秦　濤,馮俊杰

(1.黑龍江科技大學 黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點實驗室,哈爾濱 150022;2.黑龍江省龍煤礦業(yè)控股集團有限責任公司 七臺河分公司,黑龍江 七臺河 154600)

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傾斜薄煤層開采工作面覆巖活動的規(guī)律

秦濤1,馮俊杰2

(1.黑龍江科技大學 黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點實驗室,哈爾濱 150022;2.黑龍江省龍煤礦業(yè)控股集團有限責任公司 七臺河分公司,黑龍江 七臺河 154600)

為解決傾斜薄煤層頂板控制技術難題,以東風煤礦傾斜薄煤層開采為背景,運用RFPA2D軟件,建立數(shù)值模型,分析不同傾角下薄煤層工作面覆巖活動規(guī)律及頂板失穩(wěn)特征。結果表明:傾斜薄煤層開采后,直接頂從采空區(qū)中部偏上向采空區(qū)彎曲,最后發(fā)生斷裂破壞形成冒落帶,頂板冒落沿層面向下滑動,冒落呈不對稱形狀;傾斜薄煤層工作面煤體上段頂板壓力最大,下段次之,中段最小;隨著煤層傾角的增大,頂板沿煤層傾斜方向的分力增大,垂直作用在支架上的分力減小,導致工作面推進方向的工作面礦壓顯現(xiàn)逐漸變緩,頂板下沉量也將變小。該研究為類似地質條件的傾斜薄煤層工作面頂板控制提供了理論依據(jù)。

傾斜薄煤層;礦壓顯現(xiàn);數(shù)值模擬

煤層覆巖活動規(guī)律對采煤工作面支護設計的影響,取決于上覆巖層“三帶”發(fā)育特征及裂隙帶老頂?shù)姆€(wěn)定性。傾斜薄煤層開采地質賦存條件復雜、機械化開采難度大,工作面覆巖活動規(guī)律具有特殊性[1-4]。緩傾斜薄煤層采高小,直接頂垮落后填滿采空區(qū),老頂位于彎曲下沉帶范圍內,礦壓顯現(xiàn)較小[5-8]。然而當直接頂較薄時,老頂?shù)钠茢嗍Х€(wěn)威脅工作面安全生產(chǎn)。對于傾斜薄煤層而言,直接頂沿傾向方向的移動影響采煤工作面支架、圍巖的穩(wěn)定性[9-12]。傾斜薄煤層開采能力小,產(chǎn)量所占煤礦產(chǎn)量的比例不大。通過工作面覆巖活動規(guī)律的研究確定合理的工作面支護參數(shù),提高傾斜薄煤層開采的技術水平和生產(chǎn)效率,可以解決傾斜薄煤層開采的技術難題。

目前,國內外關于傾斜薄煤層覆巖活動規(guī)律的研究尚少。黑龍江省七臺河礦區(qū)以薄煤層開采為主,且大多數(shù)煤層為傾斜、急傾斜煤層。為解決七臺河礦區(qū)傾斜薄煤層的頂板控制技術難題,以東風煤礦傾斜薄煤層開采為背景,通過數(shù)值模擬和理論分析相結合的方法,分析不同傾角下薄煤層工作面覆巖活動規(guī)律及頂板失穩(wěn)特征,為類似地質條件下傾斜薄煤層采煤工作面頂板控制提供了理論依據(jù)。

1　數(shù)值模型

RFPA2D(Rock fracture analysis)軟件基于有限元理論和統(tǒng)計損傷理論,將材料性質非均性、缺陷分布隨機性的統(tǒng)計分布假設結合到數(shù)值計算方法中,對滿足強度準則的單元進行破壞處理,實現(xiàn)非均勻性材料破壞過程的數(shù)值計算。軟件中設定松散系數(shù),可實現(xiàn)冒落巖體碎脹模擬再現(xiàn),使巖層移動的模擬更符合實際?；谏鲜鰞?yōu)點,文中以東風煤礦72#煤層為工程背景,選用RFPA2D軟件模擬傾斜薄煤層工作面覆巖活動規(guī)律。

東風煤礦72#煤層,傾角20°～45°,煤厚0.8～1.2 m,平均厚度1.0 m;72#煤層的43002工作面煤層埋深595～634 m,工作面長140 m,煤層傾角平均為24°。巖層的力學性質見表1。模型見圖1,其上邊界為均布載荷,左右水平位移為0,下邊界固支。

2　結果與分析

2.1工作面覆巖活動規(guī)律

2.1.1工作面沿走向覆巖活動規(guī)律

采用多分層頂板回采模型,巖層力學性質服從韋伯分布,采用修正的莫爾-庫侖準則作為單元破壞的準則,模型的高寬之比為2∶3,其尺寸為100 m×150 m,采用載荷加載方式模擬上部荷載,加載量為11.8 MPa,工作面推進步距為4 m,分10步開挖。

表1　巖塊基本參數(shù)

圖1　數(shù)值計算模型

根據(jù)圖1所示模型,模擬開挖時直接頂與基本頂?shù)钠茐那闆r。隨工作面推進的頂板應力分布狀態(tài)如圖2所示,灰度值表示巖石受力狀態(tài),灰度值小的區(qū)域為巖石剪應力集中區(qū)域,灰度值大的區(qū)域為巖石拉應力集中區(qū)域。

圖2a～2c顯示了基本頂初次來壓過程。隨工作面推進,直接頂在重力作用下發(fā)生下沉,處于工作面后方一側先接觸矸石,隨之另一側在自重應力和上覆巖層作用下垮落;隨著采空區(qū)范圍的增大和直接頂垮落,基本頂失穩(wěn),懸露面積擴大;工作面推進到36 m時,推進長度達到老頂巖梁的極限跨度,發(fā)生切斷性垮落,即形成基本頂?shù)某醮蝸韷骸?/p>

由圖2可知,隨工作面推進,巖梁懸露跨度增大,彎曲下沉逐漸明顯,當下沉值超過“假塑性巖梁”最大允許值時,巖梁從中部發(fā)生垮落(圖2c)。

圖2　隨工作面推進頂板垮落狀況

工作面上覆巖層充分采動后的破壞情況如圖3所示。由圖3可知,上覆巖層充分運動后,直接頂巖層垮落厚度為5～6 m;同時,由于直接頂巖層節(jié)理裂隙的存在,其最大跨落分層厚度為1.5～2.0 m。通常情況下,垮落帶高度為煤層采高的3～5倍,說明模擬結果與實際情況吻合。在工作面支護設計中,只有明確垮落帶的運動情況及垮落高度才能有效控制礦山壓力,模擬結果可供工作面支護設計參考。

圖3　采場上覆巖層充分采動后的破壞情形

2.1.2工作面沿傾向覆巖活動規(guī)律

根據(jù)圖1所建立模型,模擬工作面沿傾向直接頂與基本頂?shù)钠茐那闆r,結果見圖4。由于采高較小,煤層傾角不大,直接頂垮落后基本充填滿采空區(qū),上部垮落矸石不易下滑。由于煤層傾角的存在,裂隙帶范圍呈不對稱拱形,頂板上部巖層以彎曲拱的形式向下滑動。

圖4　工作面沿傾向頂板垮落狀況

2.2煤層傾角對覆巖活動規(guī)律的影響

2.2.1不同傾角下工作面沿走向覆巖活動規(guī)律

模擬煤層傾角為20°、25°、35°、45°條件下,工作面推進過程中基本頂初次跨落情況及初次來壓時頂板壓力情況,結果分別如圖5、6所示，其中，p為頂板壓力，l為距煤壁距離。

由圖5可知,煤層傾角從20°增加到45°,沿傾斜方向分力增大,垂直作用在支架上的分力減小,工作面推進方向的礦壓顯現(xiàn)變緩,工作面老頂初次來壓步距依次變大,分別為34、36、44、50 m。

由圖6可知,煤層傾角從20°增加到45°,老頂初次來壓強度(p)分別為28.5、25.1、17.9、16.2 MPa,強度依次減弱。頂板切向峰值出現(xiàn)在煤壁后方3 m左右,強度隨煤層傾角增大而遞減。

2.2.2不同傾角下工作面沿傾向覆巖活動規(guī)律

不同傾角下工作面沿傾向覆巖活動模擬結果見圖7。

圖5　不同傾角下工作面基本頂初次跨落狀況

圖6　不同傾角下工作面頂板初次跨落時頂板壓力分布

圖7　不同傾角下工作面沿傾向覆巖活動情況

煤層傾角變化對頂板跨落的影響表現(xiàn)為,頂板巖石塑性變形區(qū)域隨傾角增大向工作面上方移動,上部頂板巖層運動程度隨傾角增大而劇烈,頂板巖層向下滑移的傾向隨傾角增大也增大。頂板垮落的矸石沿煤層底板下滑,充填中、下段采空區(qū),工作面煤體上段頂板壓力最大,下段次之,中段最小。因此,工作面頂板控制設計應按工作面上部條件考慮,同時,注意支柱的傾倒問題。

3　結　論

(1)東風煤礦傾斜薄煤層開采后,直接頂從采空區(qū)中部偏上向采空區(qū)彎曲,最后發(fā)生斷裂破壞形成冒落帶,頂板冒落沿層面向下滑動,冒落呈不對稱形狀。

(2)工作面煤體上段頂板壓力最大,下段次之,中段最小。這是由于煤層傾角增大、垮落的矸石沿煤層底板下滑充填中、下段采空區(qū)所致。

(3)隨著煤層傾角的增大,頂板沿煤層傾斜方向的分力增大,垂直作用在支架上的分力減小,導致工作面推進方向的礦壓顯現(xiàn)逐漸變緩,頂板下沉量也隨之變小。

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(編輯荀海鑫)

Study on strata behaviours at face of gradient and inclined thin coal seam

QIN Tao1,FENG Junjie2

(1.Heilongjiang Ground Pressure &Gas Control in Deep Mining Key Lab,Heilongjiang University of Science &Technology, Harbin 150022,China;2.Qitaihe Branch,Heilongjiang Longmay Mining Holding Group Co.Ltd.,Qitaihe 154600,China)

This paper is motivated by the solution to roof control on the inclined thin coal seam.The solution is developed by investigating activity rule behind working surface rock and roof buckling characteristic,based on what occurs in inclined thin coal seam of Dongfeng mine and establishing numerical model using RFPA2Dsoft.The results show that the mining operation of inclined thin coal seam is followed by the occurrence of the direct roof curving from the middle and upper area to worked out section,and the consequent development of the caving zone due to the failure—caving zone of asymmetrical shape falling along the roof； inclined thin coal seam is subjected to the varying roof pressure from upper-the biggest one,through lower zone to central section—minimum one;the increased dip angle of coal seam results in the increasing roof stress,with consequent reduction in the vertical force on the support,thus decreasing strata behaviors and the deflection along advancing direction in working face.The study may provide a theoretical basis for roof control on other similar inclined thin coal seam.

inclined thin coal seam;strata behaviors;numerical simulation

2015-03-03

國家自然科學基金項目(51474099；51374097);黑龍江省普通高校采礦工程重點實驗室開放課題(2013-KF06)

秦濤(1983-),男,黑龍江省湯原人,講師,博士研究生,研究方向:采煤方法與圍巖控制,E-mail:19140270@qq.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.02.001

TD324.2

2095-7262(2015)02-0119-05

A