大傾角綜放工作面支承壓力分布規律數值模擬研究

喬小嬌

(潞安集團司馬煤業有限公司山西長治 047105)

隨著我國中東部煤炭資源開發強度不斷增大,為了更好地合理利用煤炭資源,占我國煤炭儲量15%～20%的大傾角煤層已漸漸成為某些礦井的主采煤層。大量工程實踐表明[1-5]：大傾角煤層開采后,其采場頂板巖層的破斷、變形形式不同于緩傾斜煤層,尤其是大傾角綜放工作面,由于頂煤的存在及采出,勢必導致采場圍巖結構變化,造成不同于緩傾斜工作面的礦山壓力顯現形式。

1 801大傾角綜放工作面生產地質情況

801工作面長度220 m,推進長度510 m,回采范圍內地面標高+479 m～+531 m,工作面開采煤層屬下二疊統山西組下部的三號煤層,該煤層賦存穩定,煤厚變異較小,煤層結構較簡單。煤層平均厚度7 m；煤層傾角6°～20°,平均16°。采用綜采放頂煤開采,放頂步距0.8 m,工作面為傾斜長壁后退式開采。

801 工作面煤體以黑色、塊狀為主,粒狀次之,亮煤為主,夾鏡煤條帶,煤質為貧瘦煤。

煤層普氏硬度如表1所示,煤質狀況如表2所示,煤層頂底板情況如表3所示。

表1 煤層普氏硬度表

表2 煤質狀況表

表3 煤層頂底板情況表

2 801大傾角綜放工作面頂板管理設備情況

工作面端頭布置三組ZFG9600/23/38 型過渡支架及兩組ZT15000/19.5/41 型端頭架,端尾布置三組ZFG9600/23/38 型過渡支架及一組ZT7200/19/40 型端尾架,中間布置ZFG9600/23/38 型過渡支架共同管理頂板。液壓支架基本參數如表4所示。

表4 液壓支架基本參數

3 數值模型的建立

在對現場地質生產條件進行簡化和抽象的基礎上,并考慮工作面傾角較大,利用FLAC3D軟件建立模型來研究工作面支承壓力分布規律。

考慮邊界效應,設計的三維計算模型長、寬、高分別為160 m、120 m和88 m,共劃分282 000個六面體單元,生成網格節點295 728個。X軸平行于工作面推進方向,采用摩爾-庫侖本構模型。模型水平方向上左右兩側限制水平位移,模型底面限制水平移動和垂直移動,模型的上部施加上覆巖層的自重應力,建立的數值模型如圖1所示。

圖1 數值計算模型圖

4 模擬結果分析

為分析底煤中應力分布,在底煤中布置測線,研究煤層開采過程中底煤支承壓力分布規律。

圖2(a)為工作面推進2 m 時煤巖體應力云圖及工作面前方底煤支承壓力分布曲線,可以看出,底煤的采出導致煤層懸露頂板、底板出現卸壓現象,煤壁處出現應力集中；支承壓力峰值緊靠煤壁位于煤壁前方2 m處,峰值大小6.66 MPa,應力集中系數為1.26,工作面前方底煤整體處于增壓狀態未出現卸壓區,說明煤體頂底板條件較好,促使底煤處于三向受力狀態,強度較大,在煤壁前方3 m范圍內處于應變硬化狀態,遠離煤壁處處于彈性狀態。

圖2(b)為工作面推進4 m 放煤2 m 時煤巖體應力云圖及工作面前方底煤支承壓力分布曲線,放頂煤開采過程中,工作面前方底煤是煤巖體中應力集中最為顯著的區域,工作面推進低于10 m時采動影響范圍較小,隨工作面推進采動影響范圍不斷增大,且采空區頂底板受采動影響要明顯大于采空區前、后方煤巖體受到的影響。

圖2(c)為工作面推進100 m 放煤98 m 時煤巖體應力云圖及工作面前方底煤支承壓力分布曲線,受煤層傾角的影響,采空區上覆巖層卸壓區突向上部,采空區下覆巖層卸壓區突向下部,說明仰采情況下工作面頂板破斷層位高,采空區后方煤層底板破環較深；工作面前方煤巖體應力增大弧小于采空區后方煤巖體應力增大弧,即上覆煤巖體破斷卸壓導致應力向采空區后方轉移。

圖2 不同推進距離與放煤步距時工作面前方支承壓力分布

圖3 底煤峰值應力曲線

圖3為工作面不同推進度下底煤支承壓力峰值應力大小及應力集中系數隨工作面推進變化曲線,隨著工作面推進工作面前方煤體峰值應力不斷增大,但增加幅度減小。工作面推進20 m 時,曲線趨于平緩,說明隨工作面開采上覆巖層懸露面積增大,支承壓力增大,且隨巖層懸露面積增大巖層內出現離層,導致應力增大幅度減少；推進38 m時支承壓力峰值達到第一次極大值,此時直接頂發生破斷跨落；推進48 m 時支承壓力峰值第二次達到極大值,此時老頂達到極限跨距,發生破斷,即初次來壓步距45 m,隨后在60 m、72 m處達到極大值,即周期來壓步距約為12 m。煤體內應力集中系數最大為1.81,說明頂煤的存在促使放頂煤開采礦壓顯現不明顯,且頂板較為完整堅硬老頂可能發生彎曲下沉。

5 結論及應用

(1)當工作面只進行采煤機割煤而不放煤時,煤壁前方支承壓力影響范圍大約為65 m,超前支承壓力峰值距煤壁6 m 左右,而當工作面采煤機割煤與支架后方放煤平行作業時,煤壁前方的超前支承壓力范圍增大,約為84 m,超前支承壓力峰值點向煤體深部轉移。

(2)工作面自開切眼隨放頂煤工作面推進距離的不斷增大,煤壁前方的應力集中系數增加,超前支承壓力峰值向深部轉移,當工作面推進到一定距離時,支承壓力集中系數不再增加,峰值點與煤壁的距離也基本保持穩定。

(3)隨工作面推進,工作面前方頂、底煤體支承壓力峰值逐漸增大,但增加幅度減小,最后趨于穩定；底煤支承壓力峰值點逐漸遠離煤壁后趨于穩定,頂煤支承壓力峰值點先靠近煤壁后遠離煤壁直到基本穩定。

根據以上實驗結論,確定本工作面直接頂初次垮落步距為8 m～14 m；老頂初次垮落步距為30 m～45 m；老頂周期來壓步距為10 m～16 m。為本采區相鄰工作面開采提供了有益參考。