深部大采高綜放開采覆巖運動規(guī)律研究

于克梁+張貴銀+于濤

摘??要：龍堌煤礦1301工作面為深井大采高綜放工作面，為了分析大采高條件下綜放開采煤壁裂隙的發(fā)育特征，應(yīng)用UDEC軟件研究了在深井復雜條件下，采場應(yīng)力隨著工作面推進的分布特征和頂煤塑性破壞規(guī)律的影響，確定了1302工作面基本頂來壓時，超前支承壓力峰值點位置至煤壁距離由來壓前的8.5?m變?yōu)?2.2?m（初次來壓），周期來壓步距為23?m。

關(guān)鍵詞：復雜深井;大采高綜放;覆巖運動;數(shù)值模擬

中圖分類號：TD323???????????????文獻標識碼：A???????????????DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.14.007

由國內(nèi)外現(xiàn)有深井復雜條件下厚煤層開采覆巖運動規(guī)律的研究狀況可知，目前，深井綜放開采中存在一個明顯的不足，即在深井復雜地質(zhì)條件下，覆巖運動規(guī)律研究與采煤工藝研究相分離，造成了設(shè)計環(huán)節(jié)與生產(chǎn)實際情況相脫節(jié)，給安全、高效生產(chǎn)帶來了一定的困難。綜放開采作為一種特殊的開采方法，其開采工藝有別于其他采煤工藝，所以，在頂煤破碎規(guī)律、工藝等方面存在很大的差異，而深井復雜條件下的礦山壓力與頂煤破碎之間的關(guān)系也需要作進一步的研究。鑒于此，針對龍固煤礦的實際開采情況和地質(zhì)條件，利用UDEC模擬，分析了大采高條件下礦山壓力分布和煤矸放落的規(guī)律，確定了放煤步距、放煤方式等放煤工藝參數(shù)。

1??工程概況

龍堌煤礦區(qū)屬黃河沖積平原，地形平坦，地面平均標高為+43.26?m，主要開采煤層為3煤，煤層厚度為5.66～11.36?m，平均8.82?m，傾角為2°～5°，平均埋深850?m。1301工作面內(nèi)3煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1??3煤頂、底板特征

頂、底板

巖石名稱

厚度/m

特征

基本頂

粉砂巖互層

12.42

灰綠色，深灰色水平層理，有黃鐵礦薄膜和植物化石

直接頂

粉砂巖

2.35

深灰色，內(nèi)有大量植物化石碎屑，層面見有黃鐵礦薄膜

直接底

粉砂巖

0.8

灰黑色，夾有細砂奪，硬度較大，內(nèi)有萬解石

基本底

細砂巖

2.1

灰白綠色，夾有粉砂巖薄層，有萬解石薄膜和黃鐵礦晶體

2??深井綜放采場圍巖破壞運動規(guī)律研究

綜采放頂煤開采頂煤經(jīng)過破碎和放出2個過程，頂煤破碎是支架與頂板壓力共同作用的結(jié)果，是放頂煤開采的關(guān)鍵。采用UDEC數(shù)值模擬，分析了不同采高條件下頂板覆巖應(yīng)力分布規(guī)律和頂煤破壞特征，并確定了上覆巖層的破壞運動規(guī)律。

數(shù)值模擬模型的相關(guān)參數(shù)為：煤層厚度8.8?m，在綜放開采條件下，采3?m，放5?m。在模擬過程中，按水平煤層處理，模擬采深為800?m，模擬采用的煤巖體物理力學參數(shù)如表2所示。

表2??計算采用的煤巖體物理力學參數(shù)

放頂煤采場壓力拱的形成

分步開挖中的巖體應(yīng)力矢量如圖1所示。

圖1??分步開挖中的巖體應(yīng)力矢量

由圖1可知，采空區(qū)兩側(cè)煤壁受力比較大，而采空區(qū)上部覆巖受力比較小。應(yīng)力曲線是將采場上部方向一致的應(yīng)力矢量平滑連接起來形成的，覆巖應(yīng)力曲線的特點是：應(yīng)力曲線起于采空區(qū)后部煤壁，終止于煤壁前方，拱腳壓力比較大，拱頂處應(yīng)力最高，即從拱頂?shù)焦澳_，軸向力逐漸遞增，體現(xiàn)出了應(yīng)力拱的受力特性。由應(yīng)力曲線的梯度可知，上方的應(yīng)力拱承載應(yīng)力大于下方應(yīng)力拱（σM3>σM2>σM1），并且應(yīng)力承載點位于煤壁前方煤體上。

此外，在工作面煤壁和采空區(qū)切眼處，煤體前方出現(xiàn)局部的超前支承壓力集中現(xiàn)象，頂煤在此超前應(yīng)力作用下預先變形破壞，并最終通過支架放落下來。研究不同采高條件下的支承壓力分布規(guī)律，可以確定特定采厚條件下的工作面采高。

至此，開采導致的采場上覆巖層運動結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成，在應(yīng)力曲線M1拱梁線下，為垮落巖層，位于應(yīng)力曲線M2、M3形成的壓力拱之間為梁式平衡拱結(jié)構(gòu)。

2.2??梁式平衡拱下的頂板覆巖運動特征

2.2.1??直接頂垮落特征

在梁式平衡結(jié)構(gòu)下，垮落帶一般能夠隨采隨冒，在水平方向沒有力的傳遞，而導水裂縫帶則處于鉸接平衡狀態(tài)。在煤壁前方，直接頂已經(jīng)開始變形破壞，并且其垮落由上及下逐漸減小，直至全部垮落，跨落后散亂堆積在采空區(qū)內(nèi)，如圖2所示。

圖2??直接頂垮落時壓力拱形態(tài)

2.2.2??基本頂運動特征

隨著工作面推進距離的增加，上覆巖層經(jīng)歷彎曲、下沉、離層和失穩(wěn)4個狀態(tài)，至基本頂應(yīng)力重新分布平衡、穩(wěn)定?；卷敵醮蝸韷簳r（來壓步距32.8?m），基本頂?shù)谝环謱釉诓煽諈^(qū)中心觸矸，但是，兩端處于鉸接狀態(tài)，仍能傳遞水平方向的力，同時，上分層巖體出現(xiàn)離層。離層后，基本頂處于半巖梁狀態(tài)，使基本頂初次來壓對支架上的載荷變小，如圖3所示。煤壁前方超前支撐壓力分布規(guī)律如圖4所示。

圖3??基本頂初次來壓垮落運動形態(tài)

圖4??基本頂初次來壓超前支承壓力分布曲線

由圖4可知，超前支承壓力峰值在基本頂初次來壓時會向煤壁前方推移約3.5?m，由超前煤壁8.5?m變?yōu)?2.2?m，并且壓力峰值也會隨著超前支撐壓力的推移而增大至40?MPa。這是因為煤壁支架控頂區(qū)內(nèi)頂板向下回轉(zhuǎn)，煤壁破碎，煤體—圍巖體系自承能力下降，導致超前支撐壓力峰值增加且向前方推移。

但是，基本頂初次來壓觸矸在采空區(qū)處于鉸接狀態(tài)，各分層巖體能夠傳遞水平方向的力，形成傳遞巖梁，并且從基本頂觸矸點到控頂區(qū)前半巖梁可以形成穩(wěn)定的梁式平衡拱結(jié)構(gòu)，所以，基本頂初次周期來壓作用在支架的動載小于平衡拱內(nèi)上覆巖層的重量。由于頂板回彈，支架受力會進一步減小，周期來壓步距變?yōu)?3?m，周期來壓時的垮落形態(tài)如圖5所示。

圖5??周期來壓時的垮落形態(tài)

由圖5可知，基本頂周期垮落的典型特征為：由于基本頂下分層巖體周期失穩(wěn)垮落，導致其上位巖層彎曲、下沉、離層，甚至失穩(wěn)垮落。

3??結(jié)束語

通過對深部大采高綜放開采直接頂、基本頂運動規(guī)律的數(shù)值模擬研究可知，直接頂隨采隨冒，在水平方向沒有力的傳遞，而頂煤相當于直接頂，所以，頂煤在直接與基本頂?shù)V山壓力的共同作用下易破碎垮落，為放頂煤開采提供了理論依據(jù)。

確定3煤層周期來壓步距為23?m，并且超前支承壓力峰值前移至12.2?m，峰值壓力為40?MPa，因此，需要加強回采巷道的超前加固和工作面支架阻力監(jiān)測。

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〔編輯：白潔〕

Study?on?the?Law?of?Overlying?Strata?Movement?in?Deep

Mining?and?High?Comprehensive?Caving?Mining

Yu?Keliang，?Zhang?Guiyin，?Yu?Tao

Abstract：?1301?working?face?in?Longgu?Coal?Mine?deep?well?mining?height?fully?mechanized?face?with?caving?working?face，?in?order?to?analyze?large?mining?high?under?the?condition?of?fully?mechanized?top?coal?caving?characteristics?of?the?development?of?the?coal?wall?fracture，?using?UDEC?software?was?studied?in?complicated?deep?well?conditions，?stope?stress?with?the?effect?of?elastoplastic?failure?law?of?working?face?advancing?distribution?characteristics?of?top?coal，?determined?the?1302?face?basic?top?pressing?ahead?for?12.2?meters?（initial?pressure?variable?pressure?of?abutment?pressure?peak?position?to?coal?wall?distance?origin?of?8.5?meters），?the?periodic?weighting?step?distance?is?23?meters.

Key?words：?complex?deep?well;?high?comprehensive?coal?mining;?overlying?rock?movement;?numerical?simulation