàn)象,所以工作面上端頭要著重底板管理,下端頭要著重頂板管理。另外,頂板巖層中的應(yīng)力降低區(qū)主要分布在工作面中下部,且?guī)r層層位比較高,工作面中上部頂板巖層的水平應(yīng)力明顯比中下部大,說明工作面中上部更容易發(fā)生片幫冒頂。

圖5 工作面傾向剖面圍巖應(yīng)力分布特征

3.2.3 圍巖變形特征

工作面傾向頂板位移曲線如圖6所示,工作面頂板巖層發(fā)生了水平位移與垂直位移的復(fù)合運動,距煤層8 m處頂板中最大水平位移與最大垂直位移均位于工作面中上部,距煤層40 m處位移曲線峰值則基本在工作面中部,距煤層65 m處最大位移則已偏向工作面下部,即巖層層位越高,位移峰值越偏向工作面下部方向。

圖6 工作面傾向頂板位移曲線

對比圖5(b)和圖6(b)可以發(fā)現(xiàn),發(fā)生應(yīng)力集中的工作面下端頭頂板巖層出現(xiàn)正位移與負(fù)位移的交錯現(xiàn)象,煤層上方8m處頂板水平位移為負(fù)位移,以上則為正位移。同時,水平應(yīng)力較小的上端頭頂板中的水平位移也較小。

4 現(xiàn)場實測結(jié)果

4.1 工作面基本頂來壓特征

E1108工作面回采時,俯采段與仰采段呈現(xiàn)不同的周期來壓特征,見表2,俯采時沿頂板巖層的分力指向煤壁側(cè),頂板巖層受壓力作用使頂板裂隙有閉合的趨勢,有利于保持頂板的連續(xù)性而不易破斷,老頂周期來壓步距較長,據(jù)觀測,工作面平均周期來壓步距為17.4～19.5m。仰采時頂板將產(chǎn)生沿巖層層面指向采空區(qū)方向的分力,在此分力的作用下,頂板巖層受拉力作用更容易出現(xiàn)裂隙,老頂巖層也更易破斷,觀測期間,平均周期來壓步距僅為8.8～13.3 m。將現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對比分析可知:數(shù)值模擬得到的基本頂垮落特征與現(xiàn)場實測結(jié)果基本一致。

表2 工作面周期來壓特征

4.2 工作面超前支承壓力實測分析

分析工作面超前單體液壓支柱支承壓力(見圖7)可知,由俯采向仰采過渡階段工作面超前支承壓力最大,最大達(dá)211 kN/柱,這與數(shù)值模擬得出的結(jié)果是一致的。另外,通過對比,回采過程中運輸巷側(cè)超前支承壓力普遍比回風(fēng)巷側(cè)大,這也驗證了傾向模型計算中產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象的工作面下端頭圍巖垂直應(yīng)力要比上端頭大的結(jié)論。

圖7 工作面超前支承壓力變化曲線

5 結(jié)論

(1)大傾角雙斜工作面開采時呈現(xiàn)與近水平或緩傾斜煤層不同的圍巖應(yīng)力分布規(guī)律:工作面俯采時采空區(qū)頂?shù)装鍘r層應(yīng)力降低區(qū)均呈軸線偏移的拱形;俯采及仰采時工作面前方圍巖中均形成應(yīng)力集中區(qū),俯采時最大超前支承壓力約為18 MPa,超前煤壁15 m左右,仰采時超前約10 m。

(2)煤層開采時,沿走向方向頂板巖層產(chǎn)生了水平位移與垂直位移的復(fù)合運動;回采結(jié)束后,垂直位移曲線形成軸對稱狀態(tài),水平位移曲線則呈中心對稱狀態(tài)。俯采時頂板巖層受自重指向煤壁側(cè)的分力作用不易破斷,垮落步距較長;仰采時分力方向指向采空區(qū)側(cè),頂板巖層受到拉力作用更易破斷;數(shù)值模擬得到的基本頂來壓特征與現(xiàn)場實測結(jié)果基本一致。

(3)傾向模型計算結(jié)果表明:工作面下端頭巖層內(nèi)的垂直應(yīng)力要比上端頭大,因此要注意加強下端頭及運輸巷的支護;工作面頂?shù)装逯芯霈F(xiàn)拱形垂直應(yīng)力降低區(qū);水平應(yīng)力集中區(qū)分別位于工作面上端頭底板及下端頭頂板中,因此工作面上端頭要加強底板管理,下端頭要加強頂板管理。

[1]趙元放,張向陽,涂敏.大傾角煤層開采頂板垮落特征及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律[J].采礦與安全工程學(xué)報,2007(2)

[2]石平五.急斜煤層老頂破斷運動的復(fù)雜性[J].礦山壓力與頂板管理,1999(3)

[3]黃建功.大傾角煤層采場頂板運動結(jié)構(gòu)分析[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2002(5)

[4]伍永平,解盤石,楊永剛等.大傾角煤層群開采巖移規(guī)律數(shù)值模擬及復(fù)雜性分析[J].采礦與安全工程學(xué)報,2007(4)

(責(zé)任編輯 張毅玲)

Numerical simulation of surrounding rock movement pattern in downward&upward coalmining at large inclination angle

Niu Baolu1,2,Zhang Yidong1,Cheng Jingyi1,Wang Xiaoxi1,Jing Zhiyuan1,Wen Yaojun1,Zhang Chi1
(1.State Key Laboratory of Coal Resources and Mine Safety,School of Mining Engineering,China University of Mining&Technology,Xuzhou,Jiangsu 221008,China;2.Gushuyuan Coal Mine,Jincheng Blue Flame Coal Industry Co.,Ltd.,Jincheng,Shanxi 048000,China)

Aiming at the geological conditions of E1108 coal face of Xinji#2mine,the stope stress distribution and features of surrounding rock deformation in downward&upwardmining at large inclination angle were studied with UDEC2D3.1 numerical simulation software and the surrounding rock movement in downward&upwardmining at large inclination angle and relative measured results have been simulated.It indicates that the stope stress distribution and features of surrounding rock deformation in downward&upwardmining at large inclination angle show on special patterns different from exploiting horizontal and gentle inclined coal seams.The findings provide scientific evidence to E1108 coal facemining andmining practice under similar conditions.

downward&upwardmining coal face,surrounding rock stress,strata movement,numerical simulation

TD323

A

中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室開放研究基金資助項目(09KF10)。

牛保爐(1966-),男,山西晉城人,碩士研究生,現(xiàn)任晉城藍(lán)焰煤業(yè)股份有限公司古書院煤礦礦長,主要從事采礦及管理等方面的工作。