傾斜煤層采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

李全軍

（安徽理工大學地球與環(huán)境學院， 安徽淮南232001）

對于傾斜煤層的開采，覆巖的結(jié)構(gòu)隨著煤層傾角的變化將與一般近水平煤層開采的情況有很大的不同。由于巖體的破壞和運動等力學行為不能再看成是連續(xù)介質(zhì)的行為，所以本文將利用離散元模擬軟件UDEC對大傾角煤層工作面開采覆巖的結(jié)構(gòu)進行模擬和分析，從中總結(jié)不同傾角煤層開采覆巖結(jié)構(gòu)的規(guī)律，并進行了現(xiàn)場監(jiān)測。

1 工程概況

山西呂梁礦區(qū)某礦1025工作面，主采煤層為5＃煤，煤層埋深500m左右。1025工作面長度160m，煤層傾角18°～26°，平均22°，工作面煤層節(jié)理發(fā)育，煤層結(jié)構(gòu)復雜，煤層厚度變化不大，屬較穩(wěn)定煤層，工作面頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装逄卣?/p>

2 大傾角厚煤層采場覆巖結(jié)構(gòu)運動數(shù)值計算模型

2.1 數(shù)值計算模型的建立

為便于比較研究不同煤層傾角下采動后頂?shù)装鍘r層的運動，建立傾角為22°的數(shù)值計算模型，模擬分析工作面推進40m、80m、120m及160m時，上覆巖層的垮落情況。根據(jù)該工作面綜合柱狀圖信息，對巖層分層參數(shù)作了合并均勻化處理（煤巖層參數(shù)見表2），建立了與實際情況基本吻合的UDEC數(shù)值計算模型，煤層埋深為500m，煤層厚6m，數(shù)值模擬原型如圖1所示。

圖1 工作面數(shù)值計算模型圖

表2 數(shù)值計算參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬計算結(jié)果分析

工作面推進40m、80m、120m及160m時上覆巖層的垮落情況如圖2所示，其中圖（a）、（b）、（c）、（d）中右圖為左圖工作面附近的放大圖。

圖2 工作面推進時覆巖結(jié)構(gòu)與運動

由圖2可知：當工作面推進40m時，在靠近采場兩側(cè)煤壁發(fā)生巖層切落，說明此時工作面老頂初次來壓已來臨；冒落帶最大高度位于采場中部覆巖層中，約2.0m左右；裂隙帶高度約6.5m，并在采場中部覆巖層中出現(xiàn)離層；彎曲下沉帶的范圍較小，且彎曲下沉的位移也較小。

當工作面推進80m時，采場下端切落角度較大，另一側(cè)切落角度較??；冒落帶最大高度位于采場中部靠下的覆巖中，約10.9m左右；裂隙帶高度約21.9m；在工作面兩側(cè)煤壁覆巖中，離層發(fā)育較多；彎曲下沉帶的范圍略有擴大，下沉位移值有小幅上升。

當工作面推進120m時，采場下端切落角度較大且切落現(xiàn)象明顯，另一側(cè)切落角度較小；冒落帶高度只有小幅上升，約15m；裂隙帶高度擴展到約38.5m；離層多發(fā)育于采場兩側(cè)煤壁上方的覆巖中，且靠近工作面下端一邊覆巖中離層較多；彎曲下沉帶的范圍急劇增大。

當工作面推進160m時，采場下端切落范圍進一步增加；冒落帶高度保持在15m不變，裂隙帶高度約63.9m，離層多發(fā)育于采場兩側(cè)煤壁上方的覆巖中，且靠近工作面下端一邊覆巖中離層較多；彎曲下沉帶的范圍進一步擴大，但下沉量增幅較小。

3 工作面礦壓顯現(xiàn)的現(xiàn)場觀測

3.1 工作面礦壓測點布置

工作面未回采之前，就布置了礦壓觀測站，工作面共布置了7個礦壓觀測站，觀測儀器采用尤洛卡公司生產(chǎn)的KBJ－60型礦壓觀測儀監(jiān)測工作面推進時支架的工作阻力變化情況，測站布置如圖3所示。

圖3 工作面礦壓觀測測站布置圖

3.2 測試結(jié)果分析

3.2.1 工作面來壓步距

根據(jù)工作面礦壓監(jiān)測結(jié)果，將工作面初次來壓步距和周期來壓步距進行統(tǒng)計并生成見表3。

表3 各個測站部位頂板的周期來壓步距

由表3可知：工作面初次來壓步距平均為35.4m，工作面中部最先來壓，其次是工作面中上部，工作面中下部最后來壓，對應于數(shù)值模擬計算結(jié)果；工作面下部初次來壓步距大于工作面上部來壓步距；周期來壓步距分析如下：

工作面下部：頂板周壓步距14.5～18.1 m，離散性較小，平均周期來壓步距為16.5 m；工作面中下部：頂板周壓步距13.5～17.8 m，離散性中等，平均周期來壓步距為15.8 m；工作面中部：頂板周壓步距13.9～17.9m，離散性較小，平均周期來壓步距為15.5m；工作面上部：頂板周期來壓13.9～17.9m，離散性較小，平均周期來壓步距為15.4m；各部位老頂周期來壓步距15～16.5m，平均15.7m?？傮w而言，周期來壓步距波動不大。

3.2.2 來壓動載系數(shù)

根據(jù)支架工作阻力監(jiān)測結(jié)果，對工作面各部位支架的來壓動載系數(shù)進行統(tǒng)計并生成見表4。

表4 各部位支架實測頂板來壓時動載系數(shù)

由表4可知：就老頂周期來壓前后支架的工作末阻力增加而言，來壓前支架的平均工作阻力為4 730kN，來壓時工作阻力為7 085kN，平均動載系數(shù)為1.50，屬周期來壓較明顯的綜采工作面；工作面上部、中部和下部來壓動載系數(shù)1.39～1.64，動載均勻；來壓前，各部位的靜荷載3 051～5 769kN，來壓時支架動荷載6 295～7 495kN，來壓前后支架工作阻力分布比較均勻。

4 結(jié)論

通過對1025工作面數(shù)值模擬計算及現(xiàn)場監(jiān)測，得出結(jié)論如下：

傾斜工作面1025推進時，采場下端切落角度較大且切落現(xiàn)象明顯，工作面下部垮落范圍明顯大于工作面上部，冒落帶高度穩(wěn)定在15m，而裂隙帶隨著工作面的推進進一步增加，達到63.9m。

工作面初次來壓步距平均為35.4m，工作面下部初次來壓步距大于工作面上部初次來壓步距值；工作面周期來壓步距平均值為15.7m，最小值為13.5m，最大值為18.1m，離散值總體較小。

工作面來壓時的動載系數(shù)為1.39～1.64，平均為1.50。

［1］ 姜曉磊，潘宇，張美微，等.傾斜煤層開采相似材料模擬實驗［J］.安徽理工大學學報（自然科學版），2011，31（1）：68－70.

［2］ 趙娜，王來貴，李建新.急傾斜煤層開采地表移動變形數(shù)值模擬［J］.哈爾濱工業(yè)大學學報，2011，43（sup.1）：241－244.

［3］ 高明中.急傾斜煤層開采巖移基本規(guī)律的模型試驗［J］.巖石力學與工程學報，2004，23（3）：441－445.

［4］ 賀林.烏魯木齊礦區(qū)急傾斜煤層開采地表移動變形規(guī)律研究［D］.西安：西安科技大學，2008.