斜溝礦18105工作面上覆巖層運移規(guī)律研究

宋化剛

關鍵詞：上覆巖層;RFPA軟件;動態(tài)監(jiān)測;數(shù)值模擬

層狀巖體結構是巖層覆存的主要形態(tài)，隨著采掘，受采掘擾動影響上覆巖層會發(fā)生位移運動，導致巷道頂板離層、垮落。對開采厚度在3.5m以上大采高工作面，一般采用：一次采全高與放頂開采兩種開采方式。由于一次采全高的開采工藝較放頂開采方式具有開采效率高優(yōu)點得到廣泛應用，一次采全高開采工藝逐步成為大采高綜采工作面的主要開采技術，手礦井地質條件限制，大采高開采技術在實際應用中也遇到制約因素。本文以斜溝礦18105大采高綜采工作面為研究背景，針對采掘過程中礦壓顯現(xiàn)，導致頂板離層、冒落、垮落和巷道圍巖變形嚴重問題，通過RFPA軟件和UDEC離散元數(shù)值分析軟件對工作面上覆巖層的下層量進行動態(tài)監(jiān)測，分析不同支護阻力支架的支護效果，分析得到合理的開采高度和支護方式，有效控制工作面頂板離層、跨落現(xiàn)象。

1 礦井概況

斜溝礦位于山西省興縣北50km處，礦井面積約88.6km2，

礦井設計生產(chǎn)能力15.0Mt/a。現(xiàn)在主要開采8#、13#，兩層分采分運，13#厚度約為15m，采用一次采全綜放開采方式，在18105工作面回采過程，受采動擾動影響上覆巖層發(fā)生大面積的冒落，為此，對8#、13#開采過程中上覆巖層的頂板運移規(guī)律研究非常重要，是保證礦井安全開采的基礎。采空區(qū)的頂板巖層主要分為：垮落帶、彎曲下沉帶和裂隙帶。隨著工作面的推進，采空區(qū)的懸頂長度增加，受礦壓影響頂板會發(fā)生彎曲下沉，當彎曲達到極限時頂板巖層會發(fā)生大面積的斷裂垮落。

2 工作面頂板上覆巖性分析

斜溝礦18105工作面頂板巖性自上而下分別為：粗砂巖、粉砂巖、砂質泥巖等。開采的8#平均厚度4.87m，平均傾角9.5°，鑒于頂板巖性分布不勻，巖石的碎脹系數(shù)選定為1.2、1.3。當巖石的碎脹系數(shù)為1.2時，冒落帶的最大高度為26.5m，當巖石的碎脹系數(shù)選定為1.3m時，冒落帶的最大高度為18.6m。所以可以推出18105工作面的冒落帶最大高度在18.6m～26.5m之間。工作面頂板巖層力學參數(shù)見表1所示。

開采的13#頂板從上至下依次為砂巖、泥巖、砂質泥巖等。13#的平均厚度為13.8m，平均傾角為10°，冒落帶最大高度在50.1m～69.1m。在實際的生產(chǎn)中將裂隙帶及冒落帶的高度統(tǒng)稱為導水裂隙帶，導水裂縫帶的高度計算公式為：

式中：Hli-導水裂縫帶寬度，m;M-采高，m。通過計算得出8#和13#頂板的裂隙帶高度為56.5m和73.8m。

3 上覆巖層垮落數(shù)值模擬

斜溝礦為研究18105工作面的上覆巖層的跨落及裂隙發(fā)育規(guī)律，通過RFPA軟件和UDEC離散元數(shù)值分析軟件對工作面上覆巖層的下層量進行動態(tài)監(jiān)測模擬研究。在進行UDEC數(shù)值模擬計算時首先構建數(shù)值模型，模型長300m，寬5m，高400m，同時結合18105工作面的實際水文地質條件對模型的技術參數(shù)進行設置，為避免模型滑動。由于工作面的頂板巖層完全建立所以無需再頂端施加固定載荷。

根據(jù)工作面實際情況對模型圍巖進行施加，每下降1m圍壓壓力相對應的增加0.025MPa。數(shù)值模型中設定8#厚度為4.87m，頂部分別為砂質泥巖15m，泥巖13m，中砂巖40m構成工作面頂板的基本頂，在距離工作面85m至105m的位置為頂板的副關鍵層，距離工作面300m至320m為主關鍵層，鑒于18105工作面的直接頂主要為泥巖，厚度達到1.35m受采掘擾動影響較小，周期來壓較小。為對18105工作面在采掘過程巷道頂板巖層下沉量進行動態(tài)監(jiān)測，選取工作面推進100m、150m和200m的位置分別設置監(jiān)測線，對18105工作面巷道頂板和上覆巖層的下沉情況進行觀測。18105工作面開采時上覆巖層下沉量變化曲線如圖2所示。

由圖2（a）可以看出，在100m的測點處巖層的下位直接頂在工作面僅推進30m的位置時就已經(jīng)完全垮落，而相對于下位直接頂，上位直接頂在工作面推進20m的時候發(fā)生下沉，在工作面推進至110的位置時上位直接頂?shù)南鲁了俣却蠓仍黾?，當工作面推?20m時，此時的上位直接頂被徹底壓實，此時的下沉量為2.58m?；卷斣诠ぷ髅嫱七M40m時產(chǎn)生一定的下沉，當工作面推進至110m時此時的下降速度明顯加快，當工作面推進至130m時，此時基本頂被壓實，基本頂?shù)南鲁亮窟_到2.1m，在距離18105工作面頂板85m處的下沉量達到1.37m。模型的上部土層共下沉了0.66m。

圖2（b）為18105工作面150m測點監(jiān)測到的覆巖下沉曲線，此測點位于18105工作面采空區(qū)中部，根據(jù)圖中所示可知，下位直接頂隨著開采逐步下落，在工作面推進至20的位置時下位直接頂完全垮落，上為直接頂在工作面推至20m時開始垮落，當工作面推進至55m至60m的位置時垮落速度加快，總的下沉量達到4.5m。在距離工作面頂板150m以上的巖層下沉量較小。模型的上部土層共下沉了1.5m，較100m時的測點增加了1.3m。

圖2（c）為18105工作面開采200m測點監(jiān)測到的覆巖下沉曲線，在距離18105工作面頂板15m的位置下沉量較大，隨著工作面的推進在距離工作面30m的位置時下沉量達到最大值4.76m，在距離18105工作面頂板30m以上的巖層隨著工作面推進都緩慢增加。此測點的巖層累積下沉量與100m測點巖層的下沉相差較小，倆側點距離兩幫均為30m，但相較100m測點的下沉速度有了一定的增加，這是因為100m測點的位置處于基本頂及各巖層初次來壓之前，而相應的200m測點處于其之后，所以初次來壓步距相對較小。

4 結論

通過RFPA軟件和UDEC離散元數(shù)值分析軟件對18105工作面上覆巖層的下沉量進行研究，得出受采動擾動影響后巷道頂板的冒落帶的高度最大達到26.5m，裂隙帶的高度約為48m;13#的冒落帶高度最大達到69m，裂隙帶寬度為105m。采用3DEC模擬軟件結合8#的實際地質條件構建數(shù)值模型，模擬研究了工作面推進100m、150m和200m的位置的頂板上覆巖層下沉變化，研究發(fā)現(xiàn)18105工作面在開采推進到150m監(jiān)測位置使頂板上覆巖層的最大下沉量達到1.5m，工作面在推進至200m處，初次來壓步距相對較小。結合模擬研究結果選用工作阻力達到10000kN以上的支架可對巷道頂板下沉和圍巖變形進行有效控制，保證礦井的安全開采。

參考文獻：

[1]閆建兵，張東峰，張小強.復采工作面橫跨煤柱上覆巖層運移規(guī)律研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2018，045（005）：37-41+46.