采高對(duì)采空區(qū)下堅(jiān)硬頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律影響研究

張兆民

(1. 山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，山東省濟(jì)南市，250104；2. 山東省煤田資源數(shù)字化工程技術(shù)中心，山東省濟(jì)南市，250104)

厚煤層在分層開(kāi)采時(shí)，采用下行開(kāi)采方式，當(dāng)上部煤層存在采空區(qū)時(shí)，下部煤層在開(kāi)采過(guò)程中上覆巖層覆巖運(yùn)動(dòng)在形態(tài)和結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出差異性，覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律與不含硬厚巖層的上覆巖層不同。上部煤層開(kāi)采殘留保護(hù)煤柱對(duì)下部煤層開(kāi)采應(yīng)力分布與頂板運(yùn)移特征產(chǎn)生影響。下煤層開(kāi)采時(shí)，上煤層已經(jīng)開(kāi)采完畢，下煤層處于上煤層采空區(qū)下，覆巖結(jié)構(gòu)與單煤層開(kāi)采顯著不同。上覆巖層開(kāi)采后形成了塊體-散體-塊體的復(fù)合結(jié)構(gòu)，工作面開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)力演化規(guī)律表現(xiàn)不同。

汝箕溝煤礦3213(1)工作面煤層頂板為堅(jiān)硬巖層，采用下行開(kāi)采，工作面開(kāi)采后頂板不易垮落。此外，工作面在開(kāi)采期間上部煤層殘留保護(hù)煤柱以及采空區(qū)影響較大。因此，研究堅(jiān)硬頂板下不同開(kāi)采高度對(duì)下行開(kāi)采覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響具有重要意義。

1 工程地質(zhì)概況

汝箕溝煤礦二1煤層為穩(wěn)定的厚煤層，煤層平均厚度6 m，現(xiàn)已全部開(kāi)采，屬于采空區(qū)，采空區(qū)的縱向范圍約15 m。二2層煤平均厚度8.5 m，為穩(wěn)定的巨厚煤層，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，含夾矸兩層，屬于主采煤層，二2煤層上距二1煤層60 m。主采二2煤層，偽頂為泥巖，黑色層理發(fā)育，厚度約0.1 m；直接頂為砂質(zhì)巖和粉砂巖，厚度約4.4 m，灰白色，致密堅(jiān)硬；底板為粉砂巖，灰白色，致密堅(jiān)硬；在煤層上部有一夾矸層，厚度0.3～1.7 m，黑色砂質(zhì)泥巖，大部分較軟。

2 數(shù)值模型建立

2.1 數(shù)值模型

本文以神華寧煤汝箕溝煤礦3213(1)工作面的工程地質(zhì)條件為模擬基礎(chǔ)，模型尺寸為400 m×300 m，模型頂部距上煤層150 m，煤層厚度6 m，下煤層距模型頂部216 m，煤層厚度9 m，下煤層采用分層開(kāi)采，采高分別為3 m和5 m，底板巖層厚度取75 m。

2.2 巖層屬性及邊界條件

根據(jù)煤層的地質(zhì)柱狀圖，取埋深為400 m，模型上部施加10.8 MPa的均布載荷模擬上覆巖層。模型X方向固定位移，底部邊界固定，上部為自由面。巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

2.3 模擬方案

采用UDEC離散元數(shù)值模擬軟件，研究采空區(qū)以及堅(jiān)硬頂板下開(kāi)采覆巖運(yùn)動(dòng)特征、支承壓力演化規(guī)律。在埋深400 m的條件下，下部煤層采高分別為1 m和5 m，進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 采高為1 m時(shí)的覆巖運(yùn)動(dòng)特征

當(dāng)采高為1 m時(shí)，對(duì)采空區(qū)和堅(jiān)硬頂板下開(kāi)采塑性區(qū)、支承壓力和垂直位移進(jìn)行分析研究。采高1 m時(shí)不同步距塑性區(qū)分布、垂直應(yīng)力分布和垂直位移分布分別如圖1、圖2和圖3所示。由數(shù)值模擬結(jié)果可知，工作面開(kāi)挖120 m時(shí)，出現(xiàn)初次來(lái)壓。隨著工作面的繼續(xù)開(kāi)采，當(dāng)工作面推進(jìn)160 m和200 m時(shí)，出現(xiàn)周期來(lái)壓。初次來(lái)壓步距為120 m，周期來(lái)壓步距為40 m。

由圖1可知，工作面推進(jìn)120 m時(shí)，在頂板斷裂處出現(xiàn)較大范圍的拉伸破壞，且出現(xiàn)初次來(lái)壓。隨著工作面的不斷推進(jìn)，塑性破壞范圍增大，且頂板破斷繼續(xù)向上發(fā)育。由圖2可知，在煤壁前方出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，但隨著開(kāi)采范圍的增大，應(yīng)力集中區(qū)域沒(méi)有出現(xiàn)線性增長(zhǎng)，且在超前工作面上方巖層應(yīng)力集中程度不高。在工作面前方40 m處，應(yīng)力集中程度相對(duì)較低，稱(chēng)之為弱應(yīng)力集中區(qū)。由圖3(a)可以看出，當(dāng)工作面推進(jìn)120 m時(shí)，在采空區(qū)下方由采動(dòng)引起的覆巖垂直位移變化明顯。隨著工作面的不斷推進(jìn)，覆巖垮落逐漸向上發(fā)育，工作面煤壁兩側(cè)垮落區(qū)域逐漸增大。隨著工作面的不斷推進(jìn)，如圖3(b)所示，下煤層的開(kāi)采初步形成了穩(wěn)定的采動(dòng)位移角，采動(dòng)影響相對(duì)的處于穩(wěn)定，巖層移動(dòng)角不再有明顯的變化，位移變化也不再向上擴(kuò)展，最終擴(kuò)展高度為34 m。

圖1 采高1 m時(shí)不同步距塑性區(qū)分布圖

圖2 采高1 m時(shí)不同步距垂直應(yīng)力分布圖

圖3 采高1 m時(shí)不同步距垂直位移分布圖

推進(jìn)步距/m峰值位置/m影響范圍/m峰值/MPa應(yīng)力集中系數(shù)203324212211340453591451348056425162150120675681861721607350217215920074525178165平均值5084368161149

采高1 m時(shí)的支承壓力表征參數(shù)見(jiàn)表2。由表2可以看出，推進(jìn)步距小于120 m時(shí)，應(yīng)力峰值和影響范圍隨推進(jìn)步距的增加而明顯增大，峰值位置穩(wěn)步增大。

3.2 采高5 m時(shí)的覆巖運(yùn)動(dòng)特征

當(dāng)采高為5 m時(shí)，對(duì)采空區(qū)以及堅(jiān)硬頂板下開(kāi)采塑性區(qū)、支承壓力和垂直位移進(jìn)行分析研究。采高5 m時(shí)不同步距塑性區(qū)分布、垂直應(yīng)力分布和垂直位移分布分別如圖4、圖5和圖6所示。由數(shù)值模擬結(jié)果可知，工作面開(kāi)挖90 m時(shí)，出現(xiàn)初次來(lái)壓。隨著工作面的繼續(xù)開(kāi)采，當(dāng)工作面推進(jìn)到120 m、150 m、170 m和200 m時(shí)，出現(xiàn)周期來(lái)壓。初次來(lái)壓步距為90 m，周期來(lái)壓平均步距為28 m。與采高1 m相比初次來(lái)壓步距、周期來(lái)壓步距均縮短。

圖4 采高5 m時(shí)不同步距塑性區(qū)分布圖

圖5 采高5 m時(shí)不同步距垂直應(yīng)力分布圖

由圖4、圖5和圖6可以看出，工作面開(kāi)挖90 m時(shí)下煤層上覆巖層中出現(xiàn)了大量的拉伸破壞單元，工作面前方形成了弱應(yīng)力集中區(qū)，初次來(lái)壓期間頂板巖層位移變化較大，垮落破壞明顯。工作面推進(jìn)200 m時(shí)，塑性區(qū)的范圍已經(jīng)延伸到了上部采空區(qū)。此時(shí)，由于采動(dòng)影響引起的覆巖運(yùn)動(dòng)向上擴(kuò)展基本停止，“三帶”高度最終擴(kuò)展到上部采空區(qū)的底部，貫穿了上下兩個(gè)煤層，極易引發(fā)上部采空區(qū)內(nèi)的有害氣體、老塘水、隱形火等傳遞到下部采空區(qū)中，誘發(fā)下煤層工作面災(zāi)害的發(fā)生。

采高5 m時(shí)支承壓力表征參數(shù)見(jiàn)表3。由表3可以看出，工作面初次來(lái)壓前，應(yīng)力峰值和影響范圍隨推進(jìn)步距增加而增大，支承壓力峰值位置有少許增加，之后變化較小，總體穩(wěn)定。

圖6 采高5 m時(shí)不同步距垂直位移分布圖

推進(jìn)步距/m峰值位置/m影響范圍/m峰值/MPa應(yīng)力集中系數(shù)4048321156144907264620518912066598195180150675881891751706860219518120071615202187平均值65561191177

綜上分析可知，在煤壁前方以及開(kāi)切眼處塑性破壞單元較多，在頂板巖層斷裂處拉伸破壞單元集中。隨著采高的增加，頂板處受拉伸破壞區(qū)域逐漸增大，說(shuō)明采高的增大增加了覆巖運(yùn)動(dòng)空間，垮落更加充分，頂板破斷步距減小。工作面開(kāi)采初期，煤壁前方以及開(kāi)切眼外側(cè)煤壁出現(xiàn)弱應(yīng)力集中區(qū)。隨著采高的增加，應(yīng)力集中程度增加，且煤壁前方峰值位置距煤壁距離不斷減小，影響范圍逐漸增大。工作面初次來(lái)壓之前，頂板覆巖運(yùn)動(dòng)、頂板下沉量及其影響范圍受采動(dòng)影響較小。隨著工作面的不斷推進(jìn)，垂直位移逐漸形成穩(wěn)定的采動(dòng)位移角。隨著采高的不斷增加，初次來(lái)壓期間垂直位移下沉量不斷增加，向上擴(kuò)展高度也隨之增大，說(shuō)明了下煤層工作面采高的增大促進(jìn)了“上三帶”的發(fā)展。隨著采高的增加，支承壓力峰值位置、影響范圍和峰值大小略有增加。

4 結(jié)論

本文利用UDEC數(shù)值模擬軟件，研究了不同采高條件下塑性區(qū)、支承壓力以及垂直位移變化特征，得出以下結(jié)論：

(1)塑性區(qū)變化特征。隨著采高的增加，在工作面上方出現(xiàn)塑性破壞和拉伸破壞的范圍加大，頂板巖層的破斷距減小。

(2)支承壓力變化規(guī)律。開(kāi)采初期工作面出現(xiàn)了弱應(yīng)力集中區(qū)。隨著采高的增大，應(yīng)力集中程度和范圍加大。

(3)垂直位移演化特征。隨著采高的增加，相同開(kāi)挖步距時(shí)產(chǎn)生的垂直位移向上擴(kuò)展的高度不斷地加大，直至擴(kuò)展到最上部的采空區(qū)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周楠，張強(qiáng)，安百富等.近距離煤層采空區(qū)下工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[J].中國(guó)煤炭，2011(2)

[2] 金桃，陳陽(yáng)，許磊.層間距對(duì)采空區(qū)下巷道穩(wěn)定性影響分析[J].煤礦安全，2011(7)

[3] 竇林名，劉貞堂，曹勝根等.堅(jiān)硬頂板對(duì)沖擊礦壓危險(xiǎn)的影響分析[J].煤礦開(kāi)采，2003(2)

[4] 馬元，靖洪文，陳玉樺.動(dòng)壓巷道圍巖破壞機(jī)理及支護(hù)的數(shù)值模擬[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2007(1)