堅硬特厚煤層工作面覆巖運動規(guī)律分析

郭成英

(山西煤炭運銷集團 朔州有限公司，山西 朔州 036000)

·試驗研究·

堅硬特厚煤層工作面覆巖運動規(guī)律分析

郭成英

(山西煤炭運銷集團 朔州有限公司，山西 朔州 036000)

針對某礦堅硬特厚煤層復(fù)雜地質(zhì)條件，運用礦壓理論、數(shù)值模擬方法對其工作面堅硬特厚煤層上覆巖層運動規(guī)律進行研究和分析，得到了在堅硬特厚煤層的條件下上覆巖層運動規(guī)律變化與工作面推進步距的關(guān)系，即隨著工作面推進步距的增加，支承壓力、傳遞巖梁、破斷拱的高度都會相應(yīng)地增大，但最終趨于穩(wěn)定，這一研究結(jié)論對于堅硬特厚煤層條件下工作面的安全生產(chǎn)和支護設(shè)計都有一定的指導(dǎo)意義。

堅硬特厚煤層;數(shù)值模擬;綜放開采;覆巖運動規(guī)律;礦壓觀測

20世紀80年代之前，我國厚煤層的正規(guī)采煤方法多采用分層開采，對于厚度小于5 m的厚煤層采用一次采全高開采技術(shù)。20世紀90年代，煤炭的綜合開采技術(shù)取得了較大的發(fā)展，在復(fù)雜的煤層賦存狀況下一種新的開采技術(shù)—綜采放頂煤技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用，而且取得了可觀的經(jīng)濟效益。實踐證明，放頂煤技術(shù)不僅是特厚煤層的最佳開采方法，也是特厚煤層建設(shè)安全高效礦井的有效技術(shù)途徑之一。綜采放頂煤時，礦山壓力的顯現(xiàn)往往明顯區(qū)別于傳統(tǒng)的開采方法。目前，針對煤礦特厚煤層綜采放頂煤工作面(以下簡稱綜放工作面)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究還較少。本文采用礦壓理論、數(shù)值模擬方法對某工作面堅硬特厚煤層上覆巖層運動規(guī)律進行分析和研究，具有一定的理論價值和現(xiàn)實意義。

煤礦堅硬特厚煤層開采的頂板控制是世界性難題之一。針對某礦綜采工作面為堅硬特厚煤層，采高大，垮落形成的墊層很薄，甚至無墊層，上覆巖層垮落時運動空間高度大，多次發(fā)生大面積來壓現(xiàn)象，致使液壓支架壓架和捂面，研究在工作面推進的過程中，堅硬特厚煤層上覆巖層的運動規(guī)律，可為類似礦井和工作面的安全開采提供理論依據(jù)。

1 煤層賦存條件

某礦工作面煤層傾角6°～10°，平均8°，煤層厚度9.8 ～11.0 m，平均10.4 m，屬特厚穩(wěn)定緩傾斜煤層;偽頂厚度為0.3～0.5 m，由炭質(zhì)泥巖、泥巖互層組成，破碎，較軟，容易冒落;直接頂為厚度3～5 m的泥巖、頁巖、粉砂巖，層理發(fā)育，較易垮落;老頂厚度12～17 m，砂巖、礫巖、石灰?guī)r等堅硬巖石，常在采空區(qū)上方懸露一段時間后才會大面積垮落;直接底厚度0.5 m，為灰黑色砂質(zhì)泥巖層理發(fā)育，較硬;老底厚度4 m，為灰白色細砂巖;粉砂巖，層理發(fā)育，致密堅硬，見表1。

2 模型設(shè)計及實驗過程

2.1 數(shù)值模擬模型

模型走向長200 m，傾斜長230 m，高度120 m，煤層厚度10.4 m。模型側(cè)面限制水平移動，模型底面限制垂直移動，模型上部施加垂直載荷模擬上覆巖層的重量。數(shù)值模擬模型見圖1。

工作面長度為200 m，切眼高4 m，寬5 m。工作面控頂距為5.0 m，采用全部垮落法管理頂板。

表1 模擬開采煤層頂?shù)装鍑鷰r的主要參數(shù)

圖1 數(shù)值模擬模型圖

2.2 實驗過程

在模型右側(cè)距離邊界200 m處開挖切眼，切眼參數(shù)為5 m×4 m。井下工作按照三八工作制，兩個半班割煤，半個班檢修，每刀割煤時間約為1.3 h，每刀進尺0.8 m，則每個班割煤6刀，每天割煤15刀，合計每天推進度12 m。隨著工作面向前推進，觀察開采中的典型現(xiàn)象。

3 實驗結(jié)果分析

特厚煤層開采過程中模擬圍巖應(yīng)力分布云圖，見圖2。

圍巖內(nèi)的最大應(yīng)力為垂直應(yīng)力，從圖2可以看出，在推進20 m后，圍巖內(nèi)的垂直應(yīng)力快速升高，在頂煤初次垮落后，圍巖內(nèi)的應(yīng)力增加趨勢有所減緩，以后每次頂煤垮落圍巖內(nèi)垂直應(yīng)力均有所放緩，在推進70 m后逐漸達到相對平衡狀態(tài)。

圖2 模擬開采過程中圍巖應(yīng)力分布云圖

數(shù)值模擬的圍巖變形情況反映了工作面礦壓顯現(xiàn)的劇烈程度，從模擬結(jié)果分析可知，在從開切眼推進到30 m以后，礦壓顯現(xiàn)開始逐漸劇烈，見圖3。

圖3 工作面垂直應(yīng)力隨模擬開采推進變化

4 結(jié)論

通過對某礦特厚煤層綜放開采過程的數(shù)值模擬，可以得出如下結(jié)論:

1)由于開采初始階段，沒有進行頂煤的冒放和回收，所以頂板的初次來壓步距增加，但工作面的初次來壓表現(xiàn)為頂煤的來壓，強度較低，煤層厚度增加后，頂煤的來壓可能會多次發(fā)生。

2)頂板的大范圍高強度來壓發(fā)生在開始放頂煤以后，且在基本頂初次來壓后，趨于平緩。

3)隨工作面的推進，工作面出現(xiàn)頂板來壓和頂煤來壓的兩種壓力，并且工作面觀測的強度較高的情況，出現(xiàn)在頂板來壓和頂煤的來壓相互疊加的條件下。

Analysis on Srata Motion Law of Hard Thick Coal Seam Working Face

Guo Cheng－ying

Based on the complex geological condition of hard thick coal seam in a mine，by using mine pressure theory and numerical simulation method，studies and analyzes overlying strata movement rule in the working face of hard thick coal seam，have obtained the relationship of overlying strata movement rule change and advance step distance of the face under the condition of the hard thick coal seam，namely with increasing of the advance step distance of the face，the bearing pressure，the transfer rock beam and the height of breaking arch will be corresponding increase，but eventually tend to be stable.The research conclusion for the condition of hard thick coal seam，production safety and supporting design of the working face has certain guiding significance.

Hard thick coal seam;Numerical simulation;Fully mechanized top－coal caving;Strata movement law;Mine pressure observation

TD32

A

1672－0652(2012)10－0030－03

2012－09－13

郭成英(1960—)，男，山西懷仁人，1999年畢業(yè)于東北大學，工程師，主要從事煤礦生產(chǎn)安全管理工作(E －mail)ying760313@163.com