大傾角厚煤層頂板破斷規律的數值模擬研究

劉英志,白慶升,袁 永

(1.中國礦業大學礦業工程學院,江蘇 徐州 221008;2.黑龍江龍煤集團七臺河分公司,黑龍江 七臺河 154600)

近年來,我國很多礦區賦存條件優越的煤層儲量越來越少[1],隨著煤炭開采強度的不斷擴大,很多礦區面臨著在大傾角煤層中采用綜合機械化采煤方法[2]。長期以來,國內外學者對礦山壓力的研究,主要集中在近水平和緩傾斜煤層,因而目前的綜合機械化采煤一般適用于緩傾斜煤層[3-5]。開采這類煤層由于其傾角較大,煤層頂板垂直作用于支架上的分力比緩傾斜煤層小,而沿傾斜方向的分力較大,所以其回采工藝、頂板巖層活動、工作面礦壓顯現規律等產生了一系列與開采緩傾斜煤層不同的特點[6-10]。研究在大傾角復雜地質條件下的工作面頂板垮落及礦壓顯現特征,對采用安全高效綜采技術,發揮綜采潛力、拓寬綜采工藝的適用范圍,提高礦井機械化開采水平、經濟效益和煤炭采出率有重要的意義。

本文結合某礦大傾角中厚煤層綜采工作面,運用UDEC2D數值模擬軟件建立了沿工作面走向和傾向的數值分析模型[11-12],模擬分析了大傾角綜采工作面的頂板破斷和礦壓顯現規律以及圍巖應力分布特征,對同類條件下的煤層開采具有借鑒和指導意義。

1 開采條件

某礦 12802工作面,設計走向長 1 150m、傾斜長180m。工作面北為井田邊界煤柱;東部為深部尚未開采區;西部以 12407工作面采空區為界,南部以采區軌道上山保護煤柱(工作面停采線)為界。工作面所采的 2#煤,煤層賦存較穩定,煤層厚度在 1.5～3.8m,平均 3.2m,煤層結構 2.35(0.10)0.75,中下部夾有一層 0.10～0.15m的泥質粉砂巖夾矸。煤巖層傾角 22°～33°,平均 28°。

工作面北部煤層直接頂板為灰黑色粉砂巖,下半部富含植物化石,具有滑面,裂隙較發育,上半部為粉砂巖與細粒砂巖互層,具有水平層理,層厚 0～4.07m,平均 3.3m;老頂為灰色細砂巖,膠結致密,層厚 0.75～4.2m,平均 2.5m。工作面南部煤層直接頂板為灰色細砂巖,層厚 17.4 m。直接底板為黑色粉砂巖與細砂巖互層,具有水平層理,含有云母片及植物化石,厚度 4.5～6.9m,平均 5.7m。工作面采用走向長壁后退式綜合機械化采煤方法,垮落法管理頂板。

2 模型的建立

根據工作面地質條件利用UDEC2D軟件分別建立了工作面走向和傾向模型,對大傾角煤層開采過程中頂板破斷規律及圍巖應力分布特征進行模擬研究。

工作面走向模型模擬方案的范圍取 300m(寬)×100m(高),工作面傾向模型模擬方案的范圍取500m(寬 ) ×200m(高 ),巖層角度為 25°,模型的左右及下部邊界為位移邊界,左右邊界限制 x方向的位移;下部邊界限制 y方向的位移,為消除邊界影響,兩 側各留 50m保護煤柱,分別見圖 1和圖 2。

圖 1 沿工作面走向數值分析模型

圖 2 沿工作面傾向數值分析模型

模型中圍巖物理力學性質參照 12802工作面實際巖體力學特性和相近礦區的巖體力學參數,并根據UDEC特性確定,見表 1,表 2。根據模擬需要,走向模型在老頂頂部布置 2#測線,在距離煤層底板 19 m高布置 3#測線,在距離煤層底板 63 m處布置 4#測線。傾向模型在距離煤層上部 3.1 m布置 5#測線,距離煤層上部 8.1 m布置 6#測線,距離煤層上部23.1m布置 7#測線,距離煤層上部 33.1m布置 8#測線,在距離煤層底板 5m處布置 9#測線。

表 1 巖層物理力學參數表

表 2 接觸面物理力學參數表

3 走向模擬結果分析

3.1 開采空間頂板冒落及下沉

不同推進長度覆巖頂部破斷和覆巖垂直位移情況見圖 3,圖 4。由圖 3,圖 4可知,當工作面推進20m時,直接頂開始垮落,直接頂與老頂、老頂與上覆巖層出現離層;工作面推進到 30m時,直接頂完全破斷,直接頂與老頂、老頂與上覆巖層之間離層進一步擴大;當工作面推進 40m時,老頂破斷,即老頂初次來壓,老頂及其上覆巖層下沉量顯著增大,且直接頂與老頂、老頂與上覆巖層之間的離層進一步增大,說明直接頂巖層雖然接觸底板,并逐漸被壓實。當工作面推進到 55m,工作面第一次周期來壓,在距開切眼 35m左右,距煤層20m高范圍內的頂板覆巖下沉量基本趨于一致,及上覆巖層基本達到充分采動狀態,最大下沉量達到3.2m;如圖 4(d)所示從距開切眼 35m到工作面位置,老頂與上覆巖層具有相同的下沉量,及老頂與上覆巖層之間的離層很小,但直接頂與老頂之間存在著離層,且離工作面越近離層量越大。當開采空間達到70m以上,即工作面第二次周期來壓之后,頂板的最大下沉量沒有增加,但充分采動的范圍由煤層上方20m增加到煤層上方 60m。

從模擬結果分析,12802工作面初次來壓歩距約為 40m,周期來壓歩距約為 15m,與現場基本一致。

3.2 開采空間應力分布

不同推進距離超前支承壓力特征統計圖見圖 5。

圖 5 不同推進距離超前支承壓力特征統計圖

由圖 5可知,在老頂初次來壓之前,采動超前支承壓力集中程度低,應力集中系數在 1.3左右,老頂初次來壓時,采動應力峰值達到 24M Pa,應力集中系數為 1.7,老頂的前三次周期來壓采動應力集中程度高,應力峰值分別為 29.6M Pa、29M Pa和 26.9M Pa,應力集中系數達到 2.0左右。采動超前支承壓力峰值位置在工作面前方 5～11m處,老頂來壓期間,采動應力影響范圍約為 35～44m。從頂板安全管理角度分析,應加強工作面初次來壓及前三次周期來壓期間的頂板管理。

4 傾向模擬結果分析

一般情況下,由于直接頂冒矸向下滾落,形成下部填滿而上部懸空的沿傾斜不同充填特征,老頂破斷后下部板塊的失穩運動首先受到限制,因而大傾角煤層開采過程中,沿工作面傾下部礦壓顯現較上部和中部緩和[10]。工作面上中下部應力統計表見表 3,由表 3可知,工作面上部平均壓力為 2.69M Pa,中部平均壓力為 11.06M Pa,下部平均壓力為7.18M Pa,從工作面兩端頭至中間部位壓力逐漸增大,最大值位置在工作面中上部位 115～125 m之間,壓力為 14～14.5M Pa。且隨工作面上覆巖層隨距煤層距離的增加,頂板內最大壓力有減小的趨勢。

表 3 工作面上中下部應力統計表 M Pa

工作面兩端側向支撐壓力分布見表 4。

由表 4可知,工作面兩端頭沿傾向壓力分布規律為：上端頭側向支撐壓力峰值及峰值點離其順槽的距離均小于下端頭側向支撐壓力峰值及峰值點離其順槽的距離。上端頭側向支撐壓力峰值均值為16.97 M Pa,支撐壓力峰值點離其順槽的距離 17m左右;下端頭側向支撐壓力峰值均值為 22.71M Pa,支撐壓力峰值點離其順槽的距離 20m左右。

表 4 工作面上下端部側向支撐壓力分布表

與近水平和緩傾斜煤層相比,工作面開采后巖層移動角和充分采動角有所不同。模擬結果顯示,沿傾向工作面上山和下山巖層移動角分別為 71°和 64°;上山和下山充分采動角分別為 66°和 72°,上山巖層移動角大于下山巖層移動角,而充分采動角則相反。

5 結 論

根據 12802工作面具體地質條件,分別建立沿工作面走向和傾向的數值分析模型,模擬分析了大傾角綜采面頂板破斷規律和礦壓顯現特征,結果表明：

1)工作面直接頂初次垮落歩距約為 20m,老頂初次來壓歩距約為 40m,老頂周期來壓歩距約為 15m。

2)老頂初次來壓時,采動應力峰值達到 24 M Pa,應力集中系數為 1.7,老頂的前三次周期來壓采動應力集中程度高,應力峰值分別為 29.6M Pa、29 M Pa和 26.9M Pa,應力集中系數達到 2.0左右;超前支承壓力峰值位置在工作面前方 5～11m處,老頂來壓期間,采動應力集中系數約為 1.7,采動應力影響范圍約為 35～44 m;應加強工作面初次來壓及前三次周期來壓期間的頂板管理。

3)沿工作面傾向壓力分布表現為明顯的非對稱性,具體表現為中、下部大,上部小;上端頭側向支承壓力峰值為 16.97M Pa,峰值點距上巷外幫 17m,下端頭側向支承壓力峰值為 22.71M Pa,峰值點距下巷外幫 20m。

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