8.5 m大采高工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律數(shù)值模擬研究

吳建軍 肖 江 楊 浩 郝強(qiáng)強(qiáng) 張思達(dá)

(1. 西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西省西安市，710054； 2. 教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西省西安市，710054； 3. 神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司上灣煤礦，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，017209)

大采高綜采工藝在近十余年得到快速發(fā)展，是厚煤層開采工藝的主要發(fā)展方向之一。國內(nèi)很多學(xué)者在大采高采場壓力、工作面支架阻力等理論與實(shí)踐研究方面取得了顯著的成果。Bin Yu等運(yùn)用LTCC方法從微觀方面確定了煤層開采對工作面周圍上覆巖層的影響。卓振、徐明初等通過對堅(jiān)硬頂板下地質(zhì)特點(diǎn)研究，對工作面在推進(jìn)過程中的礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行研究，確定了導(dǎo)水裂隙帶的范圍和回采工作面的分區(qū)。朱威等研究了不同推進(jìn)速度下采場圍巖的應(yīng)力與變形破壞特征，得出了加快推進(jìn)速度可以減小頂板下沉量。楊寶貴等對上灣礦7 m特厚煤層大采高開采支架工作阻力方面進(jìn)行了研究，確定了支架的阻力變化規(guī)律。白如紅等對楊伙盤煤礦30108綜采工作面開采過程中頂板破壞情況進(jìn)行分析，得出上覆巖層中形成的壓力拱結(jié)構(gòu)可以減緩地表松散層與基巖層的同步下沉運(yùn)動(dòng)對工作面回采空間的影響。呂夢蛟在分析榆家梁礦、補(bǔ)連塔礦、上灣礦和大柳塔礦采場礦壓與巖移觀測資料的基礎(chǔ)上，采用線性回歸方法研究了淺埋煤層長壁采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和工作面支架臨界支護(hù)強(qiáng)度。吳浩等研究了大采高對煤壁穩(wěn)定性的影響，采用壓桿理論分析煤壁的撓度特征，得到煤壁容易發(fā)生片幫的位置在煤壁的中上部，并提出梯形滑塊模型。經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者的相關(guān)研究，為特厚煤層的綜采奠定了基礎(chǔ)，但未得出7 m以上特厚煤層工作面的礦壓規(guī)律和支架工作阻力變化等方面的結(jié)論。煤層采高最近幾年得到不斷提升，但是隨著工作面采高的不斷增加、液壓支架等大型采煤設(shè)備的不斷更新，礦壓規(guī)律將呈現(xiàn)與中等厚度煤層不同的規(guī)律，支架的工作阻力也隨之發(fā)生變化，因此對于工作面覆巖破斷和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及液壓支架的阻力變化問題亟待解決。研究8.5 m大采高綜采的覆巖破斷規(guī)律、來壓歩距及支架的工作阻力將為我國西北地區(qū)及世界范圍內(nèi)的特厚煤層開采提供理論基礎(chǔ)。本文結(jié)合上灣煤礦8.5 m大采高數(shù)值模擬分析大采高綜采礦壓規(guī)律和支架工作阻力，將數(shù)值模擬的理論成果應(yīng)用于上灣煤礦的實(shí)踐開采及神府礦區(qū)和東勝煤田的礦井開采，為指導(dǎo)井下安全生產(chǎn)和提高礦井實(shí)際生產(chǎn)效率提供理論依據(jù)。

1 工程概況

上灣煤礦是神東煤炭集團(tuán)主力生產(chǎn)礦井之一，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗境內(nèi)。上灣煤礦井田面積61.8 km2，地質(zhì)儲(chǔ)量12.3億t，可采儲(chǔ)量8.3億t。主采1-2、2-2、3-1煤層。煤質(zhì)具有低灰、低硫、低磷和中高發(fā)熱量特點(diǎn)，屬高揮發(fā)分長焰煤和不粘結(jié)煤，是優(yōu)質(zhì)動(dòng)力、煤制油、化工和冶金用煤。先開采的1-2煤層厚度7.93～9.68 m，平均厚度約8.5 m。直接頂板為泥巖，厚度1.26 m，老頂為灰白色粉砂巖，厚度為6.81 m，底板灰白色粉砂巖，厚度為9.08 m，地質(zhì)情況詳見圖1。

圖1 地質(zhì)模型圖

上灣煤礦西四盤區(qū)煤層1-2煤層為盤區(qū)內(nèi)的首采煤層，煤層最小厚度為7.93 m，最大厚度為9.68 m。平均厚度為8.81 m。煤層的傾角為1°～5°，煤層直接頂為厚1.26 m的泥巖，單軸抗壓強(qiáng)度為34.68 MPa，抗拉強(qiáng)度為1.16 MPa，上覆巖層主要為粉砂巖、粗粒砂巖、細(xì)粒砂巖、砂質(zhì)泥巖。工作面設(shè)計(jì)采高8.5 m，寬度約300 m，是國內(nèi)首個(gè)8.5 m采高工作面。

2 數(shù)值模型的建立

根據(jù)上灣礦井田地質(zhì)資料，確定數(shù)值計(jì)算模型，在建立力學(xué)模型過程中，考慮到模型計(jì)算時(shí)邊界效應(yīng)的影響，使主要研究區(qū)域處于邊界效應(yīng)影響的范圍外，以達(dá)到更接近實(shí)際的計(jì)算結(jié)果。

8.5 m采高工作面巖層變形、位移、應(yīng)力演化特征的模擬計(jì)算采用三維有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算軟件FLAC3D軟件進(jìn)行。其中，三維模型采用FLAC3D中的GEN命令建立，整個(gè)模型尺寸=500 m×500 m×180 m(長×寬×高)，模型劃分成336000個(gè)單元，352692個(gè)節(jié)點(diǎn)，X軸方向兩側(cè)各留設(shè)100 m邊界煤柱，工作面沿X軸正向推進(jìn)，采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，模型底部限制垂直移動(dòng)，前后和側(cè)面限制水平移動(dòng)；二維模型采用GEN命令與GRID命令建立，整個(gè)模型尺寸=500 m×180 m，模型劃分成22500個(gè)單元，45682個(gè)節(jié)點(diǎn)，X方向兩側(cè)各留設(shè)150 m邊界煤柱，工作面沿X軸正向推進(jìn)，采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，模型底部限制垂直移動(dòng)，側(cè)面限制水平移動(dòng)。數(shù)值模擬所需的巖層力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖層力學(xué)參數(shù)表

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 工作面走向位移變化特征

工作面沿走向方向不同推進(jìn)度下的位移分布云圖如圖2所示。由圖2可以看出，在工作面不斷向前推進(jìn)過程中，沿工作面走向方向的位移呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。當(dāng)工作面推進(jìn)到10 m左右時(shí)，頂板位移出現(xiàn)破壞下沉；當(dāng)推進(jìn)至30～40 m時(shí)，頂板位移出現(xiàn)突變，發(fā)生大范圍垮落，工作面頂板初次垮落；隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，推進(jìn)至60 m時(shí)出現(xiàn)暫時(shí)位移穩(wěn)定；當(dāng)工作面推進(jìn)至120～130 m時(shí)，工作面頂板位移持續(xù)下沉增大。由于工作面埋深較小，僅180 m，地表位移特征明顯，出現(xiàn)0.30～0.50 m的臺(tái)階下沉。這說明工作面沿走向方向推進(jìn)過程中，頂板位移下沉呈近似一次線性增長，推進(jìn)到60 m時(shí)，覆巖形成暫時(shí)的鉸接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)暫時(shí)位移穩(wěn)定不變，當(dāng)推進(jìn)到130～140 m時(shí)，位移趨于穩(wěn)定。

圖2 工作面不同推進(jìn)度下位移分布云圖

隨著工作面不斷推進(jìn)煤壁壓縮下沉量變化圖如圖3所示。由圖3可以看出，隨著工作面的推進(jìn)，煤壁下沉量逐漸增加，近似呈現(xiàn)一次線性變化，推進(jìn)至50～60 m時(shí)，有所減緩，隨后又繼續(xù)增加，推進(jìn)至130～140 m時(shí)達(dá)到極限值，隨后減小并趨于較穩(wěn)定值。這說明工作面煤壁壓縮變形受到頂板較規(guī)律性周期來壓，而當(dāng)推進(jìn)到50～60 m時(shí)，覆巖形成暫時(shí)的鉸接結(jié)構(gòu)影響煤壁的下沉量。

圖3 不同推進(jìn)度煤壁下沉量演化特征

3.2 工作面應(yīng)力變化特征

不同推進(jìn)度下工作面的整體應(yīng)力分布云圖如圖4所示。由圖4可以看出，隨著工作面推進(jìn)度的不斷增加，工作面兩端的應(yīng)力集中區(qū)域以及應(yīng)力峰值在不斷變化。垂直應(yīng)力集中釋放于煤壁附近工作面頂?shù)装鍏^(qū)域，呈現(xiàn)逐漸集中趨勢，而工作面兩端的應(yīng)力峰值呈現(xiàn)逐漸增大趨勢。當(dāng)工作面推進(jìn)至40 m左右時(shí)，頂板垂直應(yīng)力釋放范圍明顯擴(kuò)大。當(dāng)推進(jìn)至140 m左右時(shí)，應(yīng)力達(dá)到最大值7.9 MPa。同時(shí)，煤壁中部出現(xiàn)高應(yīng)力核，距離煤壁6～7 m。而支承壓力存在明顯的分區(qū)特征，即沿著工作面推進(jìn)方向分別為減壓區(qū)、增壓區(qū)和穩(wěn)壓區(qū)。這說明隨著工作面不斷推進(jìn)煤壁兩端垂直應(yīng)力出現(xiàn)集中增大，應(yīng)力區(qū)域并逐步向上延伸，而水平應(yīng)力出現(xiàn)明顯的分區(qū)。

圖4 工作面不同推進(jìn)度下應(yīng)力分布云圖

3.3 采場覆巖空間變形、破壞與運(yùn)移特征

工作面不同推進(jìn)度下覆巖的空間分布云圖如圖5所示。由圖5可以看出，當(dāng)工作面推進(jìn)100 m時(shí)，開采對覆巖變形破壞的影響較大，導(dǎo)致地表彎曲下沉變形明顯，并有繼續(xù)增加的趨勢。從地表的位移輪廓來看，形成的下沉盆地曲線較為稀疏，說明地表沉陷是以采空區(qū)上方大部分巖體的中整體下沉為主，同樣，從采場頂板巖層位移輪廓線及位移云圖也可看出類似特征。

當(dāng)工作面推進(jìn)200 m和300 m時(shí)，工作面上覆巖層和地表變形進(jìn)一步加劇，形成地表下沉盆地，形成的下沉盆地曲線更加密集。當(dāng)推進(jìn)300 m時(shí)，臺(tái)階式下沉進(jìn)一步增加，最大下沉量達(dá)到1.8 m。由于采高較大、基巖較薄，關(guān)鍵層只能形成暫時(shí)的鉸接結(jié)構(gòu)，隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，覆巖的變形破壞對地表的影響較為明顯。

圖5 工作面不同推進(jìn)度下覆巖空間分布云圖

3.4 工作面支架阻力特征

不同推進(jìn)度下工作面支架阻力變化如圖6所示。由圖6可知，沿工作面推進(jìn)方向，支架阻力隨著工作面的推進(jìn)呈現(xiàn)出較規(guī)律性周期變化。工作面推進(jìn)至40 m左右時(shí)，阻力出現(xiàn)明顯降低，隨后呈現(xiàn)周期性變化，但周期不明顯，說明采高過大時(shí)，堅(jiān)硬頂板的破壞受支架支撐力的影響較大，特別是在來壓期間，支架支撐力的下降造成頂板不規(guī)律性失穩(wěn)。支架阻力變化情況表明，支架初撐力對于特大采高煤層開采至關(guān)重要，支架阻力呈現(xiàn)規(guī)律性的周期變化，來壓步距約為60 m。

圖6 不同推進(jìn)度工作阻力變化特征

4 結(jié)論

(1)隨著工作面不斷推進(jìn)，覆巖下沉位移近似呈一次線性變化，關(guān)鍵覆巖層的臨時(shí)鉸接減緩覆巖下沉速度。

(2)采場覆巖空間整體呈現(xiàn)“O”型臺(tái)階下沉，地面最大下沉高度達(dá)1.8 m。

(3)工作面支架阻力近似呈周期性變化，最大阻力約為23000 kN，最小阻力約為20000 kN。支架初撐力不足造成頂板不規(guī)律性失穩(wěn)。