平煤八礦14120采動工作面巖層運(yùn)動規(guī)律分析

摘 要：巖層運(yùn)動是支承壓力形成、動力災(zāi)害發(fā)生、巷道圍巖破壞、礦井突水、構(gòu)造活化等一切動力現(xiàn)象的根源。因此，研究工作面圍巖運(yùn)動對動力災(zāi)害防治、巷道圍巖控制、采場支架選型等具有十分重要的意義。文章以平煤八礦地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，采用數(shù)值模擬方法對平煤八礦14120采動工作面巖層運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行了研究，以期為工作面采場控制及煤與瓦斯突出動力災(zāi)害防治提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：巖層運(yùn)動；采動工作面；數(shù)值模擬；運(yùn)動規(guī)律

中圖分類號：TD712.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）33-0179-02

隨著煤炭資源的采出，采空區(qū)周圍原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，導(dǎo)致應(yīng)力重新分布，從而引起工作面巖層依次變形、破壞和移動。近年來，許多學(xué)者試圖建立起采場巖層的整體力學(xué)模型，力求對巖層移動及其對采場的影響規(guī)律均能作出滿意的解釋，即將兩者的控制統(tǒng)一起來。然而，采場巖層的運(yùn)動和破壞過程是一個極其復(fù)雜的力學(xué)過程，因而對其認(rèn)識也是一個逐漸深化的過程。

因此，筆者以平煤八礦地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，采用理論分析、數(shù)值模擬方法對平煤八礦14120采動工作面巖層運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行了研究，以期為八礦14120工作面采場控制及煤與瓦斯突出動力災(zāi)害防治提供依據(jù)。

1 工作面概況

平煤八礦己15-14120采面位于己二上山采區(qū)西翼，東起采區(qū)上山，西至十二礦北風(fēng)井己組保護(hù)煤柱線，南鄰己15-14100采面，北部尚未開發(fā)。該采面標(biāo)高-450～-510 m，地面標(biāo)高+120～+150 m，埋深610～710 m。

根據(jù)己15-14100采面揭露的情況分析，己15-14120采面煤厚在3.4～3.85 m左右，平均3.6 m，在構(gòu)造區(qū)域有變薄情況。煤層傾角一般在17～28 ？觷之間，平均22 ？觷，呈西緩東陡之趨勢。

直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚約3.0 m，距煤層頂板0.8 m左右有一層0.1～0.5 m的煤線，該層易隨采隨落。直接底為一薄層泥巖，厚約2.8～6.0 m，遇水易膨脹。

2 八礦14120工作面的覆巖空間結(jié)構(gòu)

14120工作面在初次來壓前，采場覆巖空間結(jié)構(gòu)是由一個“中間無支撐”的工作面采空形成的“O”型覆巖空間結(jié)構(gòu)，這類工作面四周為煤體或?qū)捗褐?，老頂上覆巖層形成的空間結(jié)構(gòu)平面投影似“O”型，該種空間結(jié)構(gòu)發(fā)育高度為采空區(qū)短邊跨度所控制，采空區(qū)“見方”時易來大壓，如圖1（a）、（b）、（c）所示。

隨著工作面的推進(jìn)，工作面進(jìn)入正常開采周期來壓階段，上覆巖層結(jié)構(gòu)一側(cè)在采空區(qū)觸矸，另一側(cè)為頂板巖層的斷裂端伏在工作面煤壁上方，兩側(cè)煤柱穩(wěn)定型采場覆巖在剖面上呈拱形破裂、在平面上其投影近似呈“D”型。在工作面正常推進(jìn)過程中，工作面來壓周期性顯現(xiàn)，“D”型空間結(jié)構(gòu)采場兩側(cè)實(shí)體煤破壞范圍和支承壓力分布規(guī)律基本相同。

3 工作面巖層運(yùn)動規(guī)律的數(shù)值模擬研究

3.1 模型的建立

3.1.1 實(shí)際模型

鑒于工作面工程地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件，分別建立工作面向前推進(jìn)4 m、8 m、12 m、16 m、20 m、24 m、28 m、32 m、40 m、60 m、80 m、100 m、120 m、160 m、180 m和200 m的計算模型進(jìn)行模擬計算。在工作面開采過程中，為體現(xiàn)工作面前方超前支承壓力變化的動態(tài)變形演化過程，采用分步開挖，并在工作面每推進(jìn)一段距離進(jìn)行一次計算，每開挖一次保存一次。

3.1.2 數(shù)值計算模型

以14120工作面為原型，建立數(shù)值計算模型，如圖2所示。

圖中q為模型上部巖層產(chǎn)生的均布載荷（q=？酌0H0，？酌0，為上部巖層的平均容重，H0為上部巖層的厚度）。模型兩側(cè)為滑動支承，底部為固定支承。計算采用平面應(yīng)變模型，選用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，該屈服準(zhǔn)則可表述為：

3.1.3 有關(guān)參數(shù)確定

數(shù)值模擬相關(guān)參數(shù)主要有模型尺寸、巖體力學(xué)參數(shù)、回采參數(shù)及巷道尺寸等。

根據(jù)關(guān)鍵層理論，將關(guān)鍵層以上巖層簡化為均布載荷施加在數(shù)值計算模型上邊界，主關(guān)鍵層以下巖層全部構(gòu)建。考慮到邊界影響及上述要求，本模型范圍取520 m×360 m×140 m。

3.2 模擬結(jié)果分析

一般情況下，采場因煤層的開挖、直接頂冒落，老頂巖層會發(fā)生離層、斷裂、沉降。采煤工作面自開切眼進(jìn)行回采后，破壞了原巖應(yīng)力場的平衡狀態(tài)，引起應(yīng)力場的再分布。開始時老頂處于完整狀態(tài)，在老頂巖層尚未破斷前，老頂將被四周未采動的煤體所支撐，它與采空區(qū)四周支撐體形成一個完整的結(jié)構(gòu)體系，承受上覆巖層的載荷。工作面進(jìn)入正常推進(jìn)階段后，老頂巖層在煤壁前方周期性的斷裂，煤層在垂直方向承受的支承壓力呈現(xiàn)周期性的變化；同時，煤層在水平方向的應(yīng)力由于泊松效應(yīng)也呈現(xiàn)周期性的變化。采空區(qū)在工作面推進(jìn)過程中，其圍巖應(yīng)力重新分布，按垂直應(yīng)力變化的大小可分為應(yīng)力增壓區(qū)、應(yīng)力減壓區(qū)和應(yīng)力穩(wěn)壓區(qū)，老頂斷裂前的結(jié)構(gòu)形式及其周圍的應(yīng)力再分布。

3.2.1 工作面回采過程中上覆巖層運(yùn)動規(guī)律

采用數(shù)值模擬方法，模擬了工作面推采過程中不同階段巖層運(yùn)動規(guī)律和應(yīng)力分布特征，如圖3所示。

工作面推進(jìn)4 m時，直接頂產(chǎn)生拉伸變形形成裂隙；工作面推進(jìn)4～8 m時，直接頂冒落；工作面推進(jìn)12～32 m時，堅(jiān)硬老頂產(chǎn)生塑性破壞，形成裂隙；工作面推進(jìn)32～40 m時，12 m厚砂巖老頂發(fā)生斷裂，形成初次來壓；工作面推進(jìn)40～60 m時，老頂破裂繼續(xù)向上發(fā)展，并逐步發(fā)生周期來壓。工作面的老頂初次來壓步距為32～40 m之間，周期來壓步距12～20 m。

3.2.2 工作面回采過程中的應(yīng)力場變化規(guī)律

分別模擬了工作面開采過程中工作面圍巖應(yīng)力場分布規(guī)律，如圖4所示。

圖4揭示了不同開采階段超前支承壓力影響范圍的變化情況，超前支承壓力隨開采成周期性變化，與周期來壓吻合，是老頂周期性斷裂引起的。支承壓力峰值與工作面距離也隨工作面推采而成周期性變化，但變化范圍較小，一般為8～10 m，平均為9 m。

4 主要結(jié)論

①隨著工作面的推進(jìn)，工作面采空形成的“O”型覆巖空間結(jié)構(gòu)逐漸變?yōu)榻瞥省癉”型，工作面來壓周期性顯現(xiàn)，“D”型空間結(jié)構(gòu)采場兩側(cè)實(shí)體煤破壞范圍和支承壓力分布規(guī)律基本相同。

②由數(shù)值模擬結(jié)果可知，工作面的老頂初次來壓步距為32～40 m之間，周期來壓步距12～20 m。工作面回采過程，工作面超前支承壓力最大影響范圍為60 m，支承壓力峰值位置為8～10 m，平均值為9 m。不同開采階段超前支承壓力影響范圍的變化情況，超前支承壓力隨開采成周期性變化，與周期來壓吻合，是老頂周期性斷裂引起的。支承壓力峰值與工作面距離也隨工作面推采而成周期性變化，但變化范圍較小，一般為8～10 m，平均為9 m。

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