大佛寺煤礦綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

張紅衛(wèi)

(陜西陜煤彬長礦業(yè)有限公司大佛寺礦業(yè)有限公司，陜西 彬縣 713500)

0 引言

我國厚煤層開采煤量占總產(chǎn)量的40%～50%，放頂煤開采以其安全、成本低、效率高、厚度適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。但綜采放頂煤隨著采厚的不斷增加，工作面礦壓顯現(xiàn)程度也愈發(fā)強(qiáng)烈。我國相關(guān)專家不斷探索，總結(jié)綜放工作面開采礦壓顯現(xiàn)基本規(guī)律，王家臣[1]等提出，厚煤層綜放開采工作面支架受載較小，支架載荷隨著采厚增加而減小；孟憲銳[2]等通過現(xiàn)場實(shí)測(cè)，總結(jié)出較厚煤層巷道開挖后壓力分布呈一定的規(guī)律性，且這種礦壓規(guī)律受周邊巷道影響較大；靳鐘銘[3]應(yīng)用彈塑性理論，建立了綜放面走向塑性區(qū)和彈性區(qū)支承壓力分布規(guī)律方程式，得到支承壓力與煤厚成正比；吳健等[4]通過數(shù)值模擬方法，認(rèn)為由于支承壓力作用的影響，在綜放面煤體與覆巖壓力增加的初始位置同步產(chǎn)生；李健民[5]等闡述了厚煤層低位放頂煤安全開采的影響因素；題正義[6]等進(jìn)一步分析得出綜放開采不同煤層傾角對(duì)周期來壓特征的影響系數(shù)；郭廣禮[7]等研究表明采厚是控制超前影響角和最大下沉速度滯后角的重要因素之一；伍永平[8]等指出大傾角綜放開采煤層過程中，所有巖層下沉曲線的形態(tài)呈非對(duì)稱性。本文針對(duì)大佛寺煤礦已采工作面受臨近工作面回采及自身回采影響、運(yùn)順變形嚴(yán)重等問題，以40110工作面為研究背景，通過理論分析，確定來壓步距，運(yùn)用數(shù)值模擬研究回采巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，為同類地質(zhì)條件下巷道支護(hù)提供依據(jù)。

1 工程背景

大佛寺煤礦主采4#煤層。該煤層賦存穩(wěn)定，厚度10.1～14.5 m，平均12.3 m。煤層結(jié)構(gòu)簡單，賦存較為穩(wěn)定，含兩層夾矸，下部夾矸厚度0.05～0.10 m，其距煤層底板3.0～4.0 m不等，上部夾矸厚度0.2～0.4 m，平均0.35 m，距煤層頂板平均0.35 m，巖性主要為泥巖與炭質(zhì)泥巖。由于煤層底板為鋁土質(zhì)砂泥巖，遇水易膨脹，依據(jù)設(shè)計(jì)施工方案，掘進(jìn)巷道底板留設(shè)2.0 m厚的底煤。

2 理論分析

根據(jù)錢鳴高主編的《巖層控制的關(guān)鍵層理論》和宋振騏主編的《實(shí)用礦山壓力控制》的理論知識(shí)與相關(guān)計(jì)算公式進(jìn)行老頂初次來壓步距的計(jì)算：

(1)

式中：h—老頂?shù)暮穸龋琺；σ—巖石抗拉強(qiáng)度，MPa；q1—巖層自重，MPa；L—來壓步距，m。

老頂有關(guān)參數(shù)見表1。

表1 來壓步距參數(shù)表

初次來壓計(jì)算：

周期來壓計(jì)算：

從理論上可以得到40110回采工作面的老頂初次來壓步距為87.67 m，老頂周期來壓步距為61.99 m。

3 數(shù)值模擬

3.1 建立模型

以40110上順槽右下角為零點(diǎn)，向x軸正向延伸240 m，x軸負(fù)向延伸20 m；向y軸正向延伸180 m，y軸負(fù)向180 m；垂直z軸正向66 m，z軸負(fù)向26 m作為模型的邊界。將模型區(qū)分為82 500個(gè)單元，88 536個(gè)節(jié)點(diǎn)。巷道位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 40110采區(qū)巷道位置關(guān)系示意圖

3.2 監(jiān)測(cè)方案

為監(jiān)測(cè)基本頂來壓狀況，將測(cè)點(diǎn)布設(shè)在沿回采方向的基本頂上覆巖層中，每個(gè)測(cè)點(diǎn)間距為4 m，共74個(gè)。基本頂未發(fā)生破斷時(shí)，隨著老頂?shù)某两担细矌r層發(fā)生協(xié)調(diào)變形。基本頂斷裂垮落時(shí)，失去基本頂支撐的上覆巖層沉降量必將大大增加。因此，為研究基本頂來壓步距等礦壓特征，可通過監(jiān)測(cè)老頂上覆巖體的沉降變形增量分析得出。

3.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果

由于測(cè)點(diǎn)數(shù)量多，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量大，經(jīng)整理，選取基本頂未垮落時(shí)的常態(tài)變形點(diǎn)和基本頂垮落產(chǎn)生的4個(gè)變形特征點(diǎn)進(jìn)行分析。

常態(tài)變形點(diǎn)：工作面推進(jìn)至32 m、36 m、40 m、44 m、48 m時(shí)的覆巖監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移增量結(jié)果如圖2所示。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，基本頂未斷裂垮落時(shí)，采空區(qū)跨距與老頂變形量隨著回采的推進(jìn)不斷增大，上覆巖層變形量也不斷增加，工作面推進(jìn)至44 m時(shí)的巖體變形量小于回采至48 m時(shí)的巖體變形增量；但是監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移增量曲線變形趨勢(shì)基本一致，變形基本正常。

圖2 40110工作面回采上覆巖層變形圖

第一個(gè)變形特征點(diǎn)：圖3為工作面分別推進(jìn)至68 m、76 m、84 m、92 m、100 m時(shí)的上覆巖層監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移增量曲線圖，由圖3可知推進(jìn)至68 m與76 m時(shí)的變形監(jiān)測(cè)曲線變形趨勢(shì)基本相同，當(dāng)推進(jìn)至84 m時(shí)，變形曲線發(fā)生改變，有小幅度波動(dòng)；直至工作面推進(jìn)至92 m、100 m時(shí)，兩者變形監(jiān)測(cè)曲線重新形成新的相同的變形趨勢(shì)。第一個(gè)變形特征點(diǎn)出現(xiàn)在回采至84 m時(shí)，改變了上覆巖層變形趨勢(shì)，根據(jù)此現(xiàn)象可判斷40110工作面初次來壓步距為80～90 m。

圖3 40110工作面回采上覆巖層變形圖

第二個(gè)變形特征點(diǎn)：圖4為工作面分別推進(jìn)至128 m、136 m、144 m、152 m、160 m時(shí)的上覆巖層監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移增量曲線圖，由圖4可以看出回采進(jìn)行到128 m與136 m時(shí)，其變形監(jiān)測(cè)曲線發(fā)展趨勢(shì)是一致的；繼續(xù)推進(jìn)至144 m，覆巖變形趨勢(shì)產(chǎn)生變化，監(jiān)測(cè)曲線產(chǎn)生波動(dòng)；工作面回采至152 m、160 m時(shí)，變形監(jiān)測(cè)曲線重新形成新的變形趨勢(shì)，且二者保持一致。第二個(gè)變形特征點(diǎn)出現(xiàn)在工作面推進(jìn)至144 m時(shí)，改變了覆巖變形趨勢(shì)，第二個(gè)變形特征點(diǎn)相距第一個(gè)變形特征點(diǎn)60 m。

圖4 40110工作面回采上覆巖層變形圖

第三個(gè)變形特征點(diǎn)：圖5為工作面分別推進(jìn)至192 m、200 m、208 m、216 m、224 m時(shí)的上覆巖層監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移增量曲線圖，由圖5可以看出回采進(jìn)行到192 m與200 m時(shí)，其變形監(jiān)測(cè)曲線發(fā)展趨勢(shì)是一致的；變形曲線波動(dòng)發(fā)生在回采至208 m時(shí)，此時(shí)覆巖變形趨勢(shì)產(chǎn)生變化；工作面推進(jìn)至216 m、224 m時(shí)，監(jiān)測(cè)曲線再度形成新的變形趨勢(shì)，兩者趨勢(shì)相同。第三個(gè)變形特征點(diǎn)出現(xiàn)在工作面回采至208 m時(shí)，改變了覆巖變形趨勢(shì)，第三個(gè)變形特征點(diǎn)相距第二個(gè)變形特征點(diǎn)64 m。

圖5 40110工作面回采上覆巖層變形圖

第四個(gè)變形特征點(diǎn)：圖6為工作面分別推進(jìn)至248 m、256 m、264 m、268 m、273 m時(shí)的上覆巖層監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移增量曲線圖，由圖6可知推進(jìn)至248 m與256 m的監(jiān)測(cè)曲線發(fā)展趨勢(shì)相同；曲線波動(dòng)發(fā)生在推進(jìn)至264 m；工作面推進(jìn)至268 m、273 m時(shí)，監(jiān)測(cè)曲線重新形成新的變形趨勢(shì)，兩者趨勢(shì)相同。第四個(gè)變形特征點(diǎn)出現(xiàn)在工作面回采至264 m時(shí)，改變了覆巖變形趨勢(shì)，第四個(gè)變形特征點(diǎn)相距第三個(gè)變形特征點(diǎn)56 m。

圖6 40110工作面回采上覆巖層變形圖

3.4 模擬結(jié)果分析

40110工作面采空區(qū)跨度隨工作面推進(jìn)不斷增大，老頂及覆巖變形量也愈發(fā)劇烈，超前應(yīng)力極值也同步增大。老頂斷裂發(fā)生在工作面推進(jìn)至84 m時(shí)，可確定初次來壓步距為80～90 m，根據(jù)變形特征點(diǎn)的位置，可確定周期來壓步距為56～64 m。

4 結(jié)論

(1)通過理論分析，可初步確定40110回采工作面的老頂初次來壓步距為87.67 m，老頂周期來壓步距為61.99 m。

(2)隨著工作面的推采，40110綜放回采工作面采空區(qū)跨距增大，老頂及覆巖變形量也逐漸增加，超前應(yīng)力極值也同步增大。根據(jù)老頂斷裂位置及變形特征點(diǎn)所處位置可確定40110工作面初次來壓步距及周期來壓步距分別為80～90 m、56～64 m。