采高對采空區(qū)下堅硬頂板運動規(guī)律影響研究

張兆民

(1. 山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，山東省濟南市，250104；2. 山東省煤田資源數(shù)字化工程技術(shù)中心，山東省濟南市，250104)

厚煤層在分層開采時，采用下行開采方式，當上部煤層存在采空區(qū)時，下部煤層在開采過程中上覆巖層覆巖運動在形態(tài)和結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出差異性，覆巖運動規(guī)律與不含硬厚巖層的上覆巖層不同。上部煤層開采殘留保護煤柱對下部煤層開采應力分布與頂板運移特征產(chǎn)生影響。下煤層開采時，上煤層已經(jīng)開采完畢，下煤層處于上煤層采空區(qū)下，覆巖結(jié)構(gòu)與單煤層開采顯著不同。上覆巖層開采后形成了塊體-散體-塊體的復合結(jié)構(gòu)，工作面開采過程中應力演化規(guī)律表現(xiàn)不同。

汝箕溝煤礦3213(1)工作面煤層頂板為堅硬巖層，采用下行開采，工作面開采后頂板不易垮落。此外，工作面在開采期間上部煤層殘留保護煤柱以及采空區(qū)影響較大。因此，研究堅硬頂板下不同開采高度對下行開采覆巖運動規(guī)律的影響具有重要意義。

1 工程地質(zhì)概況

汝箕溝煤礦二1煤層為穩(wěn)定的厚煤層，煤層平均厚度6 m，現(xiàn)已全部開采，屬于采空區(qū)，采空區(qū)的縱向范圍約15 m。二2層煤平均厚度8.5 m，為穩(wěn)定的巨厚煤層，結(jié)構(gòu)較復雜，含夾矸兩層，屬于主采煤層，二2煤層上距二1煤層60 m。主采二2煤層，偽頂為泥巖，黑色層理發(fā)育，厚度約0.1 m；直接頂為砂質(zhì)巖和粉砂巖，厚度約4.4 m，灰白色，致密堅硬；底板為粉砂巖，灰白色，致密堅硬；在煤層上部有一夾矸層，厚度0.3～1.7 m，黑色砂質(zhì)泥巖，大部分較軟。

2 數(shù)值模型建立

2.1 數(shù)值模型

本文以神華寧煤汝箕溝煤礦3213(1)工作面的工程地質(zhì)條件為模擬基礎，模型尺寸為400 m×300 m，模型頂部距上煤層150 m，煤層厚度6 m，下煤層距模型頂部216 m，煤層厚度9 m，下煤層采用分層開采，采高分別為3 m和5 m，底板巖層厚度取75 m。

2.2 巖層屬性及邊界條件

根據(jù)煤層的地質(zhì)柱狀圖，取埋深為400 m，模型上部施加10.8 MPa的均布載荷模擬上覆巖層。模型X方向固定位移，底部邊界固定，上部為自由面。巖體力學參數(shù)見表1。

表1 巖體力學參數(shù)

2.3 模擬方案

采用UDEC離散元數(shù)值模擬軟件，研究采空區(qū)以及堅硬頂板下開采覆巖運動特征、支承壓力演化規(guī)律。在埋深400 m的條件下，下部煤層采高分別為1 m和5 m，進行數(shù)值模擬研究。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 采高為1 m時的覆巖運動特征

當采高為1 m時，對采空區(qū)和堅硬頂板下開采塑性區(qū)、支承壓力和垂直位移進行分析研究。采高1 m時不同步距塑性區(qū)分布、垂直應力分布和垂直位移分布分別如圖1、圖2和圖3所示。由數(shù)值模擬結(jié)果可知，工作面開挖120 m時，出現(xiàn)初次來壓。隨著工作面的繼續(xù)開采，當工作面推進160 m和200 m時，出現(xiàn)周期來壓。初次來壓步距為120 m，周期來壓步距為40 m。

由圖1可知，工作面推進120 m時，在頂板斷裂處出現(xiàn)較大范圍的拉伸破壞，且出現(xiàn)初次來壓。隨著工作面的不斷推進，塑性破壞范圍增大，且頂板破斷繼續(xù)向上發(fā)育。由圖2可知，在煤壁前方出現(xiàn)應力集中區(qū)，但隨著開采范圍的增大，應力集中區(qū)域沒有出現(xiàn)線性增長，且在超前工作面上方巖層應力集中程度不高。在工作面前方40 m處，應力集中程度相對較低，稱之為弱應力集中區(qū)。由圖3(a)可以看出，當工作面推進120 m時，在采空區(qū)下方由采動引起的覆巖垂直位移變化明顯。隨著工作面的不斷推進，覆巖垮落逐漸向上發(fā)育，工作面煤壁兩側(cè)垮落區(qū)域逐漸增大。隨著工作面的不斷推進，如圖3(b)所示，下煤層的開采初步形成了穩(wěn)定的采動位移角，采動影響相對的處于穩(wěn)定，巖層移動角不再有明顯的變化，位移變化也不再向上擴展，最終擴展高度為34 m。

圖1 采高1 m時不同步距塑性區(qū)分布圖

圖2 采高1 m時不同步距垂直應力分布圖

圖3 采高1 m時不同步距垂直位移分布圖

推進步距/m峰值位置/m影響范圍/m峰值/MPa應力集中系數(shù)203324212211340453591451348056425162150120675681861721607350217215920074525178165平均值5084368161149

采高1 m時的支承壓力表征參數(shù)見表2。由表2可以看出，推進步距小于120 m時，應力峰值和影響范圍隨推進步距的增加而明顯增大，峰值位置穩(wěn)步增大。

3.2 采高5 m時的覆巖運動特征

當采高為5 m時，對采空區(qū)以及堅硬頂板下開采塑性區(qū)、支承壓力和垂直位移進行分析研究。采高5 m時不同步距塑性區(qū)分布、垂直應力分布和垂直位移分布分別如圖4、圖5和圖6所示。由數(shù)值模擬結(jié)果可知，工作面開挖90 m時，出現(xiàn)初次來壓。隨著工作面的繼續(xù)開采，當工作面推進到120 m、150 m、170 m和200 m時，出現(xiàn)周期來壓。初次來壓步距為90 m，周期來壓平均步距為28 m。與采高1 m相比初次來壓步距、周期來壓步距均縮短。

圖4 采高5 m時不同步距塑性區(qū)分布圖

圖5 采高5 m時不同步距垂直應力分布圖

由圖4、圖5和圖6可以看出，工作面開挖90 m時下煤層上覆巖層中出現(xiàn)了大量的拉伸破壞單元，工作面前方形成了弱應力集中區(qū)，初次來壓期間頂板巖層位移變化較大，垮落破壞明顯。工作面推進200 m時，塑性區(qū)的范圍已經(jīng)延伸到了上部采空區(qū)。此時，由于采動影響引起的覆巖運動向上擴展基本停止，“三帶”高度最終擴展到上部采空區(qū)的底部，貫穿了上下兩個煤層，極易引發(fā)上部采空區(qū)內(nèi)的有害氣體、老塘水、隱形火等傳遞到下部采空區(qū)中，誘發(fā)下煤層工作面災害的發(fā)生。

采高5 m時支承壓力表征參數(shù)見表3。由表3可以看出，工作面初次來壓前，應力峰值和影響范圍隨推進步距增加而增大，支承壓力峰值位置有少許增加，之后變化較小，總體穩(wěn)定。

圖6 采高5 m時不同步距垂直位移分布圖

推進步距/m峰值位置/m影響范圍/m峰值/MPa應力集中系數(shù)4048321156144907264620518912066598195180150675881891751706860219518120071615202187平均值65561191177

綜上分析可知，在煤壁前方以及開切眼處塑性破壞單元較多，在頂板巖層斷裂處拉伸破壞單元集中。隨著采高的增加，頂板處受拉伸破壞區(qū)域逐漸增大，說明采高的增大增加了覆巖運動空間，垮落更加充分，頂板破斷步距減小。工作面開采初期，煤壁前方以及開切眼外側(cè)煤壁出現(xiàn)弱應力集中區(qū)。隨著采高的增加，應力集中程度增加，且煤壁前方峰值位置距煤壁距離不斷減小，影響范圍逐漸增大。工作面初次來壓之前，頂板覆巖運動、頂板下沉量及其影響范圍受采動影響較小。隨著工作面的不斷推進，垂直位移逐漸形成穩(wěn)定的采動位移角。隨著采高的不斷增加，初次來壓期間垂直位移下沉量不斷增加，向上擴展高度也隨之增大，說明了下煤層工作面采高的增大促進了“上三帶”的發(fā)展。隨著采高的增加，支承壓力峰值位置、影響范圍和峰值大小略有增加。

4 結(jié)論

本文利用UDEC數(shù)值模擬軟件，研究了不同采高條件下塑性區(qū)、支承壓力以及垂直位移變化特征，得出以下結(jié)論：

(1)塑性區(qū)變化特征。隨著采高的增加，在工作面上方出現(xiàn)塑性破壞和拉伸破壞的范圍加大，頂板巖層的破斷距減小。

(2)支承壓力變化規(guī)律。開采初期工作面出現(xiàn)了弱應力集中區(qū)。隨著采高的增大，應力集中程度和范圍加大。

(3)垂直位移演化特征。隨著采高的增加，相同開挖步距時產(chǎn)生的垂直位移向上擴展的高度不斷地加大，直至擴展到最上部的采空區(qū)。

參考文獻：

[1] 周楠，張強，安百富等.近距離煤層采空區(qū)下工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[J].中國煤炭，2011(2)

[2] 金桃，陳陽，許磊.層間距對采空區(qū)下巷道穩(wěn)定性影響分析[J].煤礦安全，2011(7)

[3] 竇林名，劉貞堂，曹勝根等.堅硬頂板對沖擊礦壓危險的影響分析[J].煤礦開采，2003(2)

[4] 馬元，靖洪文，陳玉樺.動壓巷道圍巖破壞機理及支護的數(shù)值模擬[J].采礦與安全工程學報，2007(1)