斜溝礦18105工作面上覆巖層運移規律研究

宋化剛

關鍵詞：上覆巖層;RFPA軟件;動態監測;數值模擬

層狀巖體結構是巖層覆存的主要形態，隨著采掘，受采掘擾動影響上覆巖層會發生位移運動，導致巷道頂板離層、垮落。對開采厚度在3.5m以上大采高工作面，一般采用：一次采全高與放頂開采兩種開采方式。由于一次采全高的開采工藝較放頂開采方式具有開采效率高優點得到廣泛應用，一次采全高開采工藝逐步成為大采高綜采工作面的主要開采技術，手礦井地質條件限制，大采高開采技術在實際應用中也遇到制約因素。本文以斜溝礦18105大采高綜采工作面為研究背景，針對采掘過程中礦壓顯現，導致頂板離層、冒落、垮落和巷道圍巖變形嚴重問題，通過RFPA軟件和UDEC離散元數值分析軟件對工作面上覆巖層的下層量進行動態監測，分析不同支護阻力支架的支護效果，分析得到合理的開采高度和支護方式，有效控制工作面頂板離層、跨落現象。

1 礦井概況

斜溝礦位于山西省興縣北50km處，礦井面積約88.6km2，

礦井設計生產能力15.0Mt/a。現在主要開采8#、13#，兩層分采分運，13#厚度約為15m，采用一次采全綜放開采方式，在18105工作面回采過程，受采動擾動影響上覆巖層發生大面積的冒落，為此，對8#、13#開采過程中上覆巖層的頂板運移規律研究非常重要，是保證礦井安全開采的基礎。采空區的頂板巖層主要分為：垮落帶、彎曲下沉帶和裂隙帶。隨著工作面的推進，采空區的懸頂長度增加，受礦壓影響頂板會發生彎曲下沉，當彎曲達到極限時頂板巖層會發生大面積的斷裂垮落。

2 工作面頂板上覆巖性分析

斜溝礦18105工作面頂板巖性自上而下分別為：粗砂巖、粉砂巖、砂質泥巖等。開采的8#平均厚度4.87m，平均傾角9.5°，鑒于頂板巖性分布不勻，巖石的碎脹系數選定為1.2、1.3。當巖石的碎脹系數為1.2時，冒落帶的最大高度為26.5m，當巖石的碎脹系數選定為1.3m時，冒落帶的最大高度為18.6m。所以可以推出18105工作面的冒落帶最大高度在18.6m～26.5m之間。工作面頂板巖層力學參數見表1所示。

開采的13#頂板從上至下依次為砂巖、泥巖、砂質泥巖等。13#的平均厚度為13.8m，平均傾角為10°，冒落帶最大高度在50.1m～69.1m。在實際的生產中將裂隙帶及冒落帶的高度統稱為導水裂隙帶，導水裂縫帶的高度計算公式為：

式中：Hli-導水裂縫帶寬度，m;M-采高，m。通過計算得出8#和13#頂板的裂隙帶高度為56.5m和73.8m。

3 上覆巖層垮落數值模擬

斜溝礦為研究18105工作面的上覆巖層的跨落及裂隙發育規律，通過RFPA軟件和UDEC離散元數值分析軟件對工作面上覆巖層的下層量進行動態監測模擬研究。在進行UDEC數值模擬計算時首先構建數值模型，模型長300m，寬5m，高400m，同時結合18105工作面的實際水文地質條件對模型的技術參數進行設置，為避免模型滑動。由于工作面的頂板巖層完全建立所以無需再頂端施加固定載荷。

根據工作面實際情況對模型圍巖進行施加，每下降1m圍壓壓力相對應的增加0.025MPa。數值模型中設定8#厚度為4.87m，頂部分別為砂質泥巖15m，泥巖13m，中砂巖40m構成工作面頂板的基本頂，在距離工作面85m至105m的位置為頂板的副關鍵層，距離工作面300m至320m為主關鍵層，鑒于18105工作面的直接頂主要為泥巖，厚度達到1.35m受采掘擾動影響較小，周期來壓較小。為對18105工作面在采掘過程巷道頂板巖層下沉量進行動態監測，選取工作面推進100m、150m和200m的位置分別設置監測線，對18105工作面巷道頂板和上覆巖層的下沉情況進行觀測。18105工作面開采時上覆巖層下沉量變化曲線如圖2所示。

由圖2（a）可以看出，在100m的測點處巖層的下位直接頂在工作面僅推進30m的位置時就已經完全垮落，而相對于下位直接頂，上位直接頂在工作面推進20m的時候發生下沉，在工作面推進至110的位置時上位直接頂的下沉速度大幅度增加，當工作面推至120m時，此時的上位直接頂被徹底壓實，此時的下沉量為2.58m。基本頂在工作面推進40m時產生一定的下沉，當工作面推進至110m時此時的下降速度明顯加快，當工作面推進至130m時，此時基本頂被壓實，基本頂的下沉量達到2.1m，在距離18105工作面頂板85m處的下沉量達到1.37m。模型的上部土層共下沉了0.66m。

圖2（b）為18105工作面150m測點監測到的覆巖下沉曲線，此測點位于18105工作面采空區中部，根據圖中所示可知，下位直接頂隨著開采逐步下落，在工作面推進至20的位置時下位直接頂完全垮落，上為直接頂在工作面推至20m時開始垮落，當工作面推進至55m至60m的位置時垮落速度加快，總的下沉量達到4.5m。在距離工作面頂板150m以上的巖層下沉量較小。模型的上部土層共下沉了1.5m，較100m時的測點增加了1.3m。

圖2（c）為18105工作面開采200m測點監測到的覆巖下沉曲線，在距離18105工作面頂板15m的位置下沉量較大，隨著工作面的推進在距離工作面30m的位置時下沉量達到最大值4.76m，在距離18105工作面頂板30m以上的巖層隨著工作面推進都緩慢增加。此測點的巖層累積下沉量與100m測點巖層的下沉相差較小，倆側點距離兩幫均為30m，但相較100m測點的下沉速度有了一定的增加，這是因為100m測點的位置處于基本頂及各巖層初次來壓之前，而相應的200m測點處于其之后，所以初次來壓步距相對較小。

4 結論

通過RFPA軟件和UDEC離散元數值分析軟件對18105工作面上覆巖層的下沉量進行研究，得出受采動擾動影響后巷道頂板的冒落帶的高度最大達到26.5m，裂隙帶的高度約為48m;13#的冒落帶高度最大達到69m，裂隙帶寬度為105m。采用3DEC模擬軟件結合8#的實際地質條件構建數值模型，模擬研究了工作面推進100m、150m和200m的位置的頂板上覆巖層下沉變化，研究發現18105工作面在開采推進到150m監測位置使頂板上覆巖層的最大下沉量達到1.5m，工作面在推進至200m處，初次來壓步距相對較小。結合模擬研究結果選用工作阻力達到10000kN以上的支架可對巷道頂板下沉和圍巖變形進行有效控制，保證礦井的安全開采。

參考文獻：

[1]閆建兵，張東峰，張小強.復采工作面橫跨煤柱上覆巖層運移規律研究[J].礦業安全與環保，2018，045（005）：37-41+46.