大采高綜采工作面上覆巖層運(yùn)移規(guī)律研究

攸志剛

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝礦， 山西 興縣 033600）

煤炭資源存量位居世界前列，煤炭資源的消耗也是極為嚴(yán)重。隨著開(kāi)采年限的增加，一些易開(kāi)采煤層已經(jīng)開(kāi)采完畢，為了繼續(xù)為我國(guó)國(guó)民生活提供一定的保障，我國(guó)的煤層開(kāi)采已經(jīng)朝著難開(kāi)采煤層進(jìn)發(fā)。大采高煤層的開(kāi)采一只是我國(guó)研究的熱門(mén)話題，其主要呈現(xiàn)出如下特點(diǎn)：機(jī)采的高度增加，頂板的控制較為艱難，頂板發(fā)生壓架的事故頻繁。圍巖受采動(dòng)影響較大，圍巖變形嚴(yán)重等。為了解決此類問(wèn)題，謝福星[1]為了解決大采高工作面的回撤巷道頂板的變形等問(wèn)題，通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)合理論分析的研究方法對(duì)頂板的破斷形式進(jìn)行分析，推導(dǎo)出了支架的臨阻公式，為大型綜采設(shè)備的搬家作出指導(dǎo)。賀雁鵬[2]在彈性力學(xué)及巖石力學(xué)的基礎(chǔ)上對(duì)淺埋煤層大采高頂板的破斷角進(jìn)行研究，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)給出了大采高頂板的破斷角與計(jì)算公式結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證了公式的可行性及可靠性。楊勝利[3]為了解決大采高采場(chǎng)的圍巖變形大的問(wèn)題，通過(guò)相似模擬及理論計(jì)算的方法對(duì)大采高采場(chǎng)的周期來(lái)壓頂板的穩(wěn)定性及動(dòng)載進(jìn)行分析，給出了頂板不同失穩(wěn)下的沖擊載荷的表達(dá)式，解釋了動(dòng)載產(chǎn)生的機(jī)理。張夏歡[4]通過(guò)FLAC-3D 數(shù)值軟件對(duì)頂板的下沉，煤壁的變形，圍巖的變形情況進(jìn)行模擬，分析不同支護(hù)阻力支架的支護(hù)效果，得出了最合理的開(kāi)采高度及合理的支架阻力，較好的控制了圍巖的變形。本文對(duì)特厚煤層綜采工作面的上覆巖層運(yùn)移規(guī)律及支架與圍巖的相互關(guān)系進(jìn)行研究，為大采高煤層的安全開(kāi)采作出了一定的貢獻(xiàn)。

1 覆巖垮落理論計(jì)算

山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝礦（全文簡(jiǎn)稱斜溝礦）的13 號(hào)煤層厚度約為15 m，選用大采高綜放開(kāi)采的方法進(jìn)行開(kāi)采，在進(jìn)行8 號(hào)煤層的回采時(shí)，礦區(qū)由于煤層開(kāi)采后覆巖的擾動(dòng)較大的問(wèn)題發(fā)生大面積的塌陷，所以對(duì)斜溝礦8 號(hào)及13 號(hào)煤層開(kāi)采過(guò)程中覆巖的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究時(shí)十分必要的。

采空區(qū)的頂板巖層可以劃分為垮落帶、彎曲下沉帶及裂隙帶。隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)的懸頂長(zhǎng)度增加，載礦壓的作用下，頂板會(huì)發(fā)生彎曲下沉，當(dāng)彎曲達(dá)到極限時(shí)巖石發(fā)生斷裂垮落。將巖層按照其厚度及巖性進(jìn)行分層，其第i層的載荷可以表示為：

式中：（qn）i表示為第i層上覆巖層對(duì)其載荷；Ei到Ei+n為對(duì)應(yīng)層的彈性模量；hi到hi+n為各對(duì)應(yīng)層的厚度；γi到γi+n為對(duì)應(yīng)層的容重。

斜溝礦8 號(hào)煤層頂板巖性從上至下依次為粗砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖等。冒落帶的最大高度為：

式中：Hm為冒落帶最大高度，m；α 為煤層的傾角，（°）；Kp為冒落帶巖層碎脹系數(shù)；M為采高，m。根據(jù)查找可得出巖石的碎脹系數(shù)可以表示為表1。

表1 巖石的碎脹系數(shù)參考表

將8 號(hào)煤層的地質(zhì)質(zhì)料進(jìn)行代入，8 號(hào)煤層厚度5.7 m，煤層的平均傾角為10°，由于其頂板的分布不均勻性，選定巖石的碎脹系數(shù)為1.2 和1.3。可得當(dāng)巖石的碎脹系數(shù)為1.2 時(shí)，冒落帶的最大高度為28.9 m，當(dāng)巖石的碎脹系數(shù)選定為1.3 m 時(shí)，冒落帶的最大高度為19.3。所以可以推出8 號(hào)煤層的冒落帶最大高度在19.3~28.9 m 之間。斜溝礦13 號(hào)煤層頂板從上至下依次為砂巖、泥巖、啥質(zhì)泥巖等。13 號(hào)煤層的平均厚度為15 m，煤層的平均傾角為10°，同樣代入公式可以得出冒落帶最大高度在50.1~75.1 m。在實(shí)際的生產(chǎn)中將裂隙帶及冒落帶的高度統(tǒng)稱為導(dǎo)水裂隙帶，導(dǎo)水裂縫帶的高度可以表示為：

式中：Hli為導(dǎo)水裂縫帶高度，m；M為采高，m。

所以根據(jù)兩者做差可以得出煤層頂板的裂隙帶。計(jì)算得出8 號(hào)及13 號(hào)煤層的裂隙帶高度分別為57.7 m 及87.5 m。8 號(hào)煤層及13 號(hào)煤上覆巖層垮落及運(yùn)移規(guī)律如圖1 所示。

圖1 煤層開(kāi)采上覆巖層運(yùn)移規(guī)律示意圖

2 覆巖垮落數(shù)值模擬研究

本文為了對(duì)覆巖的跨落及裂隙發(fā)育進(jìn)行研究，選用3DEC 數(shù)值軟件對(duì)其進(jìn)行模擬研究。在進(jìn)行模擬計(jì)算前需要對(duì)其進(jìn)行模型建立，長(zhǎng)寬高分別選定為300 m、5 m 及395 m。根據(jù)實(shí)際斜溝礦的地質(zhì)條件進(jìn)行物理參數(shù)的設(shè)定，在模型的左右及前后分別設(shè)置水平方向的約束，在模型的下底段進(jìn)行固定約束設(shè)置，避免模型產(chǎn)生滑動(dòng)。由于煤層的頂板巖層完全建立所以無(wú)需再頂端施加固定載荷。根據(jù)實(shí)際情況對(duì)模型圍巖進(jìn)行施加，每下降1m 圍壓增加0.025MPa。斜溝礦的地層數(shù)值模型如圖2 所示。

由圖2 可知，模型中8 號(hào)煤層厚度為5 m，煤層頂部分別為15 m 的砂質(zhì)泥巖，15 m 的泥巖，40 m 的中砂巖層構(gòu)成煤層頂板的基本頂，在距離8 號(hào)煤層85 m 至125 m 的位置為頂板的副關(guān)鍵層，距離8 號(hào)煤305 m 至335 m 為主關(guān)鍵層，由于直接頂較厚所以開(kāi)采時(shí)周期來(lái)壓并不明顯。為了監(jiān)測(cè)在8 號(hào)煤層進(jìn)行開(kāi)采時(shí)巖層的下沉情況，本文在推進(jìn)方向100 m、155 m 及210 m 的位置分別布置監(jiān)測(cè)線，用于煤層頂板各巖層的變化情況。如圖3 所示分別為三個(gè)測(cè)點(diǎn)處巖層的下沉曲線圖。

圖2 斜溝礦地層模型示意圖

圖3 8 號(hào)煤層開(kāi)采時(shí)上覆巖層下沉曲線

由圖3-1 可以看出，在100 m 的測(cè)點(diǎn)處煤層的下位直接頂在工作面僅推進(jìn)30 m 的位置時(shí)就已經(jīng)完全垮落，而相對(duì)于下位直接頂，上位直接頂在工作面推進(jìn)20 m 的時(shí)候發(fā)生下沉，在工作面推進(jìn)至110的位置時(shí)上位直接頂?shù)南鲁了俣却蠓仍黾?，?dāng)工作面推至120 m 時(shí)，此時(shí)的上位直接頂被徹底壓實(shí)，此時(shí)的下沉量為2.58 m。8 號(hào)煤的基本頂在工作面推進(jìn)40 m 時(shí)產(chǎn)生一定的下沉，當(dāng)工作面推進(jìn)至110 m時(shí)此時(shí)的下降速度明顯加快，當(dāng)工作面推進(jìn)至130 m時(shí)，此時(shí)基本頂被壓實(shí)，基本頂?shù)南鲁亮窟_(dá)到2.1 m，在距離8 號(hào)煤層頂板85 m 處的下沉量達(dá)到1.37 m。模型的上部土層共下沉了0.66 m。

圖3-2 為8 號(hào)煤層開(kāi)采155 m 測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的覆巖下沉曲線，此測(cè)點(diǎn)位于8 號(hào)煤采空區(qū)中部，根據(jù)圖中所示可知，下位直接頂隨著開(kāi)采逐步下落，在工作面推進(jìn)至20 m 的位置時(shí)下位直接頂完全垮落，上為直接頂在工作面推至20 m 時(shí)開(kāi)始垮落，當(dāng)工作面推進(jìn)至55 m 至60 m 的位置時(shí)垮落速度加快，總的下沉量達(dá)到4.5 m。在距離煤層頂板150 m 以上的巖層下沉量較小。模型的上部土層共下沉了1.76 m，較100 m 時(shí)的測(cè)點(diǎn)增加了1.1 m。

圖3-3 為8 號(hào)煤層開(kāi)采210 m 測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的覆巖下沉曲線，在距離8 號(hào)煤層頂板15 m 的位置下沉量較大，隨著工作面的推進(jìn)在距離工作面30 m 的位置時(shí)下沉量達(dá)到最大值4.76 m，在距離8 號(hào)煤層頂板30 m 以上的巖層隨著工作面推進(jìn)都緩慢增加。此測(cè)點(diǎn)的巖層累積下沉量與100 m 測(cè)點(diǎn)巖層的下沉相差較小，倆側(cè)點(diǎn)距離煤壁均為30 m，但相較100 m 測(cè)點(diǎn)的下沉速度有了一定的增加，這是因?yàn)?00 m 測(cè)點(diǎn)的位置處于基本頂及各巖層初次來(lái)壓之前，而相應(yīng)的210 m 測(cè)點(diǎn)處于其之后，所以步距較小。

3 結(jié)論

1）本文利用經(jīng)驗(yàn)公式得出了斜溝礦8 號(hào)煤層采后冒落帶的最大高度為28.9 m，裂隙帶的高度約為51 m；13 號(hào)煤層的冒落帶高度為75 m，裂隙帶寬度為125 m。

2）利用3DEC 模擬軟件對(duì)煤層的地質(zhì)進(jìn)行建模，通過(guò)斜溝礦的實(shí)際地質(zhì)條件給出斜溝礦地質(zhì)模型的示意圖。

3）在推進(jìn)方向100 m、155 m 及210 m 的位置分別布置監(jiān)測(cè)線觀察煤層頂板上覆巖層下沉情況，發(fā)現(xiàn)在煤層開(kāi)采時(shí)155 m 測(cè)點(diǎn)的上覆巖層總下沉量最大約為1.76 m。