大傾角厚煤層頂板破斷規(guī)律的數(shù)值模擬研究

劉英志,白慶升,袁 永

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇 徐州 221008;2.黑龍江龍煤集團(tuán)七臺(tái)河分公司,黑龍江 七臺(tái)河 154600)

近年來(lái),我國(guó)很多礦區(qū)賦存條件優(yōu)越的煤層儲(chǔ)量越來(lái)越少[1],隨著煤炭開采強(qiáng)度的不斷擴(kuò)大,很多礦區(qū)面臨著在大傾角煤層中采用綜合機(jī)械化采煤方法[2]。長(zhǎng)期以來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)礦山壓力的研究,主要集中在近水平和緩傾斜煤層,因而目前的綜合機(jī)械化采煤一般適用于緩傾斜煤層[3-5]。開采這類煤層由于其傾角較大,煤層頂板垂直作用于支架上的分力比緩傾斜煤層小,而沿傾斜方向的分力較大,所以其回采工藝、頂板巖層活動(dòng)、工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律等產(chǎn)生了一系列與開采緩傾斜煤層不同的特點(diǎn)[6-10]。研究在大傾角復(fù)雜地質(zhì)條件下的工作面頂板垮落及礦壓顯現(xiàn)特征,對(duì)采用安全高效綜采技術(shù),發(fā)揮綜采潛力、拓寬綜采工藝的適用范圍,提高礦井機(jī)械化開采水平、經(jīng)濟(jì)效益和煤炭采出率有重要的意義。

本文結(jié)合某礦大傾角中厚煤層綜采工作面,運(yùn)用UDEC2D數(shù)值模擬軟件建立了沿工作面走向和傾向的數(shù)值分析模型[11-12],模擬分析了大傾角綜采工作面的頂板破斷和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律以及圍巖應(yīng)力分布特征,對(duì)同類條件下的煤層開采具有借鑒和指導(dǎo)意義。

1 開采條件

某礦 12802工作面,設(shè)計(jì)走向長(zhǎng) 1 150m、傾斜長(zhǎng)180m。工作面北為井田邊界煤柱;東部為深部尚未開采區(qū);西部以 12407工作面采空區(qū)為界,南部以采區(qū)軌道上山保護(hù)煤柱(工作面停采線)為界。工作面所采的 2#煤,煤層賦存較穩(wěn)定,煤層厚度在 1.5～3.8m,平均 3.2m,煤層結(jié)構(gòu) 2.35(0.10)0.75,中下部夾有一層 0.10～0.15m的泥質(zhì)粉砂巖夾矸。煤巖層傾角 22°～33°,平均 28°。

工作面北部煤層直接頂板為灰黑色粉砂巖,下半部富含植物化石,具有滑面,裂隙較發(fā)育,上半部為粉砂巖與細(xì)粒砂巖互層,具有水平層理,層厚 0～4.07m,平均 3.3m;老頂為灰色細(xì)砂巖,膠結(jié)致密,層厚 0.75～4.2m,平均 2.5m。工作面南部煤層直接頂板為灰色細(xì)砂巖,層厚 17.4 m。直接底板為黑色粉砂巖與細(xì)砂巖互層,具有水平層理,含有云母片及植物化石,厚度 4.5～6.9m,平均 5.7m。工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化采煤方法,垮落法管理頂板。

2 模型的建立

根據(jù)工作面地質(zhì)條件利用UDEC2D軟件分別建立了工作面走向和傾向模型,對(duì)大傾角煤層開采過(guò)程中頂板破斷規(guī)律及圍巖應(yīng)力分布特征進(jìn)行模擬研究。

工作面走向模型模擬方案的范圍取 300m(寬)×100m(高),工作面傾向模型模擬方案的范圍取500m(寬 ) ×200m(高 ),巖層角度為 25°,模型的左右及下部邊界為位移邊界,左右邊界限制 x方向的位移;下部邊界限制 y方向的位移,為消除邊界影響,兩 側(cè)各留 50m保護(hù)煤柱,分別見(jiàn)圖 1和圖 2。

圖 1 沿工作面走向數(shù)值分析模型

圖 2 沿工作面傾向數(shù)值分析模型

模型中圍巖物理力學(xué)性質(zhì)參照 12802工作面實(shí)際巖體力學(xué)特性和相近礦區(qū)的巖體力學(xué)參數(shù),并根據(jù)UDEC特性確定,見(jiàn)表 1,表 2。根據(jù)模擬需要,走向模型在老頂頂部布置 2#測(cè)線,在距離煤層底板 19 m高布置 3#測(cè)線,在距離煤層底板 63 m處布置 4#測(cè)線。傾向模型在距離煤層上部 3.1 m布置 5#測(cè)線,距離煤層上部 8.1 m布置 6#測(cè)線,距離煤層上部23.1m布置 7#測(cè)線,距離煤層上部 33.1m布置 8#測(cè)線,在距離煤層底板 5m處布置 9#測(cè)線。

表 1 巖層物理力學(xué)參數(shù)表

表 2 接觸面物理力學(xué)參數(shù)表

3 走向模擬結(jié)果分析

3.1 開采空間頂板冒落及下沉

不同推進(jìn)長(zhǎng)度覆巖頂部破斷和覆巖垂直位移情況見(jiàn)圖 3,圖 4。由圖 3,圖 4可知,當(dāng)工作面推進(jìn)20m時(shí),直接頂開始垮落,直接頂與老頂、老頂與上覆巖層出現(xiàn)離層;工作面推進(jìn)到 30m時(shí),直接頂完全破斷,直接頂與老頂、老頂與上覆巖層之間離層進(jìn)一步擴(kuò)大;當(dāng)工作面推進(jìn) 40m時(shí),老頂破斷,即老頂初次來(lái)壓,老頂及其上覆巖層下沉量顯著增大,且直接頂與老頂、老頂與上覆巖層之間的離層進(jìn)一步增大,說(shuō)明直接頂巖層雖然接觸底板,并逐漸被壓實(shí)。當(dāng)工作面推進(jìn)到 55m,工作面第一次周期來(lái)壓,在距開切眼 35m左右,距煤層20m高范圍內(nèi)的頂板覆巖下沉量基本趨于一致,及上覆巖層基本達(dá)到充分采動(dòng)狀態(tài),最大下沉量達(dá)到3.2m;如圖 4(d)所示從距開切眼 35m到工作面位置,老頂與上覆巖層具有相同的下沉量,及老頂與上覆巖層之間的離層很小,但直接頂與老頂之間存在著離層,且離工作面越近離層量越大。當(dāng)開采空間達(dá)到70m以上,即工作面第二次周期來(lái)壓之后,頂板的最大下沉量沒(méi)有增加,但充分采動(dòng)的范圍由煤層上方20m增加到煤層上方 60m。

從模擬結(jié)果分析,12802工作面初次來(lái)壓歩距約為 40m,周期來(lái)壓歩距約為 15m,與現(xiàn)場(chǎng)基本一致。

3.2 開采空間應(yīng)力分布

不同推進(jìn)距離超前支承壓力特征統(tǒng)計(jì)圖見(jiàn)圖 5。

圖 5 不同推進(jìn)距離超前支承壓力特征統(tǒng)計(jì)圖

由圖 5可知,在老頂初次來(lái)壓之前,采動(dòng)超前支承壓力集中程度低,應(yīng)力集中系數(shù)在 1.3左右,老頂初次來(lái)壓時(shí),采動(dòng)應(yīng)力峰值達(dá)到 24M Pa,應(yīng)力集中系數(shù)為 1.7,老頂?shù)那叭沃芷趤?lái)壓采動(dòng)應(yīng)力集中程度高,應(yīng)力峰值分別為 29.6M Pa、29M Pa和 26.9M Pa,應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到 2.0左右。采動(dòng)超前支承壓力峰值位置在工作面前方 5～11m處,老頂來(lái)壓期間,采動(dòng)應(yīng)力影響范圍約為 35～44m。從頂板安全管理角度分析,應(yīng)加強(qiáng)工作面初次來(lái)壓及前三次周期來(lái)壓期間的頂板管理。

4 傾向模擬結(jié)果分析

一般情況下,由于直接頂冒矸向下滾落,形成下部填滿而上部懸空的沿傾斜不同充填特征,老頂破斷后下部板塊的失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)首先受到限制,因而大傾角煤層開采過(guò)程中,沿工作面傾下部礦壓顯現(xiàn)較上部和中部緩和[10]。工作面上中下部應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表 3,由表 3可知,工作面上部平均壓力為 2.69M Pa,中部平均壓力為 11.06M Pa,下部平均壓力為7.18M Pa,從工作面兩端頭至中間部位壓力逐漸增大,最大值位置在工作面中上部位 115～125 m之間,壓力為 14～14.5M Pa。且隨工作面上覆巖層隨距煤層距離的增加,頂板內(nèi)最大壓力有減小的趨勢(shì)。

表 3 工作面上中下部應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表 M Pa

工作面兩端側(cè)向支撐壓力分布見(jiàn)表 4。

由表 4可知,工作面兩端頭沿傾向壓力分布規(guī)律為：上端頭側(cè)向支撐壓力峰值及峰值點(diǎn)離其順槽的距離均小于下端頭側(cè)向支撐壓力峰值及峰值點(diǎn)離其順槽的距離。上端頭側(cè)向支撐壓力峰值均值為16.97 M Pa,支撐壓力峰值點(diǎn)離其順槽的距離 17m左右;下端頭側(cè)向支撐壓力峰值均值為 22.71M Pa,支撐壓力峰值點(diǎn)離其順槽的距離 20m左右。

表 4 工作面上下端部側(cè)向支撐壓力分布表

與近水平和緩傾斜煤層相比,工作面開采后巖層移動(dòng)角和充分采動(dòng)角有所不同。模擬結(jié)果顯示,沿傾向工作面上山和下山巖層移動(dòng)角分別為 71°和 64°;上山和下山充分采動(dòng)角分別為 66°和 72°,上山巖層移動(dòng)角大于下山巖層移動(dòng)角,而充分采動(dòng)角則相反。

5 結(jié) 論

根據(jù) 12802工作面具體地質(zhì)條件,分別建立沿工作面走向和傾向的數(shù)值分析模型,模擬分析了大傾角綜采面頂板破斷規(guī)律和礦壓顯現(xiàn)特征,結(jié)果表明：

1)工作面直接頂初次垮落歩距約為 20m,老頂初次來(lái)壓歩距約為 40m,老頂周期來(lái)壓歩距約為 15m。

2)老頂初次來(lái)壓時(shí),采動(dòng)應(yīng)力峰值達(dá)到 24 M Pa,應(yīng)力集中系數(shù)為 1.7,老頂?shù)那叭沃芷趤?lái)壓采動(dòng)應(yīng)力集中程度高,應(yīng)力峰值分別為 29.6M Pa、29 M Pa和 26.9M Pa,應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到 2.0左右;超前支承壓力峰值位置在工作面前方 5～11m處,老頂來(lái)壓期間,采動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)約為 1.7,采動(dòng)應(yīng)力影響范圍約為 35～44 m;應(yīng)加強(qiáng)工作面初次來(lái)壓及前三次周期來(lái)壓期間的頂板管理。

3)沿工作面傾向壓力分布表現(xiàn)為明顯的非對(duì)稱性,具體表現(xiàn)為中、下部大,上部小;上端頭側(cè)向支承壓力峰值為 16.97M Pa,峰值點(diǎn)距上巷外幫 17m,下端頭側(cè)向支承壓力峰值為 22.71M Pa,峰值點(diǎn)距下巷外幫 20m。

[1] 武景云,黃萬(wàn)朋,馬鵬鵬,等.大傾角煤層采場(chǎng)頂板運(yùn)動(dòng)與礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[J].山東煤炭科技,2010,41(6)：6-9.

[2] 趙元放,張向陽(yáng),涂 敏.大傾角煤層開采頂板垮落特征及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2007,24(2)：231-234.

[3] 宮培發(fā),譚 軍.大傾角煤層綜采放頂煤開采技術(shù)實(shí)踐[J].煤礦安全,2002,33(11)：21-23.

[4] 陳炎光.中國(guó)煤礦采場(chǎng)圍巖控制[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1994：15-19.

[5] 伍永平,員東風(fēng),張淼豐.大傾角煤層綜采基本問(wèn)題研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2000(5)：465-468.

[6] 張義順,句攀峰,李德海.大傾角煤層頂板活動(dòng)規(guī)律[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),1995,12(4)：31-35.

[7] 黃建功.大傾角煤層采場(chǎng)頂板運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)分析[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,31(5)：411-415.

[8] 黃建功,平壽康.大傾角煤層采面頂板巖層運(yùn)動(dòng)研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2002,19(2)：19-22.

[9] 袁 永,屠世浩,王繼林,等.大傾角特厚煤層綜放開采技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].煤礦安全,2009,40(11)：48-50.

[10] 石平五.急斜煤層老頂破斷運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),1999,16(3)：26-29.

[11] 謝文兵,陳曉祥,鄭百生.采礦工程問(wèn)題數(shù)值模擬研究與分析[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2005：140-145.

[12] Itasca Consu lting Group Inc,2002.UDEC2D Version 3.0 U sersm anual.Itasca,Consu lting Group,Inc,M inneapo lis.