厚煤層綜放開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律數(shù)值模擬及實測研究

孟慶利

（1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024；2.神華神東煤炭集團公司 寸草塔煤礦，陜西 榆林046103）

厚煤層綜放開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律數(shù)值模擬及實測研究

孟慶利1，2

（1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024；2.神華神東煤炭集團公司 寸草塔煤礦，陜西 榆林046103）

摘要：煤炭開采過程中，破壞了原巖應(yīng)力的初始平衡狀態(tài)。原巖應(yīng)力的重新分布導(dǎo)致工作面出現(xiàn)周期來壓。在此過程中涉及一系列的礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，如巷道變形，頂板垮落等。以保德煤礦88300綜放工作面現(xiàn)場開采實際為基礎(chǔ)，通過理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場觀測，分析了工作面在采動及頂煤放落下的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，對周期來壓進行了預(yù)測，對綜放支架的選型提供了依據(jù)，為高效安全的煤炭回采提供了理論與技術(shù)支持，并為相似條件下的工作面提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：煤礦開采；原巖應(yīng)力；周期來壓；礦壓顯現(xiàn)

眾所周知，厚煤層儲量在我國占有很大的比重。對于厚煤層，針對不同的地質(zhì)條件，主要的開采方式有分層開采、大采高開采和放頂煤開采。保德煤礦采用的開采方式是綜合機械化放頂煤開采。綜放式開采具有安全可靠和高產(chǎn)高效的主要優(yōu)勢，可是仍然存在著一些礦壓顯現(xiàn)問題，例如片幫，支護難以及采煤工藝等問題。國內(nèi)外學(xué)者對于厚煤層開采過程中礦壓顯現(xiàn)問題做了大量的研究工作。文章通過理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬對厚煤層工作面礦壓顯現(xiàn)進行研究。

1　工作面開采條件

保德煤礦88300綜放工作面煤層傾角3°～9°，屬于近水平煤層，平均厚度為8.63m。工作面采用走向長壁綜采放頂煤采煤法，全部垮落法處理采空區(qū)。偽頂為泥巖和炭質(zhì)泥巖，厚度為0.1 m～0.2 m；直接頂為泥巖和砂質(zhì)泥巖，厚度在1.94 m以上；基本頂為細沙巖和中沙巖，厚度為10 m以上；直接底為泥巖，厚度為0.65 m～2.0 m。

2　數(shù)值模擬研究

采用UDEC數(shù)值模擬軟件，建立特厚煤層開采的數(shù)值計算模型，動態(tài)分析煤層開采過程中上覆巖層的運移規(guī)律和工作面前后方支撐壓力分布規(guī)律，進一步分析煤層開采中上覆巖層的破壞規(guī)律，得到了厚煤層開采過程中上覆巖層的結(jié)構(gòu)特征，能直接了解礦壓顯現(xiàn)的規(guī)律。

2.1數(shù)值模擬建立及模擬方案

根據(jù)該綜放工作面的地質(zhì)資料，利用離散元程序UDEC建立二維數(shù)值計算模型。沿著煤層傾向建立模型，煤層傾角為3°～9°，近水平煤層。所以可簡化模型水平布置。圖1為建立的數(shù)值計算模型圖。

圖1　數(shù)值計算模型圖

模型的頂部以上的巖層通過加載恒應(yīng)力實現(xiàn)。模型的邊界條件為：左右兩端邊界水平位移為零，下端邊界垂直位移為零，上端邊界有均布載荷作用。初始條件為：各邊界的初始應(yīng)力都為零，并且無位移，無速度。垂直方向只受重力影響，重力加速度為10m/s2。為了提高數(shù)值模擬的準確性，模型中巖層力學(xué)參數(shù)都源于現(xiàn)場及實驗室測試。數(shù)值模擬計算各巖層力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

表1　數(shù)值模擬計算各巖層力學(xué)參數(shù)

對煤層進行開挖，研究隨著煤層開挖不斷的增加對上覆巖層產(chǎn)生的效果。對于每一次開挖平衡后再進入下一次開挖，共開挖100m。通過不同長度的開挖，分析上覆巖層的變形垮落情況和頂煤的破碎情況。從而更加明確為高效高產(chǎn)放頂煤生產(chǎn)提供指導(dǎo)依據(jù)。

2.2模擬結(jié)果分析

當(dāng)推進50m的過程中，工作面出現(xiàn)初始來壓。來壓前回采工作面上方的頂板壓力較小，但是煤壁內(nèi)的支撐壓力增大甚至達到極值，所以工作面的兩幫出現(xiàn)片幫現(xiàn)象。工作面超前支撐壓力明顯增大，直接頂也開始垮落，基本頂出現(xiàn)變形。

當(dāng)推進100 m的過程中，采空區(qū)的上覆巖層老頂開始斷裂。垂直應(yīng)力出現(xiàn)拱式結(jié)構(gòu)。由于上覆巖層中出現(xiàn)塊體咬合的結(jié)構(gòu)，將導(dǎo)致工作面前方支撐壓力急劇增加，采空區(qū)后方大幅度的減少。圖2為工作面分別推進50m和100m時的垂直應(yīng)力云圖。

圖2煤層推進不同距離的應(yīng)力分布

3　實測結(jié)果分析

3.1測點布置方案及要求

為了準確掌握保德煤礦88300綜放工作面礦壓顯現(xiàn)情況，進行了以綜放采工作面支架工作阻力監(jiān)測為主的現(xiàn)場礦山壓力實測工作。

共設(shè)置3個支架工作阻力測區(qū)，分別為下部測區(qū)（Ⅰ）、中部測區(qū)（Ⅱ）和上部測區(qū)（Ⅲ），其中下部測區(qū)對應(yīng)近機頭部位17號和18號支架，中部測區(qū)對應(yīng)70號和71號支架，上部測區(qū)對應(yīng)123號和124號支架。每個測區(qū)布置2條測線，1條測線對應(yīng)1個支架，每個支架設(shè)置1臺電腦圓圖儀，監(jiān)測2柱支架的左右立柱工作阻力。全工作面共設(shè)置6臺電腦圓圖儀，監(jiān)測6個支架的工作阻力。

3.2觀測結(jié)果及分析

根據(jù)在不同的運行狀態(tài)下，工作面液壓支架工作阻力的監(jiān)測結(jié)果。通過繪制液壓支架在推進過程中的工作阻力圖。以橫坐標為推進距離，縱坐標為綜放工作面液壓支架的工作阻力。研究在推進過程中礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

研究可見，當(dāng)周期來壓時，液壓支架的工作阻力明顯的增加，而且中間支架的平均工作阻力大于兩端支架的工作阻力。初撐力和末阻力分布區(qū)間不均勻，工作面中部稍好；左右柱壓力比較均勻無明顯偏載現(xiàn)象。頂板的周期性運動現(xiàn)象比較明顯，老頂初次來壓步距平均為55.2 m，老頂周期來壓步距平均為12.9m；工作面上、中、下部位來壓前、來壓時頂板壓力有明顯差別。工作面中部最大循環(huán)末阻力均值是下部均值的1.21倍；支架荷載動載系數(shù)均值kD=1.14～1.40，中部均值最大達1.40。

通過采集到來壓前與來壓時支架工作阻力，分析來壓過程整個工作面受壓情況。具體對比曲線見圖3。

圖3　周期來壓前與來壓時支架工作阻力對比圖

圖3所示，a和b兩條曲線分別代表來壓前和來壓時的工作面液壓支架的工作阻力。不管來壓前或來壓時，液壓支架的最大工作阻力都集中在中部位置，同時在兩端也出現(xiàn)極值點。曲線b的極值點均比a曲線的極值點大，而且離散性也較大。

綜上所述，工作面來壓期間支架的支護阻力大幅度的增加，中部向兩端呈現(xiàn)泊松分布式的發(fā)展。隨著工作面的不斷推進，工作面巖層懸空距不斷增加，當(dāng)老頂達到極限垮距并且斷裂時形成三鉸拱式平衡。隨著工作面的繼續(xù)推進，將導(dǎo)致新老頂斷裂巖塊的出現(xiàn)，當(dāng)斷裂巖塊間的咬合不能滿足平衡關(guān)系時，老頂巖塊失穩(wěn)垮落，就產(chǎn)生了老頂初次來壓礦壓顯現(xiàn)。初次來壓后，已冒落矸石與裂隙帶巖層之間會形成一個暫時的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，但隨著回采工作面的繼續(xù)推進，由于斷裂巖塊間的互相運動，此種結(jié)構(gòu)會經(jīng)歷“穩(wěn)定—失穩(wěn)—再穩(wěn)定”的周而復(fù)始的變化過程，進而導(dǎo)致工作面頂板的周期性來壓。

4　結(jié)束語

1）通過離散元軟件對保德煤礦厚煤層綜放面上覆巖層的運移規(guī)律進行了模擬，能直觀地觀察上覆巖層的變形破壞規(guī)律和工作面所受垂直應(yīng)力大小等變化。

2）將數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測進行對比，結(jié)果大體相同。現(xiàn)場測試由于布點滯后的原因，沒有監(jiān)測到初次來壓情況。兩者都表明，隨著采煤工作面的不斷推進，上覆巖層將會斷裂破壞，導(dǎo)致周期來壓。來壓時，工作面前方支撐壓力明顯增大。

3）頂板巖層中原生或由于擾動引起的次生裂隙的進一步發(fā)育，使得巖體的物理力學(xué)特性分布不均勻，直接導(dǎo)致周期來壓不均勻和綜放工作面液壓支架工作阻力離散型很大。

參考文獻：

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［4］楊永康，康天合，蘭毅.淺埋綜放L工作面開采方法及其礦壓實測研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2011，30（2）：244-253.

（編輯：劉新光）

中圖分類號：TD823

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5050（2016）03-065-03

DOI：10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.06.019

收稿日期：2015-10-12

作者簡介：孟慶利（1982-），男，山西朔州人，在讀工程碩士，助理工程師，從事采礦工程技術(shù)與管理工作。

Numerical Simulation and Field Research of Strata Behavior in Thick Seam Fully-mechanized M ining

MENG Qingli1,2
（1.College ofMining Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China；（2.Cuncaota Mine，Shenhua Shendong Coal Group，Yulin 046103，China）

Abstract：Coalmining breaks the initial equilibrium of in-situ stress.The re-distribution of the in-situ stress causes the periodic weightingofworking face.In the process，a series of strata behaviors are involved，including roadway deformation，roof falling，etc.Based on No.88300 fully-mechanized working face in Baode Mine，theoretical analysis，numerical simulation and field observation were adopted to study the stratabehaviorunderminingand top coalcavingand predict the periodicweighting.The study provides evidence for supporting selection and theoreticaland technologicalsupport for theefficientand safe caving，which could behelpful for theworking faces in the similarsituation.

Keywords：coalmining；in-situ stress；periodicweighting；strata behavior