急傾斜厚煤層短壁綜采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

張南翔

（孝義市應(yīng)急管理局，山西 孝義 032300）

近年來，國內(nèi)外專家對急傾斜煤層的開采進(jìn)行了深入研究，并為現(xiàn)場生產(chǎn)管理提出了相關(guān)理論。因?yàn)楫?dāng)前具備的特殊性，相對的研究結(jié)果無法有效的對煤礦壓力當(dāng)前體現(xiàn)的某些特征進(jìn)行確認(rèn)。因此，研究急傾斜煤層工作面開采巖石壓力的發(fā)生模式并確定可接受的參考參數(shù)是提高工作面圍巖控制水平的關(guān)鍵之一。

1 數(shù)值模擬分析

1.1 數(shù)值計算模型

根據(jù)某礦的地質(zhì)條件，設(shè)置了數(shù)值相關(guān)的計算模型。模型工作面其兩條帶的寬度為2.25 m，高度為2.3 m，通道距離工作面的回風(fēng)巷道80 m。高度為4.5 m，長度為10 m。為了支護(hù)支柱，支護(hù)之間的距離為800 mm×800 mm（與現(xiàn)有的材巷支護(hù)程序相同）。整個3D模型的大小為150 m×400 m×500 m，計算模型分為89 760個單元以及95 940個節(jié)點(diǎn)。模型中煤層當(dāng)前傾斜角度在設(shè)置上為45°。底面限制X，Y和Z方向的自由度，頂面沒有限制。

1.2 煤巖力學(xué)參數(shù)選取

按照巖石力學(xué)在地質(zhì)上的調(diào)查以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，出于到巖石當(dāng)前產(chǎn)生的尺寸效應(yīng)，計算模型里選擇巖體力學(xué)相關(guān)的參數(shù)詳見表1所示。

表1 計算采用巖石力學(xué)參數(shù)

1.3 數(shù)值模擬計算結(jié)果及分析

時間是數(shù)值建模的關(guān)鍵領(lǐng)域之一。隨著工作面的不斷運(yùn)動，在剪切和伸展過程中，直接頂和老頂?shù)钠茐睦^續(xù)發(fā)生，表明直接頂和老頂逐漸塌陷。當(dāng)工作面移動40 m時，大面積的采空區(qū)頂板會出現(xiàn)塌陷，工作面形成了應(yīng)力減小區(qū)，應(yīng)力約為7.5 MPa，工作面兩條條帶末端的應(yīng)力相對較大。這基本上對應(yīng)了礦山壓力的理論。當(dāng)工作面移動40 m和56 m時，兩個條帶的工作間隙和損壞區(qū)域如圖1和下頁圖2所示。

圖1顯示，對工作表面的回風(fēng)巷道的損壞范圍明顯大于對工作表面的輸送路徑的損壞范圍。這僅是由較小的應(yīng)力引起的，而是由較大的位移引起的，這也反映了對工作端板的大規(guī)模損壞的原因。

圖1 工作面推進(jìn)40 m時處破壞區(qū)圖

由圖2顯示，損傷區(qū)域的分布規(guī)律與初始壓力基本相同。當(dāng)將工作面移動40 m時，工作面的頂部會造成較大的損壞區(qū)域。

圖2 工作面推進(jìn)56 m時處破壞區(qū)圖

當(dāng)工作面移動56 m時，會出現(xiàn)間歇壓力，間歇壓力階躍為16m，基本上相當(dāng)于由經(jīng)驗(yàn)公式計算的13.2 m。按下步距的時間段的經(jīng)驗(yàn)公式類似于公式（1）：

該次數(shù)的計算模擬了一個長度為90m（開口10m，出口80 m）的煤層的發(fā)育，并通過分析獲得結(jié)果能夠獲得以下結(jié)論：

1）通過仿真可以得出，在進(jìn)行開采的而是后，工作面當(dāng)?shù)拇怪睉?yīng)力大概的10 MPa，峰值當(dāng)前的應(yīng)力出于工作面前方大概11 m的位置，其自身最大的應(yīng)力大概達(dá)到了12 MPa，應(yīng)力集中的系數(shù)達(dá)到了1.2。

2）在峰值應(yīng)力到達(dá)工作面返回管道其中較大的一個部分前，這一部分當(dāng)前垂直應(yīng)力在較大程度上會保持不變，并垂直應(yīng)力需要達(dá)到9 MPa。

3）在峰值應(yīng)力提升到工作面里回風(fēng)巷中較大部分的時候，巷道頂板當(dāng)前的垂直應(yīng)力會逐漸的提升到大約10 MPa。車道頂板的向下位移比其他地方大得多，而煤壁處當(dāng)前的位移會不斷的增加。這可能是因?yàn)樘急谄涓邇?nèi)應(yīng)力導(dǎo)致的的。

2 礦山壓力監(jiān)測

2.1 礦壓觀測線布置

為了充分理解復(fù)雜煤層中短壁綜采工作面選擇支架當(dāng)前的工作阻力，確認(rèn)工作面間歇壓力波動上的距離以及強(qiáng)度，認(rèn)識到支架當(dāng)前的載荷分布特性以及確認(rèn)支架當(dāng)前在工作上的阻力，并評估其對傾斜煤層的適應(yīng)性。在本文中，將在+730的水平下觀察工作面在地下產(chǎn)生的壓力。觀察其中包含工作面當(dāng)前的支護(hù)阻力以及支護(hù)物自身的適應(yīng)性。

1）在自港道口開挖起每隔10 m的兩段工作面中，設(shè)置壓力尺以測量工作面的進(jìn)給范圍。

2）從工作面回風(fēng)巷下方約5 m開始，沿著工作面每10 m，從上至下設(shè)置一條控制線，編號為1，2，3，…，5。讀取高度和支護(hù)的工作阻力，以及測量或讀取精度，以毫米和兆帕為單位，測量線在測量區(qū)域的上方和下方延伸6 m，總共有5條測量線。

3）為了初步支護(hù)兩個工作面條，每4 m設(shè)置一個測量點(diǎn)，并且兩個工作面條各有5個測量點(diǎn)，以測量立柱的工作阻力，機(jī)架的高度。可移動機(jī)架的頂部和底部以及高度，其精度以毫米和兆帕為單位。另外，測量新支護(hù)桿的操作阻力，頂部和底部高度以及可移動支護(hù)桿的高度。

4）為了支護(hù)上端和下端（4個橫梁和12根柱子或端支架），每6個測量點(diǎn)，在上端和下端總共有12個測量點(diǎn)，用于測量柱的工作阻力。

2.2 工作面液壓支架工作阻力觀測結(jié)果

底部液壓支架工作阻力的觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析結(jié)果表2。

表2 工作面液壓支架工作阻力觀測統(tǒng)計分析結(jié)果kN

從表2中可以發(fā)現(xiàn)工作面的礦壓顯現(xiàn)具有以下特征:

1）在工作面循環(huán)過程中，底部液壓支架上產(chǎn)生的負(fù)載不斷的提升，可是因?yàn)?根測量線里在工作面下端其測量線獲得的改變工作阻力發(fā)展的方向不斷的提升。區(qū)別在于，機(jī)架的工作面阻在循環(huán)中為5號相對平穩(wěn)地增加，而機(jī)架30號和60號的工作電阻在循環(huán)中突然增加，但增加了在第30號幀的跳躍中的“跳躍”小于第60號架的。

2）工作面的支護(hù)承受得更少：支護(hù)的平均安裝力為1 517.3 kN，是標(biāo)稱安裝力2 616 kN的58%。工作表面支護(hù)的平均工作電阻達(dá)到了2 048.3 kN，其屬于額定工作電阻（3 200 kN）%的64；負(fù)載當(dāng)前比較高的30號架的平均工作阻力只是標(biāo)稱工作電阻其自身的69.4%，相對較低的（5號機(jī)架）平均工作電阻只是標(biāo)稱值的57%。可以看出，當(dāng)大傾角完全機(jī)械化時，支架上的載荷很小，支架的性能能夠滿足提出的要求。

3）在整體進(jìn)行觀察的同時，幾乎所有支護(hù)物都顯示出增加的阻力運(yùn)行狀態(tài)，支護(hù)物5號，30號，60號的初始支護(hù)力及其終點(diǎn)分別為1 333.9、1 636.7和151.3 kN。循環(huán)阻力為2 035.5、2 469.9、2 323.4 kN，是相應(yīng)支架的安裝力的1.53、1.51和1.47倍；按照當(dāng)前工作面所處在的一般位置，支護(hù)的平均安裝力為15173kN，到周期結(jié)束時，支護(hù)力增加到2276.3kN，這屬于支架進(jìn)行平均安裝力所能夠達(dá)到的1.50倍。

4）觀測站當(dāng)前最大工作阻力低于額定工作上產(chǎn)生的阻力，這顯示出ZY3200/13.5/28型支架可以對采礦強(qiáng)度提出的要求給予滿足。

2.3 工作面周期來壓特點(diǎn)

在修整工作面的循環(huán)中，壓力的觀察數(shù)據(jù)隨工作面的移動獲得的支護(hù)件的工作阻力的變化趨勢如圖3所示。由圖3可以得出結(jié)論，木城澗短壁綜采工作面承受間歇性壓力。提供以下特征：

圖3 支架工作阻力隨工作面推進(jìn)的變化趨勢圖

工作面周期并不明顯。從整個工作表面的角度來看，除了30號機(jī)架外，其余支護(hù)件的周期性壓力都不明顯。工作面的循環(huán)壓力步長為9~17 m，平均循環(huán)壓力步長為11.8 m。施加壓力時的載荷為1 961.2 kN，支護(hù)載荷為2 692.4 kN，施加壓力時的動載荷系數(shù)為1.38。

在工作面的不同位置處的周期性壓力的指標(biāo)明顯不同，為進(jìn)行比較，在工作面的兩端處的周期性壓力小于在工作面的中部。在周期性壓力下，工作面下端的支護(hù)載荷達(dá)到了2 160~2 900 kN，上端則是2 080~3 000 kN，動載荷系數(shù)是1.15~1.43。中部在承受壓力的時候，支護(hù)載荷能夠達(dá)到2 670~3 160 kN，動載荷系數(shù)可以達(dá)到1.30~1.66。假如按照中間支護(hù)物在載荷變化去完成周期性步距的確認(rèn)，獲得平均周期性當(dāng)前的步距達(dá)到了11.3 m。

3 結(jié)語

通過對礦壓力的數(shù)值模擬和監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)工作面的周期性壓力影響較大，兩端的周期性壓力小于工作面中部。工作表面的初始壓力步進(jìn)距離約為40 m，周期性壓力步進(jìn)距離為16 m，動態(tài)載荷系數(shù)為1.38。計算結(jié)果通常與現(xiàn)場觀察結(jié)果一致。