大傾角松軟厚煤層放頂煤開采覆巖移動規(guī)律研究

王文俊

(霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400)

煤炭在我國未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展中仍占據(jù)著重要的地位，已有的煤炭資源儲量統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，大傾角、急傾斜厚煤層約占總儲量的14.5%。綜放開采技術(shù)在國內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用，但是對于地質(zhì)條件比較復(fù)雜的煤層還存在很多關(guān)鍵技術(shù)問題。由于工作面傾角較大，煤層厚度變化較大，工作面主要存在支架和刮板運(yùn)輸機(jī)容易出現(xiàn)上竄或下滑、支架歪倒、采煤機(jī)滑倒等問題。一旦控制不好，就會減慢工作面推進(jìn)速度，增大工作量，增加危險因素，同時煤炭資源回收率低等問題。可見，合理有效地解決大傾角松軟厚煤層綜放開采的一系列關(guān)鍵技術(shù)問題，是保證大傾角松軟厚煤層綜放開采實(shí)現(xiàn)安全高效回采的前提和保證[1-3]。因此，需針對大傾角松軟厚煤層研究其工作面開采過程中覆巖移動規(guī)律，為工作面礦壓管控提供依據(jù)。

1 工程概況

龐龐塔煤礦位于山西省臨縣，屬于霍州煤電集團(tuán)。9號煤層上距5號煤層平均50.63 m。煤層厚度為10.8～12.4 m，平均11.8 m，傾角34～48°，平均35°，普氏系數(shù)f為1，屬于大傾角松軟特厚煤層，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般含夾矸1～4層，夾矸厚度0.10～0.38 m，夾矸多為炭質(zhì)泥巖，煤層頂?shù)装逄卣魅绫?所示。所采工作面9-101工作面南部為井田邊界，北部為西區(qū)暗斜井系統(tǒng)，東部為9-700工作面，西部為9-103工作面，上部為5號煤5上-108、5-101采空區(qū)。9-101工作面采用放頂煤開采方法，根據(jù)工作面的具體地質(zhì)條件及設(shè)備的配套使用效果，確定工作面采高為3.2 m，放煤8.6 m、一采一放，采放比為1∶2.69。

表1 煤層頂?shù)装逄卣?/p>

2 大傾角綜放開采覆巖運(yùn)移規(guī)律理論分析

大傾角松軟煤層在放頂煤開采過程中，受到煤層傾角、煤層自重、煤巖相互作用力等多種因素影響，工作面煤層采出后，上方煤巖體的變形和破壞與近水平煤層有著顯著的不同。水平煤層開采時，上覆巖層受到自重和豎向載荷的影響，通過組合梁板結(jié)構(gòu)將載荷傳遞到兩側(cè)區(qū)段煤柱上，上覆巖層平穩(wěn)下沉，當(dāng)頂板受到應(yīng)力大于頂板巖石極限強(qiáng)度時，即發(fā)生斷裂垮落。

而大傾角煤層開采時，頂板巖層在自重作用下發(fā)生彎曲變形，由于受到巖層傾角的分力作用，頂板巖層垮落后朝著采空區(qū)下山方向堆積，因此覆巖破壞極易發(fā)生在采空區(qū)上山方向處。工作面采出后，由于頂板垮落堆積于下部工作面采空區(qū)，因此垮落矸石對頂板也起到支撐作用，整個覆巖結(jié)構(gòu)由于受到煤柱和垮落巖石的支撐，形成了“廠”形彎曲結(jié)構(gòu)移動拱，如圖1所示。

隨著工作面的不斷推進(jìn)，傾斜巖層會不斷達(dá)到極限跨距，直至斷裂垮落，向采空區(qū)下部進(jìn)行垮落堆積，這部分垮落巖層可稱為“下位巖層”，其上方巖層由于受到支撐作用，會平穩(wěn)彎曲下沉，這部分巖層可稱為“上位巖層”，保證上位巖層中的砌體拱穩(wěn)定可以控制上方巖層變形破壞。

3 覆巖移動規(guī)律數(shù)值模擬

利用FLAC3D有限元分析軟件，以龐龐塔礦9號煤層工作面為工程背景建立數(shù)值分析模型，根據(jù)換算實(shí)際工作面埋深條件施加模型應(yīng)力及位移邊界，產(chǎn)生初始地應(yīng)力，模型如圖2所示。待上下巷道和切眼貫通后，對模型工作面進(jìn)行分步開挖，模擬工作面推進(jìn)過程中頂板巖層位移及應(yīng)力變化規(guī)律。位移水平測線布置于模型頂板巖層至煤層距離分別為2 m、12 m、32 m、50 m中，每條測線布置10個觀測點(diǎn)，垂直測線間隔20 m，共布置10條。應(yīng)力水平測線共布置3條，每條布置測點(diǎn)10個，分別布置于煤層中、直接頂泥質(zhì)灰?guī)r中、老頂砂質(zhì)泥巖中，監(jiān)測工作面推進(jìn)過程中水平位移、豎直位移及垂直應(yīng)力變化規(guī)律。

圖2 數(shù)值分析模型

1) 位移變化規(guī)律。在工作面開采初期，推進(jìn)到20 m時測線位移變化如圖3所示，頂板巖層垂直位移較小，主要發(fā)生水平位移，上覆巖層的垂直位移和水平位移都表現(xiàn)為從下而上逐漸減小的趨勢，未采煤層上方位移明顯小于采空區(qū)上方的位移。

工作面推進(jìn)到60 m時，位移變化規(guī)律如圖4所示。由圖可知，相較于推進(jìn)20 m而言，兩種位移量都發(fā)生了增長，而垂直位移增長明顯快于水平位移，距離采空區(qū)越近，位移量越大，下位巖層相較于上位巖層位移較大。

圖3 工作面推進(jìn)20 m時測線位移變化規(guī)律

圖4 工作面推進(jìn)60 m時測線位移變化規(guī)律

工作面推進(jìn)到130 m時，位移變化規(guī)律如圖5所示。由圖可知，隨著工作面的推進(jìn)，垂直位移繼續(xù)增大，下位巖層垂直位移明顯大于上位巖層；由于頂煤的放出，采空區(qū)空間不斷增大，上覆巖層向采空區(qū)傾斜，導(dǎo)致水平位移出現(xiàn)負(fù)值。

2) 應(yīng)力變化規(guī)律。經(jīng)過處理分析沿工作面開采方向距開切眼不同距離處應(yīng)力分布情況，選取每條測線中的測點(diǎn)3、6、9，分別位于距離工作面開切眼50 m、100 m、150 m處，進(jìn)行繪圖得到圖6。

圖5 工作面推進(jìn)130 m時測線位移變化規(guī)律

圖6 煤層及頂板巖層支承壓力分布

由圖6(a)可知，受采動影響在工作面前方煤體中形成超前支承壓力。工作面前方5 m范圍內(nèi)支承壓力小于原巖應(yīng)力，稱為減壓區(qū)；工作面前方5～40 m范圍內(nèi)支承壓力大于原巖應(yīng)力，稱為增壓區(qū)，工作面前方40 m以外支承壓力趨近于原巖應(yīng)力，稱為穩(wěn)壓區(qū)。增壓區(qū)的應(yīng)力峰值位于工作面10 m處，應(yīng)力集中系數(shù)為1.8。

由圖6(b)可知，工作面前方10 m范圍內(nèi)為減壓區(qū)；工作面前方5～40 m范圍內(nèi)為增壓區(qū)，工作面前方42 m以外為穩(wěn)壓區(qū)。增壓區(qū)的應(yīng)力峰值位于工作面12 m處，應(yīng)力集中系數(shù)為1.5。

由圖6(c)可知，工作面前方15 m范圍內(nèi)為減壓區(qū)；工作面前方15～46 m范圍內(nèi)為增壓區(qū)，工作面前方46 m以外為穩(wěn)壓區(qū)。增壓區(qū)的應(yīng)力峰值位于工作面15 m處，應(yīng)力集中系數(shù)為1.4。

綜上所述，煤體支承壓力分布范圍在工作面前方40 m。從圖6中可以看出，煤層應(yīng)力峰值達(dá)到21 MPa，直接頂應(yīng)力峰值為20 MPa，老頂應(yīng)力峰值為18 MPa。可以得到支承壓力從煤層到老頂表現(xiàn)出由大到小的趨勢，分布范圍也逐漸擴(kuò)大，支承壓力峰值點(diǎn)也逐漸遠(yuǎn)離煤壁，應(yīng)力集中系數(shù)也逐漸減小。

4 結(jié) 語

針對大傾角松軟煤層開采后覆巖移動規(guī)律，采用理論分析和數(shù)值模擬的方式研究了工作面煤層采出后頂板活動規(guī)律，位移及應(yīng)力分布規(guī)律，得到如下結(jié)論：

1) 大傾角煤層采出后，覆巖破壞范圍主要為采空區(qū)偏上山方向，直接頂被拉斷，采空區(qū)上方形成梁結(jié)構(gòu)，由于下部垮落矸石充填對頂板起到支撐作用，整個采場覆巖形成“廠”形彎曲結(jié)構(gòu)移動拱。

2) 工作面推進(jìn)到20 m時，頂板巖層垂直位移較小，主要發(fā)生水平位移；推進(jìn)到60 m時，垂直位移增長明顯快于水平位移；推進(jìn)到130 m時，由于頂煤的放出，采空區(qū)空間不斷增大，上覆巖層向采空區(qū)傾斜，導(dǎo)致水平位移出現(xiàn)負(fù)值。

3) 煤層的超前支承壓力峰值點(diǎn)在距離煤壁約10 m處，超前支承壓力分布范圍約40 m。