大采高綜采工作面覆巖活動規律研究

曹廣遠，伍慶風，曹品偉 (河南神火煤電有限公司泉店煤礦，河南 許昌 461000)

大采高綜采工作面覆巖活動規律研究

曹廣遠，伍慶風，曹品偉
(河南神火煤電有限公司泉店煤礦，河南 許昌 461000)

相對于普通綜采工作面，大采高綜采工作面回采空間大，上覆巖層運動范圍也相應較大。為了得到泉店煤礦大采高綜采工作面上覆巖層的活動規律，采用理論分析與數值模擬計算的方法，分析工作面回采后頂板的位移量、垮落狀態、塑性區分布規律以及工作面超前支承壓力的分布規律。

大采高綜采工作面； 覆巖活動； 分布規律

1 工作面老頂初次來壓步距計算

一般情況下，工作面老頂上方的巖層由多層巖層組成。因此，老頂巖層的極限跨距所需考慮載荷的大小，應根據各層之間的相互影響來確定。采動覆巖中的任一巖層所受的載荷除自重外，一般還受上覆鄰近巖層的相互作用產生的載荷。為了簡化問題，假設巖層載荷為均勻分布[1]。

由前人研究成果可知，應采用彎矩形成的極限跨距作為老頂的初次來壓步距；并根據泉店煤礦8號煤層的埋藏深度及邊界條件，確定按照固支梁計算老頂極限跨距，即初次來壓步距Lf為：

(1)

式中：RT——老頂的抗拉強度，取3.15MPa；

q——第一層頂板所受的載荷，取750.71kPa。

代入數據可得：Lf=40.27m。

老頂的周期來壓步距按照老頂的懸臂式折斷確定。周期來壓步距為：

(2)

代入數據可得：Lz=12.25m。

2 頂板活動規律的數值模擬研究

為了掌握泉店煤礦大采高綜采工作面上覆巖層的活動規律，應分析工作面回采期間頂板的垮落情況、塑性區分布情況以及工作面前后支承壓力的分布狀態。根據14050工作面具體的地質情況，采用通用離散元(Universal Distinct Element Code，UDEC)二維離散元數值模擬軟件，模擬工作面回采期間頂板的垮落狀態、頂底板移近量、頂板壓力及超前支承壓力分布規律和工作面塑性區的分布特征。

2.1 數值模型的建立

根據泉店煤礦14050大采高綜采工作面地質條件和生產技術條件，并參考大采高綜采工作面覆巖活動的力學模型，建立沿煤層走向的數值模擬模型，如圖1所示。根據1 4050工作面柱狀圖，確定模型的高度為50m；為了提高運算速度，模擬工作面推進60m，并考慮邊界效應，在模型兩側各留設20m的煤柱，模型總寬度為105m。

圖1 數值模型

在不影響數值模擬結果的前提下，為了簡化模擬，對工作面上覆巖層做合理修正。修正后的巖層厚度、各巖層內塊體的大小和節理的劃分方式見表1，工作面頂底板為模型的研究重點，單元格劃分較細[2]。

表1 模型內巖層巖性及節理劃分

數值模型中的變形塊體采用摩爾—庫倫(M- C準則)的本構模型節理材料的本構模型采用節理面接觸—庫倫滑移。模型中各巖層和煤層的物理力學性質是在實驗室測定的基礎上確定的，具體力學參數見表2和表3。

表2 煤巖層力學參數

根據工作面的實際賦存條件，本計算模型的邊界條件如下。

(1)上部邊界條件。此條件為應力邊界，與工作面的埋深(h)有關。為了方便研究，將上邊界的載荷分布形式簡化為均布載荷，容重γ取25kN/m3，即：

q=∑γh=25 000×241.5×10-6=6.037 5MPa

(2)下部邊界條件。由于工作面下部邊界為底板，模型下部邊界條件簡化為位移邊界條件，在y方向為固定—鉸支座，即yvel=0。

表3 煤巖層節理面力學參數

(3)兩側邊界條件。工作面前后兩側均為實體煤巖體，所以模型的兩側邊界條件同樣簡化為位移邊界條件，x方向為固定—鉸支座，即xvel=0。

2.2 模擬方案

根據14050綜采工作面生產實際(工作面每天完成12個生產循環，共推進9.6m，取10m)及UDEC模型的特點，確定開挖步距為5m，共推進60m(每次開挖后不使用solve命令，而使用step命令)。模擬方案流程如圖2所示。

圖2 模擬方案流程

2.3 工作面頂板破斷規律

圖3為模型回采不同距離時，工作面上覆頂板垮落狀態。

由圖3可知，當工作回采30m時，工作面直接頂發生初次垮落；隨工作面繼續推進，直接頂隨采隨垮。當工作面推進45m時，工作面老頂發生初次斷裂，隨工作面繼續回采，工作面老頂發生周期性的破斷，老頂的周期來壓步距為15m；從老頂巖層初次破斷到模型開挖完成，工作面老頂巖層均能形成砌體梁結構[3]。

在模型開挖時，在直接巖層中、老頂巖層中以及最上部巖層中布置3條測線，圖4為隨工作面推進3條測線的垂直位移圖。由圖4可知，最上部巖層的垂直位移曲線與老頂巖層的基本重合，說明老頂上方巖層隨老頂的運動而運動，當工作面推進60m和65m時，老頂及上覆巖層的活動趨于穩定，老頂和上覆巖層的垂直位移也達到最大值。

圖3 隨工作面推進上覆巖層的垮落狀態

圖4 隨工作面推進工作面上覆巖層垂直位移變化曲線圖

當工作面上方14m厚的中粗粒砂巖破斷時，其上覆巖層產生整體運動，說明14m厚的中粗粒砂巖對工作面上覆巖層的運動起主要的控制作用，為工作面的關鍵層。

2.4 超前支承壓力分布規律

圖5為工作面超前支承壓力變化曲線圖，圖6為受支承壓力劇烈影響段長度隨工作面回采的關系圖。由圖5和圖6可知，工作面頂板超前支承壓力影響范圍約為45～50m，受支承壓力劇烈影響段長度最小距離為4.34m，最大長度為22.78m，平均為17.11m。

圖5 工作面超前支承壓力分布圖

圖6 支承壓力劇烈影響段距離變化圖

在圖6中，工作面回采50m時，采空區出現高應力值點，支承壓力劇烈影響段長度出現起伏，這是因為當工作面回采時，采空區垮落巖層逐步壓實，工作面上覆巖層壓力逐漸向采空區轉移[4]。

3 結論

根據泉店煤礦大采高綜采工作面的生產地質條件，采用理論分析和數值計算分析研究了泉店煤礦大采高綜采工作面上覆巖層的活動規律。

(1)泉店煤礦大采高綜采工作面直接頂的初次垮落步距約為20m，隨工作面繼續回采，直接頂隨采隨垮。

(2)根據理論分析和數值模擬計算可知，泉店煤礦大采高綜采工作面老頂初次來壓步距約為35～40m，老頂破斷時可形成明顯的砌體梁結構[5]；老頂周期來壓步距為約為10～12m。上覆巖層中14m厚的中粗粒砂巖對其他巖層的運動起主導的控制作用，為14050工作面的關鍵層。

(3)隨著工作面的推進，工作面煤壁前方的塑性區尺寸逐漸增大，并呈明顯的線性關系；當工作面推進距離小于40m時，超前工作面的頂板塑性區隨推進呈線性增大；當工作面推進距離大于40m時，超前工作面的頂板塑性區范圍保持不變，約為15m。

(4)超前支承壓力影響的范圍約為45～50m，受支承壓力劇烈影響段長度平均為17.11m；超前支承壓力峰值最大為17.50MPa，最小為10.36MPa，平均值為14.96MPa；應力集中系數最大為2.19，最小為1.30，平均值為1.87；峰值點位于工作面前方3m處。

[1] 陳炎光,錢鳴高.中國煤礦采場圍巖控制[M].徐州：中國礦業大學出版社,1994.

[2] 弓培林.大采高采場圍巖控制理論及應用研究[D].太原：太原理工大學,2006.

[3] 胡國偉.大采高綜采工作面礦壓顯現特征及控制研究[D].太原：太原理工大學,2006.

[4] 袁文峰.大采高工作面初次來壓的模擬與研究[D].太原：太原理工大學,2010.

[5] 弓培林,靳鐘銘.大采高采場覆巖結構特征及運動規律研究[J].煤炭學報,2004，(1)：7-11.

Study on the overburden activity law of fully mechanized coal face with large mining height

Compared with the general fully mechanized coal mining face, the mining space of fully mechanized coal face with large mining height is large and the movement range of overlying strata is correspondingly larger. In order to obtain the activity law of overburden in fully mechanized mining face of Quandian Coal Mine, the theoretical analysis and numerical simulation method was used to analyze the displacement, collapse state, plastic zone distribution law and the distribution law of advance bearing pressure in working face.

fully mechanized coal face with large mining height; overburden activity; distribution law

TD823.4+94

A

曹廣遠(1970-)，男，河南永城人，高級工程師，現任河南神火集團興隆礦業公司總經理，主要從事采煤技術及生產管理工作。