堅(jiān)硬頂板條件下綜采工作面來(lái)壓步距的確定

楊雙林

(臨汾市安全生產(chǎn)教育培訓(xùn)中心，山西 臨汾 041000)

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)家對(duì)煤炭資源的需求越來(lái)越緊迫。在我國(guó)，長(zhǎng)壁工作面開(kāi)采方法得到了廣泛的推廣，長(zhǎng)壁開(kāi)采具有機(jī)械化程度高、開(kāi)采效率高等優(yōu)點(diǎn)，然而長(zhǎng)壁開(kāi)采在工作面后方形成巨大的懸空空間，在工作面推進(jìn)過(guò)程中會(huì)形成初次來(lái)壓和周期來(lái)壓［1－3］。

煤層開(kāi)采完成后，后方形成巨大的開(kāi)挖空間，這種開(kāi)采活動(dòng)嚴(yán)重破壞了原始地層中的應(yīng)力場(chǎng)，其上覆巖層也將會(huì)發(fā)生變形、斷裂。當(dāng)工作面推至足夠長(zhǎng)時(shí)，老頂巖層將會(huì)發(fā)生斷裂，形成老頂?shù)某醮蝸?lái)壓，隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，工作面老頂巖層發(fā)生周期性破斷，形成周期來(lái)壓。老頂初次來(lái)壓前，工作面煤壁前方的壓力比較小，人們往往容易疏忽大意，而初次來(lái)壓時(shí)，老頂巖層的極限跨距比較大，在其斷裂時(shí)形成的應(yīng)力影響區(qū)域非常大，礦壓顯現(xiàn)劇烈，容易造成工作面支架損壞、煤與瓦斯突出、頂板垮落等災(zāi)害，周期來(lái)壓也伴隨著許多井下礦壓顯現(xiàn)。為此應(yīng)了解工作面老頂初次來(lái)壓和周期步距，及時(shí)采取措施應(yīng)對(duì)老頂初次來(lái)壓和周期來(lái)壓帶來(lái)的影響［4］。

本文針對(duì)莒山煤礦工作面老頂巖層堅(jiān)硬且厚的特性，利用數(shù)值計(jì)算模擬技術(shù)和物理模擬的方法，確定該礦工作面開(kāi)采條件下老頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距和周期來(lái)壓步距，給井下應(yīng)對(duì)來(lái)壓顯現(xiàn)提供指導(dǎo)。

1 工作面概況

莒山煤礦主采3#煤層，開(kāi)采煤層埋深390 m，工作面長(zhǎng)160 m，直接頂巖層厚度為2.5 m，老頂巖層厚度為10 m，煤層為近水平煤層，平均傾角大約為1.3°，煤層賦存基本穩(wěn)定。該工作面為采區(qū)內(nèi)的首采工作面，采用長(zhǎng)壁綜采一次采全高法進(jìn)行開(kāi)采。

為了解工作面附近巖層情況，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取巖心，并在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，得到工作面附近巖層的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖層力學(xué)參數(shù)

目前，關(guān)于工作面初次來(lái)壓、周期來(lái)壓的理論計(jì)算方法和經(jīng)驗(yàn)公式已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但是在具體工作面使用的準(zhǔn)確性仍得到質(zhì)疑。工作面老頂來(lái)壓步距對(duì)于工作面支架的正確選型起著非常關(guān)鍵的作用，為了能夠正確獲得工作面老頂初次來(lái)壓與周期來(lái)壓的步距，物理模擬和數(shù)值模擬就顯得具有可行性。

2 工作面來(lái)壓步距的數(shù)值模擬確定

2.1 數(shù)值計(jì)算模型的建立

根據(jù)該礦工作面的情況，建立數(shù)值計(jì)算模型長(zhǎng)為500 m，寬為20 m，高200 m，在模型的5個(gè)邊界面(除上邊界面)上施加法向位移約束，上邊界面施加均布載荷以模擬上覆巖層的自重。計(jì)算過(guò)程中先進(jìn)行初始應(yīng)力場(chǎng)的平衡，隨后進(jìn)行開(kāi)切眼和工作面推進(jìn)模擬［5］。模型示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型示意圖

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

為了分析開(kāi)切眼、工作面推進(jìn)過(guò)程中圍巖的穩(wěn)定性狀況，繪制開(kāi)切眼后圍巖鉛垂應(yīng)力圖見(jiàn)圖2。

圖2 開(kāi)切眼后圍巖鉛垂應(yīng)力圖

由圖2可知，開(kāi)切眼完成后，巷道頂板和兩幫都出現(xiàn)一定范圍的拉應(yīng)力區(qū)域，這種拉應(yīng)力的如果得不到及時(shí)的抑制將會(huì)導(dǎo)致冒頂和片幫。開(kāi)切眼頂板下沉速度規(guī)律為中間大、靠近兩幫小，這是由于靠近兩幫的頂板受到煤壁的支撐作用，能承擔(dān)其上覆巖層部分壓力。

圖3為工作面推至68 m時(shí)圍巖的鉛垂應(yīng)力云圖。由圖3可知，隨著工作面的推進(jìn)，工作面后方頂板的懸空面積增大，工作面前方煤壁上的鉛垂應(yīng)力逐漸增大，頂板巖層中拉應(yīng)力區(qū)域在縱向和橫向上都持續(xù)擴(kuò)大，最終造成頂板垮落。頂板垮落時(shí)處在煤壁中間的頂板全部破壞，其破壞區(qū)域分布圖見(jiàn)圖4。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果判斷可知，該工作面老頂初次來(lái)壓步距略小于68 m。為了繼續(xù)獲得該工作面周期來(lái)壓的步距，建立工作面正常推進(jìn)的數(shù)值計(jì)算模型，其中，老頂垮落區(qū)域采取刪除老頂單元的方法來(lái)模擬。模擬中工作面周期來(lái)壓時(shí)(老頂懸空長(zhǎng)度33 m)圍巖破壞區(qū)域分布圖見(jiàn)圖5。

圖5 工作面老頂懸空長(zhǎng)度33 m時(shí)圍巖破壞區(qū)圖

根據(jù)周期來(lái)壓模擬的結(jié)果可知，該工作面老頂周期來(lái)壓步距略小于33 m。

3 工作面來(lái)壓步距的物理模擬確定

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室物理模擬臺(tái)，制作物理相似模擬模型模擬該工作面老頂初次來(lái)壓和周期來(lái)壓。模型大小設(shè)計(jì)為長(zhǎng)3 m，高3 m，寬度為0.2 m。模型幾何線比為80。

圖6為在物理相似模擬過(guò)程中工作面老頂初次垮落圖，從圖6可以看出，模型老頂初次垮落步距為83 cm，也就是老頂初次來(lái)壓步距為83 cm，根據(jù)幾何相似比換算可得到該工作面實(shí)際老頂初次來(lái)壓步距為66.4 m。

圖7為在物理相似模擬過(guò)程中工作面老頂周期垮落圖，從圖7可以看出，模型老頂周期垮落時(shí)工作面推進(jìn)長(zhǎng)度為122 cm，也就是老頂初次垮落后模型工作面推進(jìn)39 cm后模型老頂?shù)诙慰迓洌瑩?jù)此確定模型老頂周期來(lái)壓步距為39 cm，根據(jù)幾何相似比換算可得到該工作面實(shí)際老頂周期來(lái)壓步距為31.2 m，從圖中亦可以知道垮落角63°。

圖6 物理模擬老頂初次垮落圖

圖7 物理模擬老頂周期垮落圖

對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果和物理相似模擬結(jié)果可以看出，物理模擬的初次來(lái)壓步距和周期來(lái)壓步距基本一致，但其結(jié)果略小于數(shù)值模擬，造成這種結(jié)果的原因有很多，根據(jù)本次物理模擬實(shí)際情況判斷，認(rèn)為造成此結(jié)果的原因可能是物理模擬工作面推進(jìn)時(shí)對(duì)模型有動(dòng)力擾動(dòng)，而在數(shù)值模擬計(jì)算中采取靜力計(jì)算，對(duì)模型圍巖不存在動(dòng)力擾動(dòng)。

根據(jù)數(shù)值模擬和物理模擬結(jié)果，確定該工作面老頂初次來(lái)壓步距為66.4 m，周期來(lái)壓步距為31.2 m，周期來(lái)壓步距基本為初次來(lái)壓步距的1/2，和基于梁理論的解釋一致。

4 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

莒山煤礦在對(duì)3#煤層六采區(qū)的610工作面進(jìn)行開(kāi)采期間，測(cè)得老頂初次來(lái)壓步距為69 m，周期來(lái)壓步距大約在35 m左右，因頂板來(lái)壓強(qiáng)烈、來(lái)壓頻繁而被迫停產(chǎn)搬家。

對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)基本吻合，證明工作面頂板堅(jiān)硬，整體性強(qiáng)，難以垮落，周期來(lái)壓強(qiáng)烈，只有進(jìn)行有效的人工強(qiáng)制放頂，才能保證工作面的順利回采。因此，決定在本工作面進(jìn)行人工強(qiáng)制放頂。初次放頂步距:機(jī)頭、機(jī)尾、中部均為25 m。放頂時(shí)，先放中間，后放機(jī)頭和機(jī)尾。周期放頂步距:本工作面在初次放頂后，每推進(jìn)6 m，進(jìn)行一次超前頂板預(yù)爆破。

觀測(cè)結(jié)果顯示，頂?shù)装逡平侩S控頂距加大而增加，通過(guò)放頂，煤壁片幫現(xiàn)象明顯減弱，支架損壞率明顯降低，生產(chǎn)效率大大提高。

5 結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值模擬和物理模擬的方法，確定了莒山煤礦特定工作面老頂初次來(lái)壓和周期來(lái)壓的步距，研究發(fā)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算結(jié)果、物理模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)吻合，且老頂周期來(lái)壓步距約為初次來(lái)壓步距的一半，并確定出該工作面老頂初次來(lái)壓步距為66.4 m，周期來(lái)壓步距為31.2 m，垮落角度約為63°，據(jù)此給出工作面得頂板放頂預(yù)爆長(zhǎng)度，其結(jié)果給該工作面的正常生產(chǎn)提供了技術(shù)指導(dǎo)。

［1］宋根祥，沈潤(rùn)生，鄧云輝.綜采工作面基本頂來(lái)壓步距的數(shù)值模擬研究［J］.中州煤炭，2009(10):3－5.

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