郭瑞永

(大同煤礦集團(tuán)馬道頭煤業(yè)公司， 山西 大同 037000)

1 前言

隨著礦井開采技術(shù)的成熟和機(jī)械化水平不斷發(fā)展，大采高綜放開采技術(shù)已經(jīng)成為厚煤層開采的發(fā)展方向。但是大采高會(huì)導(dǎo)致工作面圍巖所承受應(yīng)力增大，巷道圍巖在縱向和橫向上運(yùn)動(dòng)范圍增大，容易引發(fā)冒頂、片幫，影響工作面的安全回采[1-3]。而大采高也會(huì)導(dǎo)致工作面支架阻力增加，支架穩(wěn)定性差，可能會(huì)出現(xiàn)由于阻力不足導(dǎo)致支架壓死的現(xiàn)象，對(duì)設(shè)備造成一定的損害[4]。因此，研究大采高綜放工作面覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)控制圍巖破壞和支架選型等具有重要的指導(dǎo)意義。

2 工作面概況

同煤集團(tuán)某礦8105工作面位于北一盤區(qū)輔運(yùn)大巷西部，切巷西部為鐵豐鐵路保護(hù)煤柱，北側(cè)為正在掘進(jìn)的8106工作面，兩個(gè)工作面之間為DF24斷層保護(hù)煤柱，南側(cè)為規(guī)劃中的8104工作面。工作面四周均為實(shí)煤區(qū)，對(duì)應(yīng)上部無(wú)采空區(qū)。工作面走向長(zhǎng)度2 288m，傾斜長(zhǎng)度220m。工作面煤層賦存3#～5#煤，煤層賦存穩(wěn)定，厚度為3.76～6.53m，平均4.9m，為3、5#煤層合并區(qū)域。3～5#煤層有1～6層夾矸，平均厚度0.97m，巖性主要為泥巖、炭質(zhì)泥巖，煤的普氏系數(shù)f=3。

3 覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律數(shù)值模擬

3.1 模擬方案

采用UDEC建立大采高綜放工作面數(shù)值分析模型，通過(guò)不同采高工作面覆巖位移變化得到覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律。根據(jù)8105工作面地質(zhì)條件，建立200 m×100 m模型，將上覆巖層作用在工作面上方近似為均布載荷，巖層力學(xué)參數(shù)見表1。為了監(jiān)測(cè)工作面覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律，分別在工作面上方4m、8m、14m處布置3條水平測(cè)線監(jiān)測(cè)垂直位移變化情況。

表1 模型各巖層力學(xué)參數(shù)

工作面回采后上覆巖層會(huì)出現(xiàn)“三帶”，通過(guò)模擬不同采高時(shí)冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶的高度，得到大采高綜放工作面覆巖破壞情況與一般采高的不同之處，從而得到大采高綜放工作面覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律[5-7]。

3.2 模擬結(jié)果分析

當(dāng)工作面自開切眼回采至35m處直接頂初次斷裂，采用UDEC分別模擬采高2～7m，工作面覆巖破壞情況如圖1所示。

圖1 不同采高工作面推進(jìn)至35m時(shí)覆巖運(yùn)動(dòng)

由圖1可知，不同采高的工作面推進(jìn)至35m處，覆巖破壞情況各不相同。根據(jù)位于工作面上方4m處的監(jiān)測(cè)線1#監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，覆巖縱向最大位移位于采空區(qū)中部位置。當(dāng)采高為2m時(shí)，最大位移為1.4m，并且隨著采高的增大，工作面覆巖最大位移不斷增加，當(dāng)采高增大到7m時(shí)，縱向位移增加到6.5m。1#監(jiān)測(cè)線監(jiān)測(cè)覆巖縱向位移值均較大，由此可知，1#監(jiān)測(cè)層位覆巖已垮落，采高2～7m垮落帶高度均為4m。

根據(jù)位于工作面上方8m處的監(jiān)測(cè)線2#監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，覆巖縱向最大位移位于采空區(qū)中部位置。當(dāng)采高分別為2m、3m、4m、5m、6m、7m時(shí)，縱向最大位移為8cm、10cm、3.2m、4.3m、5.2m、6m。由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，采高為4m時(shí)，覆巖位移突然快速增大，表明2#監(jiān)測(cè)層位覆巖已經(jīng)垮落。當(dāng)采高小于4m時(shí)，工作面回采后該監(jiān)測(cè)層位覆巖彎曲下沉與采空區(qū)矸石接觸承載；當(dāng)采高大于4m時(shí)，該層位巖層垮落，不能繼續(xù)承載。

根據(jù)位于工作面上方14m處的監(jiān)測(cè)線3#監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，當(dāng)采高分別為2m、3m、4m、5m、6m、7m時(shí)，最大位移為6cm、8cm、10cm、4.0m、4.8m、5.5m。由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，采高為5m時(shí)，覆巖位移突然快速增大，表明2#監(jiān)測(cè)層位覆巖已經(jīng)垮落，該監(jiān)測(cè)層位巖層進(jìn)入垮落帶。

從工作面上方4m、8m、14m處布置3條水平測(cè)線監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，當(dāng)工作面采高為2～3m時(shí)，直接頂與采空區(qū)矸石接觸，冒落帶不在向上發(fā)育，穩(wěn)定在一定的數(shù)值，直接頂上方形成離層；當(dāng)工作面采高為4～7m時(shí)，直接頂垮落，不能形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，冒落帶高度隨著采高增大不斷增加。8105工作面不同采高工作面覆巖冒落帶高度見表2。

表2 工作面不同采高冒落帶高度

4 不同采高覆巖結(jié)構(gòu)研究

4.1 冒落帶研究

由表2數(shù)據(jù)繪制工作面不同采高覆巖冒落帶高度示意圖，如圖2所示。

圖2 不同采高冒落帶高度示意圖

由圖2可知，8105綜放工作面冒落帶高度隨著工作面采高的增加整體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，但整體增大趨勢(shì)不是線性的，而是折線增大趨勢(shì)。由圖中可以看出，在個(gè)別拐點(diǎn)處呈現(xiàn)突變的趨勢(shì)，其原因是由于工作面覆巖出現(xiàn)關(guān)鍵層，關(guān)鍵層控制覆巖的運(yùn)動(dòng)。

4.2 離層研究

根據(jù)UDEC模擬數(shù)據(jù)繪制工作面離層隨采高變化示意圖，如圖3所示。

圖3 不同采高離層高度示意圖

由圖3可知，8105綜放工作面離層高度隨著工作面采高的增加整體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，其主要原因時(shí)，隨著采高的增加，工作面上覆巖層運(yùn)動(dòng)空間增大，從而造成工作面覆巖運(yùn)動(dòng)劇烈，導(dǎo)致離層高度增大。

5 工作面覆巖運(yùn)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)

采用在8105工作面布置深基點(diǎn)的方式，對(duì)工作面覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)，將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果比較。根據(jù)工作面地質(zhì)條件，布置兩個(gè)深基點(diǎn)，分別為S50、Q50，其基點(diǎn)布置參數(shù)見表3。

表3 工作面覆巖深基點(diǎn)布置參數(shù)

根據(jù)深基點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制工作面基點(diǎn)位移與推進(jìn)距離示意圖，如圖4所示。

圖4 工作面不同推進(jìn)距離基點(diǎn)讀數(shù)

在深基點(diǎn)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，當(dāng)工作面自開切眼推進(jìn)至15m處時(shí)，覆巖開始出現(xiàn)垮落的現(xiàn)象，但是支架在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示支架阻力沒(méi)有出現(xiàn)明顯增大，由此可以判定，當(dāng)工作面推進(jìn)至15m處時(shí)，工作面覆巖出現(xiàn)初次垮落。由圖4可知，當(dāng)8105工作面推進(jìn)至距離切眼29m處時(shí)，深基點(diǎn)S50讀數(shù)急劇增大，直至增大到300mm后保持穩(wěn)定，由此表明，工作面初次垮落步距為29m。當(dāng)8105綜放工作面推進(jìn)至29m位置時(shí)，距離煤層頂板10m布置的S50深基點(diǎn)有位移，且呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，表明工作面推進(jìn)至該位置時(shí)，頂板突然下沉。因此，由此可以判定工作面冒落帶高度為10m，與采用UDEC模擬軟件得到的數(shù)據(jù)大致相似。

由模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，8105綜放工作面初次垮落步距為29m，冒落帶高度為10m。

6 結(jié)論

(1)根據(jù)模擬結(jié)果可知，冒落帶高度隨著采高的增加呈現(xiàn)非線性增大趨勢(shì)，個(gè)別拐點(diǎn)處呈現(xiàn)突變的趨勢(shì)，其原因是由于工作面覆巖出現(xiàn)關(guān)鍵層，關(guān)鍵層控制覆巖的運(yùn)動(dòng)。離層高度隨采高的增加整體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，工作面上覆巖層運(yùn)動(dòng)空間增大，從而造成工作面覆巖運(yùn)動(dòng)劇烈，導(dǎo)致離層高度增大。

(2)采用布置S50、Q50兩個(gè)深基點(diǎn)的方式布置監(jiān)測(cè)隨工作推進(jìn)基點(diǎn)位移，由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，8105綜放工作面初次垮落步距為29m，冒落帶高度為10m。