錦丘煤礦12406工作面覆巖運(yùn)動(dòng)及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

蓋鵬艷，黃曉鵬，徐宜嶺

（滕州郭莊礦業(yè)有限責(zé)任公司錦丘煤礦，山東 棗莊 277515）

0 引言

長(zhǎng)壁開采是我國(guó)煤礦開采的主要方式之一，具有效率高、產(chǎn)量大等優(yōu)點(diǎn)。分析長(zhǎng)壁開采過程中礦壓顯現(xiàn)規(guī)律對(duì)指導(dǎo)礦井安全高效開采具有重要意義[1]。自長(zhǎng)壁開采以來，大量學(xué)者對(duì)長(zhǎng)壁工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律做了詳細(xì)的研究。楊真[2]對(duì)淺埋綜放工作面強(qiáng)礦壓現(xiàn)象進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)采場(chǎng)覆巖高位關(guān)鍵層能夠形成砌體梁結(jié)構(gòu)，低位關(guān)鍵層能夠懸臂梁結(jié)構(gòu)，并且這兩種結(jié)構(gòu)發(fā)生的聯(lián)動(dòng)失穩(wěn)效應(yīng)是強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的主要原因；朱濤[3]對(duì)于深埋堅(jiān)硬頂板的長(zhǎng)壁工作面，提出了提高初撐力、加快推采速度的解決辦法。錦丘煤礦12406工作面為124采區(qū)首采工作面，下方還有16煤和17煤，在此工作面開展礦壓規(guī)律研究的同時(shí)也可以對(duì)下方煤層開采起到指導(dǎo)作用。運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法分析了薄煤層工作面開采后的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，為下煤層乃至滕北礦區(qū)礦井的安全開采提供依據(jù)。

1 工程概況

錦丘煤礦位于滕北礦區(qū)的中部。井田含煤地層為上石炭統(tǒng)太原組，太原組含煤3層，分別為煤12下、煤16和煤17，現(xiàn)在回采的12406工作面位于主采煤層12下，埋深390 m，煤層不含夾矸，傾角為1°~4°，平均煤層厚度為1.6 m。工作面頂板自上而下分布有泥巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖等，泥巖層厚為2.50～7.99 m，平均3.35 m，局部夾薄層砂質(zhì)泥巖；粉砂巖層厚為3.3～8.5，平均5.62 m。底板為石灰?guī)r和泥巖，石灰?guī)r平均厚度4 m，泥巖平均厚度為3.4 m。地層結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 錦丘煤礦地層結(jié)構(gòu)圖

2 工作面覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究

2.1 基本頂來壓步距理論分析

通常在長(zhǎng)壁開采時(shí)，沿推進(jìn)方向基本頂初次破斷可以當(dāng)作固支梁模型來處理，模型在煤壁、開切眼邊界煤柱兩端固定。其跨距隨工作面的推進(jìn)而不斷增大，當(dāng)基本頂?shù)臉O限抗拉強(qiáng)度小于其最大拉應(yīng)力時(shí)，頂板就會(huì)產(chǎn)生破斷，即初次來壓[4]。基本頂初次來壓步距計(jì)算公式（1）如下：

式中：h為基本頂厚度；σ1為基本頂抗拉強(qiáng)度；q1為基本頂所受載荷。根據(jù)錦丘煤礦實(shí)際地層數(shù)據(jù)，h為5.9 m，σ1為1.8 MPa，q1為105 kPa，代入數(shù)值計(jì)算得初次來壓步距為34 m。

工作面繼續(xù)推進(jìn)，頂板初次破斷后還將發(fā)生周期性的破斷，即周期來壓，此時(shí)將模型簡(jiǎn)化為懸臂梁結(jié)構(gòu)，懸臂梁的最大彎矩在煤壁固定端，拉應(yīng)力最大發(fā)生在煤壁處，從而基本頂將在煤壁固定端被拉斷[5]。同樣地，周期來壓步距計(jì)算公式（2）為：

代入數(shù)值計(jì)算得周期來壓步距為16 m。

2.2 模型建立

根據(jù)工作面實(shí)際地質(zhì)情況，采用數(shù)值模擬手段研究煤層開采后覆巖運(yùn)移規(guī)律。在煤層開采數(shù)值模擬研究中，通常采用Flac3D、UDEC等數(shù)值模擬軟件，F(xiàn)lac3D需要建立三維模型，計(jì)算方式繁瑣，所需硬件配置也較高，而UDEC可以用來模擬非連續(xù)系統(tǒng)，可以真實(shí)的反映巖層破斷情況，同時(shí)建立的又是二維模型，可以大大的減少計(jì)算量[6]。

數(shù)值模擬主要研究12下煤開采過程中的覆巖運(yùn)移情況，煤16和煤17暫不做處理。確定模型尺寸長(zhǎng)×高=150 m×100 m。模型中側(cè)面與底面采用位移約束，因?yàn)槟Ｐ臀唇⒅恋乇恚陨线吔缡┘討?yīng)力約束。同時(shí)為了消除邊界效應(yīng)的影響，在模型兩邊各設(shè)置了30 m的保護(hù)煤柱。模型中各地層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

數(shù)值模型見圖2。

圖2 煤層開采模型圖

2.3 綜采面覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

12406綜采工作面由開切眼開始推采，每次開挖進(jìn)尺7 m。圖3~圖6為推進(jìn)不同距離后覆巖垮落情況。12406綜采工作面推進(jìn)14 m時(shí)，直接頂開始垮落，垮落形式呈臺(tái)階型，上覆巖層有較小位移，而離工作面較遠(yuǎn)處巖層基本無變化，見圖3（a）所示。當(dāng)工作面推采至35 m時(shí)，采空區(qū)上方巖層及工作面左右煤壁有明顯下沉，關(guān)鍵層發(fā)生破斷，可判斷發(fā)生了初次來壓，來壓步距約35 m，如圖3（b）所示。工作面繼續(xù)推進(jìn)至50 m時(shí)，上覆巖層繼續(xù)下沉，關(guān)鍵層喪失承載能力下沉至采空區(qū)，12406工作面發(fā)生了周期來壓，周期來壓步距15 m，覆巖運(yùn)動(dòng)情況如圖3（c）所示。當(dāng)工作面推進(jìn)至65 m時(shí)，除近開切眼側(cè)存在巖層懸頂未完全垮落外，覆巖基本隨間隔層關(guān)鍵層同步下沉，采場(chǎng)達(dá)到充分采動(dòng)狀態(tài)。

圖3 數(shù)值模擬開挖結(jié)果圖

綜上所述，經(jīng)理論分析得出初次來壓步距為33 m，周期來壓步距為16 m。數(shù)值模擬得出初次來壓步距和周期來壓步距分別為35 m和15 m，結(jié)果相差不大。

3 礦壓規(guī)律實(shí)測(cè)分析

3.1 礦壓觀測(cè)方案

工作面采用掩護(hù)式液壓支架，切眼中部布置掩護(hù)式液壓支架60架，兩端頭分別布置掩護(hù)式液壓支架3架。分別在1、4、8、15、30、45、56、60、64號(hào)液壓支架后柱上安裝礦用數(shù)字壓力計(jì)，可以對(duì)液壓支架的工作阻力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)每3天派專人收集一次，收集數(shù)據(jù)流程圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集流程

對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，本次礦壓觀測(cè)從開切眼（2019年12月）開始至2020年2月。工作面端頭4號(hào)液壓支架和中部30號(hào)液壓支架工作阻力如圖5和圖6所示。

圖5 4號(hào)液壓支架工作阻力

3.2 礦壓觀測(cè)分析

由圖5可知，工作面從開切眼開始推進(jìn)，端頭4號(hào)液壓支架壓力出現(xiàn)鋸齒狀升高，在推進(jìn)至34 m左右時(shí)，支架壓力升至最高，為2 600 kN。上覆巖層出現(xiàn)大范圍下沉，頂板破碎，可以推測(cè)出發(fā)生了初次來壓，來壓步距34 m左右。工作面繼續(xù)推進(jìn)，分別推至48、64、78、94 m左右時(shí)，支架壓力分別到達(dá)峰值。同時(shí)后方采空區(qū)出現(xiàn)墩墩聲，可判斷發(fā)生了多次周期來壓，周期來壓步距15 m左右。

同樣地，由圖6可知，30號(hào)液壓支架也出現(xiàn)了相似情況，支架工作阻力峰值為2 500 kN，初次來壓步距為36 m，周期來壓步距15 m左右。

圖6 30號(hào)液壓支架工作阻力

4 結(jié)論

1）煤層開采造成上覆巖層變形破斷，通過理論公式（固支梁和懸臂梁理論）分別計(jì)算了12406工作面的初次來壓和周期來壓步距，初次來壓步距為34 m，周期來壓步距為16 m。

2）采用離散元數(shù)值模擬軟件分析了煤層開采過程中基本頂破壞過程，得出初次來壓步距為35 m，周期來壓步距為15 m。

3）采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的手段得到了液壓支架的工作阻力并對(duì)其進(jìn)行分析，初次來壓步距為36 m，周期來壓步距15 m左右。端頭支架的阻力峰值要大于中部支架，并且數(shù)值模擬、理論分析、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)具有較好的一致性。