緩傾斜煤層綜采工作面覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律及礦壓特征分析

崔慧斌

（霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司團(tuán)柏煤礦，山西 霍州 031414）

0 引 言

隨著我國(guó)煤礦開采技術(shù)的逐漸發(fā)展，眾多學(xué)者為研究緩傾斜煤層煤巖體的受力情況及上覆巖層的運(yùn)動(dòng)情況，通過巖石力學(xué)彈塑性理論，通過觀察煤巖體受力過程中的應(yīng)力應(yīng)變情況，分析上覆巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并在具體工程實(shí)踐中得到驗(yàn)證[1]。如賈喜榮教授[2-3]認(rèn)為巖層在受壓時(shí)，軟弱巖層會(huì)首先出現(xiàn)變形移動(dòng)，并提出了煤巖體的“薄板礦壓理論”，認(rèn)為軟弱巖層是導(dǎo)致覆巖產(chǎn)生變形破壞的主要原因；高云峰[4]運(yùn)用數(shù)值模擬軟件對(duì)棗泉煤業(yè)的緩傾斜煤層的圍巖變形情況進(jìn)行分析，得出錨索網(wǎng)等聯(lián)合支護(hù)形式下巷道會(huì)出現(xiàn)非對(duì)稱變形的情況，同時(shí)聯(lián)合支能夠有效的將破碎巖體與穩(wěn)定巖體連接起來，形成“壓縮拱”結(jié)構(gòu)，并通過現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)得到驗(yàn)證；代沛[5]通過具體工程背景運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)礦壓實(shí)測(cè)等綜合的研究方法，將緩傾斜中厚煤層回采過程中采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行時(shí)空劃分，并得出上覆巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。本文主要對(duì)李雅莊煤礦2-611綜采工作面上覆巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析，通過建立數(shù)值模擬模型，得出工作面的初次來壓及周期來壓步距，來壓時(shí)的特征，并通過礦壓觀測(cè)得到驗(yàn)證。

1 工程概況

霍州煤電李雅莊煤礦2-611工作面走向長(zhǎng)度為1285m，傾斜長(zhǎng)度為205m，主采2#煤層，煤層厚度為2.85～3.70m，均厚 3.27m，煤層傾角為 5°～12°，平均傾角為7°，屬于緩傾斜煤層。工作面位于355水平，基巖厚度為583m，煤層為復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層，一般含1層夾矸，夾矸以泥巖或炭質(zhì)泥巖為主。煤層直接頂為細(xì)粉砂巖，均厚2.77m，基本頂為中砂巖，均厚為6.85m，直接底為粉砂巖，均厚為1.69m，老底為泥巖，均厚為3.54m，煤層頂?shù)装寤緸檐浫鯉r層，工作面采用綜采采煤方法，全部垮落法管理頂板。

2 工作面上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

2.1 數(shù)值模擬模型建立

根據(jù)2#煤層頂?shù)装鍘r性及賦存條件，通過UDEC數(shù)值模擬軟件建立2#煤層頂?shù)装辶W(xué)模型，模型長(zhǎng)200m，高78m，設(shè)計(jì)開挖高度為2m，模型的左右邊界條件為均為固支，根據(jù)2-611工作面地質(zhì)資料，模擬使用的煤（巖）體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 2#煤層頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)

模型建立完后，工作面開切眼的位置距離模型左側(cè)邊界的距離為45m，模擬過程共推進(jìn)85m，每次推進(jìn)距離為5m，分別對(duì)工作面推進(jìn)15m、25m、35m、45m時(shí)分別進(jìn)行出圖具體分析上覆巖層的運(yùn)動(dòng)情況。

圖1 2-611工作面回采過程中覆巖運(yùn)動(dòng)情況

根據(jù)圖1（a）能夠得出，在2-611工作面推進(jìn)15m后，直接頂與基本頂均已經(jīng)全部垮落，且?guī)r層破斷后已經(jīng)對(duì)基本頂以上的巖層產(chǎn)生影響，導(dǎo)致其彎曲變形，在直接頂全部垮落后，破碎巖體充填采空區(qū)，基本頂在中部發(fā)生切落，且基本頂巖層在破斷同時(shí)會(huì)相互擠壓，形成砌體梁咬合結(jié)構(gòu)，此時(shí)基本頂上覆巖層會(huì)彎曲向下變形，此時(shí)為工作面的初次來壓；從圖1(b)中能夠看出，當(dāng)工作面推進(jìn)25m時(shí)，基本頂及其上覆巖層會(huì)出現(xiàn)類似與圖1（a）所示的斷裂變形情況，裂隙在基本頂上覆巖層逐漸延伸，頂板懸露距離較短，則形成的短砌體梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)滑落失穩(wěn)，基本頂與直接頂一起充填采空區(qū)，上覆巖層至地表出現(xiàn)彎曲下沉現(xiàn)象，沉降約為0.25m，此時(shí)認(rèn)為工作面周期來壓，來壓步距約為15m；當(dāng)工作面推進(jìn)35m、45m時(shí)，由圖1(c)、(d)能夠看出上覆巖層明顯呈現(xiàn)“兩帶”式分布，且隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，上覆巖層會(huì)出現(xiàn)周期性的切落，彎曲下沉現(xiàn)象，故能夠得出2-611工作面上覆巖層隨著回采工作的進(jìn)行呈現(xiàn)出周期性運(yùn)動(dòng)，且從分析知工作面來壓步距較短。

在模型建立時(shí)，通過在基本頂深3m的位置處埋設(shè)測(cè)線，共布置10個(gè)測(cè)點(diǎn)，在進(jìn)行回采開挖時(shí)，通過監(jiān)測(cè)基本頂垂直方向的應(yīng)力變化情況，得出工作面推進(jìn)不同距離時(shí)豎直方向應(yīng)力分布曲線圖如圖2所示。

圖2 工作面推進(jìn)不同距離時(shí)基本頂測(cè)點(diǎn)豎直方向應(yīng)力變化曲線

根據(jù)圖2能夠得出，在工作面推進(jìn)15m時(shí)，豎直方向應(yīng)力值變化較大，，在工作面推進(jìn)約15m時(shí)工作面出現(xiàn)初次來壓，初次來壓時(shí)豎直應(yīng)力的峰值出現(xiàn)在工作面前方5～7m的巖層內(nèi)，因?yàn)榛卷攷r層切落后，并未與上覆巖層形成結(jié)構(gòu)，故在工作面剛推進(jìn)一段距離時(shí)受到上覆巖層的沖擊荷載相對(duì)較小；在工作面推進(jìn)25m后，應(yīng)力峰值在工作面前方7m左右，其豎直應(yīng)力值為4.97MPa，此時(shí)基本頂形成的砌體梁結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生滑落失穩(wěn)[6]，覆巖會(huì)隨著基本頂?shù)钠茢喽新洌藭r(shí)會(huì)對(duì)工作面造成較大的沖擊荷載；在工作面推進(jìn)35m、45m及85m時(shí)垂直應(yīng)力的峰值基本均出現(xiàn)工作面前方10m，呈現(xiàn)出周期性變化，最大應(yīng)力峰值為5.0MPa。通過上述分析能夠得知上覆巖層滑落失穩(wěn)會(huì)造成工作面周期來壓較為強(qiáng)烈，因此可以根據(jù)短砌體梁結(jié)構(gòu)計(jì)算出合理的支架支護(hù)阻力，用以防止上覆短砌體梁發(fā)生滑落失穩(wěn)。

3 工作面礦壓實(shí)測(cè)及分析

2-611工作面采用一次采全高的采煤工藝，通過對(duì)工作面回采期間液壓支架工作阻力的來壓情況進(jìn)行分析，觀測(cè)支架位置主要在工作面的中部，主要對(duì)90#～140#支架回采時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測(cè)，同時(shí)以5個(gè)支架為一組，共設(shè)置11組進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)工作面向前推進(jìn)27m范圍內(nèi)進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)，將所得數(shù)據(jù)繪制成曲線圖如圖3所示。

通過對(duì)圖3進(jìn)行分析能夠得出，工作面在推進(jìn)約14.5m時(shí)，初次來壓，初次來壓持續(xù)約5～6m的距離，此時(shí)液壓支架的平均工作阻力為3.41MPa，最大工作阻力為4.65MPa，來壓動(dòng)載系數(shù)1.38；當(dāng)工作面推進(jìn)約25時(shí)，為第一次周期來壓，來壓持續(xù)時(shí)間約為4～5m，此時(shí)液壓支架的平均工作阻力為3.56MPa，最大工作阻力為4.69MPa，來壓動(dòng)載系數(shù)為1.65，周期來壓的持續(xù)距離約為4～5m，且應(yīng)力峰值大于初次來壓。具體工作面液壓支架的來壓步距情況如表2所示。根據(jù)回采過程中的觀測(cè)，在來壓時(shí)工作面煤壁片幫情況加劇，工作面與回采巷道的交叉處錨桿有明顯的變形，同時(shí)工作面的局部區(qū)域出現(xiàn)漏頂?shù)那闆r，便需對(duì)該部分區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。根據(jù)分析工作面回采過程中液壓支架的工作阻力得出的初次及周期來壓情況與數(shù)值模擬結(jié)果相同。

圖3 回采過程中支架工作阻力變化曲線

表2 工作面回采過程中來壓步距情況

4 結(jié) 論

1）通過對(duì)2-611工作面進(jìn)行數(shù)值模擬，得出工作面推進(jìn)約15m時(shí)工作面上方基本頂發(fā)生破斷，上覆巖層出現(xiàn)彎曲下沉及切落現(xiàn)象，此時(shí)代表著工作面初次來壓；在工作面推進(jìn)約25m時(shí)，工作面上覆巖層會(huì)出現(xiàn)類似于初次來壓時(shí)的情況，表明此時(shí)為周期來壓，模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)一致。

2）緩傾斜煤層工作面上覆巖層的運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)周期性的變化規(guī)律，且周期來壓時(shí)礦壓顯現(xiàn)劇烈，來壓步距較短，根據(jù)上覆巖層松軟的特性，形成的短砌體梁結(jié)構(gòu)發(fā)生滑落失穩(wěn)時(shí)，覆巖會(huì)發(fā)生切落，導(dǎo)致工作面來壓強(qiáng)烈，可通過分析短砌體梁結(jié)構(gòu)合理選擇液壓支架，保證工作面的安全回采。