大采高綜采工作面采場圍巖應(yīng)力與運(yùn)移規(guī)律研究*

閆殿華

（1.中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030032；2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西 太原 030032；3.煤礦采掘機(jī)械裝備國家工程實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030032）

1 引言

國內(nèi)煤礦井下綜合機(jī)械化采煤工作面地質(zhì)條件千差萬別，不同地質(zhì)條件下工作面來壓強(qiáng)度有所不同，隨著開采深度及開采厚度的增大，工作面來壓期間應(yīng)力集中系數(shù)變高，覆巖垮落帶高度增大，這些都對支架支護(hù)強(qiáng)度、可靠性及對圍巖的適應(yīng)性等提出了新的要求[1，2]。此外，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較為復(fù)雜時(shí)，多數(shù)綜采工作面支架對圍巖的適應(yīng)性差，導(dǎo)致支架支護(hù)效率降低，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)煤壁片幫、頂板局部冒落等現(xiàn)象，這些都嚴(yán)重制約著我國綜采工作面支護(hù)技術(shù)裝備的發(fā)展。因此，有必要應(yīng)用數(shù)值模擬、相似模擬等方法系統(tǒng)地研究采場覆巖的應(yīng)力分布規(guī)律、破壞變形規(guī)律及支架在不同階段的受力特征，并在此基礎(chǔ)上歸納分析支架支護(hù)力變化時(shí)圍巖運(yùn)移相對變化規(guī)律，為類似大采高支架選型、設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，提高頂板圍巖控制效果，保障綜采面高效推進(jìn)。

2 采場圍巖應(yīng)力與運(yùn)移規(guī)律模擬研究

2.1 開采地質(zhì)條件

陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司N1222綜采工作面煤層平均厚度5.6 m，工作面長200 m，推進(jìn)長度為3000 m。工作面頂板為泥巖及砂質(zhì)泥巖，夾粉砂巖薄層，見碳質(zhì)紋層，含白云母碎片及暗色礦物，分選性中等，次圓狀，水平波狀層理及小型交錯(cuò)、塊狀層理,含植物葉化石，見鏡煤條帶，厚0~10.1 m。工作面底板均由泥巖及砂質(zhì)泥巖組成。泥巖呈灰黑、深灰色薄層狀，水平及小交錯(cuò)層理，局部底部有煤線，厚0～0.85 m，零星分布，砂質(zhì)泥巖為淺灰、灰黑色薄-厚層狀粉砂巖，夾細(xì)粒，具滑面及菱鐵質(zhì)透鏡體，水平及波狀層理、緩波狀及小型交錯(cuò)層理，厚0～8.83 m，零星分布。

2.2 采場覆巖數(shù)值模擬研究

2.2.1 數(shù)值模擬研究

采用FLAC3D 對不同開采條件下工作面圍巖的應(yīng)力分布及其變形、破壞規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬研究。為更接近工程實(shí)際，對各煤巖體進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室參數(shù)測定。根據(jù)研究的實(shí)際情況，建立模型：走向長度300 m，傾斜長度300 m，高度130 m，模擬埋深320 m，模型兩側(cè)限制水平移動(dòng)，底部限制垂直移動(dòng)[3]，上部施加均布載荷，模型見圖1。

圖1 FLAC3D 數(shù)值計(jì)算模型

2.2.2 上覆巖層位移演化規(guī)律

工作面推進(jìn)時(shí)，變形明顯區(qū)域主要處于工作面采空區(qū)域頂板，并隨著工作面推進(jìn)向上覆高層位巖層延伸，在巖層與黏土層交匯區(qū)域，位移輪廓出現(xiàn)橫向擴(kuò)展區(qū)域[3，4]，隨著工作面的推進(jìn)有繼續(xù)擴(kuò)展趨勢，當(dāng)工作面推進(jìn)至50 m 左右時(shí)，頂板破壞延伸至基本頂并進(jìn)一步向上擴(kuò)展，隨著繼續(xù)推進(jìn)，頂板巖層破壞形呈豎直切落特征，見圖2。

圖2 采動(dòng)過程中上覆巖層位移演化規(guī)律

3 采場覆巖運(yùn)移相似模擬研究

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)及參數(shù)選取

實(shí)驗(yàn)時(shí)將河沙作為模擬巖層的主要材料，輔以熟石膏和大白粉，采用粉煤灰模擬煤層，各材料在混合過程中加入一定量的水。實(shí)驗(yàn)根據(jù)模型的比例尺、材料的重度比來確定實(shí)驗(yàn)的相似配比，所得各巖層的相似材料配比如表1 所示。

表1 相似材料配比

模型根據(jù)需要選取幾何相似比為1：100，容重相似常數(shù)為1.6，彈性模量及強(qiáng)度相似常數(shù)為160，時(shí)間相似常數(shù)7.75。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D3。

圖3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D

使用由應(yīng)力傳感器、數(shù)據(jù)線及計(jì)算機(jī)組成的系統(tǒng)獲取采動(dòng)過程中所受的應(yīng)力值，煤層覆巖移動(dòng)變形量使用光學(xué)全站儀及百分表來測定。

3.2 工作面覆巖垮落及支架受力規(guī)律研究

推進(jìn)初期，頂板基本保持穩(wěn)定狀態(tài)，支架工作阻力較小，基本維持初撐力狀態(tài)。隨著工作面的推進(jìn)，頂板出現(xiàn)離層但未斷裂，采空區(qū)上覆巖層應(yīng)力主要集中于兩側(cè)煤壁上，支架受力相對較小，表現(xiàn)為頂梁前部應(yīng)力略高于后部[5，6]。持續(xù)推進(jìn)，頂板出現(xiàn)離層但未斷裂，采空區(qū)上覆巖層應(yīng)力主要集中于兩側(cè)煤壁上，支架受力相對較小，表現(xiàn)為頂梁前部應(yīng)力略高于后部。頂板斷裂線位于支架中部靠前，斷裂的巖塊回轉(zhuǎn)形成新的暫時(shí)相對穩(wěn)定的“砌體梁”結(jié)構(gòu)[5]。繼續(xù)推進(jìn)，采空區(qū)上覆巖層頂板斷裂，斷裂線位于支架后部，支架受力表現(xiàn)為后部高于前部。后續(xù)推進(jìn)過程中，上覆巖層頂板斷裂線位于工作面煤壁附近，支架承載著斷裂巖塊全部應(yīng)力[3，4，6]，見圖4。

圖4 覆巖斷裂線與支架受力狀態(tài)

3.3 采場礦壓規(guī)律

根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件，通過相似模擬研究得出工作面初次來壓步距為44 cm，最大周期來壓步距為18 cm，最小步距為10 cm，平均來壓步距為13.6 cm，來壓期間最大動(dòng)載系數(shù)為1.6，最小動(dòng)載系數(shù)為1.32，頂板斷裂線位于支架頂梁中部及靠后區(qū)域時(shí)動(dòng)載系數(shù)較大，頂板在工作面煤壁切落時(shí)動(dòng)載系數(shù)較小[5]。工作面支架壓力與推進(jìn)距離變化關(guān)系曲線如圖5 所示，來壓特征如表2 所示。

表2 頂板來壓特征表

圖5 覆巖斷裂線與支架受力狀態(tài)

4 結(jié)語

采用FLAC3D 對不同開采條件下工作面圍巖的應(yīng)力分布及其變形破壞規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬研究。為了更接近工程實(shí)際，對各煤巖體進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室參數(shù)測定，分析了不同采高下工作面圍巖體應(yīng)力分布及位移速度變化規(guī)律及采動(dòng)過程中上覆巖應(yīng)力、破壞及變形規(guī)律及支架工作阻力對工作面圍巖的控制作用，歸納如下：

（1）隨著采高增大工作面覆巖應(yīng)力先減小后增大，超前應(yīng)力影響范圍先增大后減小，采高為5m時(shí)工作面附近高應(yīng)力區(qū)范圍最大，應(yīng)力峰值最小[3]；采高增大后覆巖層運(yùn)動(dòng)逐漸強(qiáng)烈，頂板空頂處圍巖變形逐漸增大，大量動(dòng)載作用于煤壁上造成煤壁結(jié)構(gòu)破壞引發(fā)片幫，采高大于5m 時(shí)煤壁片幫深度大幅度增大，增大了采場圍巖維護(hù)難度。

（2）隨著工作面推進(jìn)，應(yīng)力集中區(qū)域在煤壁前方持續(xù)增大，隨后趨于穩(wěn)定，在采空區(qū)側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力釋放區(qū)，持續(xù)增大隨后趨于穩(wěn)定，工作面前方出現(xiàn)應(yīng)力減壓區(qū)、增壓區(qū)和穩(wěn)壓區(qū)[2]。

（3）隨著采動(dòng)持續(xù)進(jìn)行，覆巖變形破壞區(qū)域由采空區(qū)頂板向上擴(kuò)散，擴(kuò)散至基巖與松散層交匯處后向橫向擴(kuò)散，之后發(fā)生協(xié)同變形，產(chǎn)生大幅度破壞變形，對工作面造成沖擊，支架應(yīng)具有一定剛度、強(qiáng)度及抗沖擊能力[1，3]。

（4）工作面持續(xù)采動(dòng)下破壞區(qū)域由頂板向工作面邊緣擴(kuò)散；由拉應(yīng)力為主變?yōu)榧魬?yīng)力為主，隨著持續(xù)推進(jìn)，松散層與巖層發(fā)生同步破壞。

（5）支撐力、主動(dòng)水平推力及護(hù)幫力共同作用下可使工作面頂板巖層得到有效控制，主動(dòng)水平力及護(hù)幫板產(chǎn)生的力較小，但對圍巖具有十分有效的維護(hù)作用。