王金安 高治國 王 利 劉 騰

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

近年來，隨著綜采放頂煤技術(shù)的不斷提高與進(jìn)步，綜采放頂煤成為我國煤炭行業(yè)實(shí)現(xiàn)礦井高效高產(chǎn)的主要方式之一。成功地進(jìn)行綜放開采的重要標(biāo)志是能對采場及巷道圍巖進(jìn)行有效控制，所以安全、經(jīng)濟(jì)和最大限度地提高回采率成為一個(gè)非常重要的問題。國內(nèi)學(xué)者和技術(shù)專家對綜放開采的頂煤動(dòng)移規(guī)律、覆巖運(yùn)動(dòng)及破壞、礦壓顯現(xiàn)等問題開展了大量的現(xiàn)場實(shí)測和理論分析研究，取得了較豐富的科研成果。然而對不同采放比下的覆巖結(jié)構(gòu)破壞方式、周期來壓強(qiáng)度變化、支撐壓力分布規(guī)律等缺乏統(tǒng)一有效的綜合分析，單一的工況研究難以反映和揭示綜放采場在最優(yōu)回采率下的圍巖應(yīng)力分布本質(zhì)?？梢?，針對不同采放比下的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行研究，不僅具有重要的理論價(jià)值，而且具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 計(jì)算模型與計(jì)算參數(shù)

計(jì)算模型長1 000 m，模擬深度550 m，煤層埋深420 m，煤層厚30 m，屬于特厚煤層，頂板以薄層狀砂質(zhì)泥巖、泥巖為主，局部為粉砂巖及炭質(zhì)泥巖，水平層理發(fā)育，底板為10 m厚的細(xì)砂巖質(zhì)地堅(jiān)硬。所模擬工作面屬于華亭煤田，華亭煤田位于華北地層區(qū)的西南緣，屬陜甘寧盆地盆緣地層分區(qū)平?jīng)觥缐鄣貙拥谋辈?。其總的特征與華北地層區(qū)相似，缺失上奧陶統(tǒng)、志留系、泥盆系和石炭系地層。本區(qū)地層從老到新有薊縣系、寒武系、奧陶系中下系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系下統(tǒng)、上第三系和第四系等，煤層分布在侏羅系延安組。巖石基本力學(xué)參數(shù)采用華亭實(shí)測鉆孔綜合數(shù)據(jù)，見表1;巖層節(jié)理基本力學(xué)參數(shù)見表2。模型塊體的本構(gòu)關(guān)系采用摩爾－庫倫準(zhǔn)則，節(jié)理面的本構(gòu)模型采用面接觸的庫倫滑移模型，距左邊界處150 m開切眼，放煤工藝為一采一放。

按照不同采放比進(jìn)行工況劃分。工況1:在煤層上部采3 m，不放頂，采放比為1∶0。工況2:在煤層上部采3 m放3 m，采放比為1∶1。工況3:在煤層上部采3 m放4.5 m，采放比為1∶1.5。工況4:在煤層上部采3 m放6 m，采放比為1∶2。工況5:在煤層上部采3 m放7.5 m，采放比為1∶2.5。工況6:在煤層上部采3 m放9 m，采放比為1∶3。工況7:在煤層上部采3 m放12 m，采放比為1∶4。

表1 巖石基本力學(xué)參數(shù)

表2 巖層節(jié)理基本力學(xué)參數(shù)

2 綜放工作面煤層力學(xué)場特征

在工作面前方布置3條監(jiān)測線，監(jiān)測線位置如圖1所示，沿采空區(qū)前方的頂板、正前方、底板布置，監(jiān)測在不同工況下煤層內(nèi)的應(yīng)力變化。研究在相同推進(jìn)距離情況下，不同采放比對支撐壓力峰值大小及峰值距工作面距離的影響。

圖1 煤層內(nèi)監(jiān)測線分布

計(jì)算結(jié)果表明，工作面前方的支撐壓力峰值隨采放比的提高而逐漸減小，存在著呈反比的規(guī)律。由圖2可見，在工作面推進(jìn)100 m時(shí)，隨著采放比的提高，支撐壓力峰值由14 MPa逐漸降低到11.7 MPa。由圖3可見，在工作面推進(jìn)300 m時(shí)，隨著采放比的提高，峰值距工作面的距離由15 m逐漸提高到42 m，可見峰值距工作面的距離與采放比有著呈正比的規(guī)律。

圖2 支承壓力峰值與采放比的關(guān)系

圖3 峰值距工作面距離與采放比關(guān)系

3 采場覆巖裂隙場、垮落帶分析

研究礦壓與采放比的關(guān)系前，要先深入剖析采場的覆巖變化規(guī)律、破壞規(guī)律、運(yùn)動(dòng)規(guī)律，覆巖的運(yùn)動(dòng)是引發(fā)礦壓的根本原因。因此對采場的塑性場、裂隙場進(jìn)行深入分析和探討，研究不同采放比對兩場的影響規(guī)律。小采放比裂隙帶分布特點(diǎn)見圖4，大采放比裂隙帶分布特點(diǎn)見圖5，采放比與裂隙場關(guān)系見圖6。小采放比垮落帶分布形態(tài)見圖7，大采放比垮落帶分布形態(tài)見圖8，采放比與垮落帶關(guān)系見圖9。

圖4 小采放比裂隙帶分布特點(diǎn)

計(jì)算結(jié)果表示，工作面推進(jìn)200 m時(shí)在不同工況下裂隙場分布不同，采放比與裂隙帶分布高度呈正比關(guān)系。觀察圖6可知，從工況1到工況5的過程雖然高度不斷升高，但是裂隙發(fā)育的密度增長速率很慢，但到了工況6，裂隙場發(fā)育密度猛然增加，表明采場在采放比在1∶2.5與1∶3的采放比有明顯差距，裂隙場存在質(zhì)的變化，這同時(shí)也說明了，工況6和工況7的覆巖運(yùn)動(dòng)和礦壓顯現(xiàn)和工況1～5有著明顯差距。同時(shí)也符合塑性區(qū)垮落帶的分析，也與下面的礦壓分析的結(jié)果相一致。

圖5 大采放比裂隙帶分布特點(diǎn)

圖6 推進(jìn)200 m采放比與裂隙場關(guān)系

圖7 小采放比垮落帶分布特點(diǎn)

圖8 大采放比垮落帶分布特點(diǎn)

4 礦壓分析

圖9 推進(jìn)200 m采放比與垮落帶關(guān)系推進(jìn)200 m

在不同采放比下，工作面回采期間所受到的周期來壓大小、來壓步距及動(dòng)載系數(shù)均不同，利用回填單元模擬液壓支架，在回填單元中布置監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測到了支架工作阻力，在迭代過程中覆巖運(yùn)動(dòng)引起的的支架響應(yīng)具體見表3、圖10。

表3 各工況礦壓規(guī)律對比

圖10 工況與支架最大工作阻力關(guān)系

綜合表3和圖10分析，工況1的平均來壓步距是29.47 m，工況2的平均來壓步距是28 m，發(fā)展到工況7平均來壓步距是14.2 m，可見隨著采放比的增大來壓步距逐漸縮小，表明增大采放比提高了周期來壓頻率。接著分析來壓大小。工況1的平均動(dòng)載系數(shù)是1.41，發(fā)展到工況7平均動(dòng)載系數(shù)是1.45，可見隨著采放比的逐漸增大，支架的周期來壓系數(shù)越大，周期來壓越明顯，并且結(jié)合最大支架工作阻力，在柱狀圖中也可發(fā)現(xiàn)，工況5的最大來壓工作阻力是13 598 kN/架，到了工況7的最大來壓工作阻力是14 400 kN/架，相差較大?？梢娫谥芷趤韷簞×页潭壬?，采放比為1∶2.5與1∶3存在著本質(zhì)差別，采放比越大，來壓頻率越高，來壓次數(shù)越多，來壓越劇烈、越明顯。

5 結(jié)論

(1)在回采期間，工作面前方煤層內(nèi)的支撐壓力隨采放比提高而減小，支撐壓力峰值點(diǎn)距工作面的距離變長。

(2)根據(jù)裂隙場、塑性場、位移場的三場分析，回采長度一致時(shí)，采放比越大，裂隙場發(fā)育深度越深。采放比越大，垮落帶高度越大，這也是動(dòng)載系數(shù)加大的根本原因。采放比越大，位移場冒落帶越大，與垮落帶情形一致。同時(shí)來壓頻率越大，周期來壓步距越小。支架所受的最大工作阻力越大，動(dòng)載系數(shù)越大，來壓越猛烈。

(3)不同采放比的工作面穩(wěn)定性可以分為3級，工況1到工況3為一級，工況4、工況5為二級，工況6、工況7為三級，一級表明回采階段來壓頻率低，動(dòng)載系數(shù)小，來壓不劇烈。二級表明回采階段來壓頻率中等，動(dòng)載系數(shù)中等，來壓不明顯，工作面總體穩(wěn)定性較可靠。三級表明來壓頻率高，來壓劇烈，支架所受工作阻力大，工作面安全系數(shù)較低。綜合分析，在華亭礦區(qū)，既經(jīng)濟(jì)又安全的最優(yōu)回采率為1∶2.5。

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