綜采覆巖破斷機(jī)理與強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

閆寅山

【摘要】本篇文章主要依據(jù)榆家梁煤礦作為案例，使用幾種不同的檢測(cè)方式，來(lái)針對(duì)綜采覆巖破斷機(jī)理以及其中的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行了全面詳細(xì)的探討，尤其是對(duì)其中的破斷機(jī)理、采動(dòng)裂隙發(fā)育等進(jìn)行了研究。并且利用其研究結(jié)果，良好的解釋了后松散層超薄基巖綜采在所處環(huán)境靜壓大、動(dòng)壓小、采動(dòng)裂隙不充分等各個(gè)不同的現(xiàn)象，都明確的表示出覆巖破斷機(jī)理以及強(qiáng)礦壓的顯現(xiàn)規(guī)律在整個(gè)開采中有著極其重要的研究?jī)r(jià)值。

【關(guān)鍵詞】厚松散層；薄基巖；綜采；采動(dòng)裂隙；應(yīng)力拱

我國(guó)的榆家梁煤礦是我國(guó)極為重要的一處煤礦能源開采區(qū)域，為了能夠?qū)M(jìn)行深入的研究，從而了解其中各個(gè)環(huán)節(jié)的特性，以便于煤礦的開采能夠更加的順利。該煤礦位于榆家梁井田二盤區(qū)的東南部，其地區(qū)是在糜地溝、石窩、武家燕灣的區(qū)域范圍之內(nèi)。其煤礦的基巖較薄、風(fēng)化基巖強(qiáng)度較低、松散層較厚，而在這一情況下，其覆巖破斷所具有的特征，也就和其他礦區(qū)的薄基巖淺層開采有著極大的不同，而從這其中所呈現(xiàn)出的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律也有著一定的特殊性。而基巖綜采覆巖破斷機(jī)理的研究有著極大的緊迫性，這對(duì)于安全生產(chǎn)來(lái)說(shuō)有著極其重要的作用。

1、工作面開采條件

下文主要針對(duì)榆家梁煤礦的52215實(shí)工作面進(jìn)行了深入的研究，該工作面的地表廣泛覆蓋了第四系的松散沉積物質(zhì)，整個(gè)地質(zhì)起伏變化較大。是而從其煤礦的回撤通道直至2398米上部60米左右的位置，則是43306、43306采礦工作面，并且已經(jīng)成為了采空的坍塌區(qū)，其剩余段則的松散厚度層則是為0-59米左右，上部覆基巖厚度為50-90米；整體工作面的地層趨勢(shì)呈現(xiàn)出的是以一個(gè)較為平緩的坡度逐漸向其北西方，整體起伏不大，傾斜角度大約為1-3°；在礦井中的斷層在這一過(guò)程中持續(xù)不斷的發(fā)育，并且開始出現(xiàn)大量的裂隙發(fā)育現(xiàn)象。其工作面之上的煤層覆含有水層的位置為頂板砂巖裂隙含水層，該層厚度達(dá)到了68-112米，其裂隙是處在一個(gè)不斷發(fā)育的狀態(tài)下，滲透系數(shù)達(dá)到了K=0.00492m/d。而其中實(shí)際的水頭高度僅僅只有17米，對(duì)周邊巖層的影響范圍為R=13.52m，當(dāng)工作面完全采空并且塌陷之后，其含水層中的水極有可能直接沿著開采工作面的東側(cè)，逐漸沿著塌陷之后的邊緣，進(jìn)入到采空區(qū)域內(nèi)，但是該含水層中的富水量較小，所涌出的水量對(duì)于整個(gè)工作面的影響并不大，而初步估計(jì)整個(gè)工作面的涌水量大約為20m3/h左右。

2、覆巖移動(dòng)破斷機(jī)理數(shù)值模擬

2.1模型的建立

使用UDEC軟件來(lái)對(duì)榆家梁煤礦進(jìn)行模擬分析，由于本次文章的具體研究重點(diǎn)是煤層頂板之上所存在的軟弱基巖，所以其單元的邊長(zhǎng)在這一過(guò)程中最大不會(huì)超過(guò)2.6m。而圍巖的物理學(xué)性質(zhì)則需要對(duì)巖石實(shí)際的力學(xué)特性進(jìn)行確定后才能夠進(jìn)行參考。

2.1.1模型邊界條件 在對(duì)巖層自身各方面的數(shù)值進(jìn)行嚴(yán)格的模擬計(jì)算期間，如果說(shuō)其巖層自身的所存在的松散層厚度較大，那么模型在進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程中，就應(yīng)當(dāng)將模型的垂直范直接取到松散層的范圍之內(nèi)。在這其中，地層自身的走向長(zhǎng)度大約達(dá)到了300m，而地層在這一過(guò)程中所呈現(xiàn)出來(lái)的高度則是110m，所以，必須要將其中的綜采線以及切眼這兩個(gè)環(huán)節(jié)直接延伸到地層60m的位置，利用該環(huán)節(jié)的煤柱來(lái)當(dāng)做是完全固定的邊界。并且直接把煤層上方90m區(qū)間范圍內(nèi)的巖層當(dāng)做是持續(xù)深入研究的關(guān)鍵對(duì)象，并且利用平面應(yīng)變模式的方式來(lái)對(duì)其中所涉及到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面詳細(xì)的計(jì)算。

針對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算期間，位移邊界過(guò)程中所必須要達(dá)到的各方面條件主要為：在將模型左右、下部?jī)蓚€(gè)環(huán)節(jié)的邊界設(shè)置為相應(yīng)的位移邊界之后，左右邊界位置所呈現(xiàn)出來(lái)的限制水平方向，實(shí)質(zhì)上就是水平方向所最終需要進(jìn)行的位移數(shù)據(jù)；如果說(shuō)下部位置的邊界直接把豎直作為一個(gè)方向的限制，那么其地層的上部在這一過(guò)程中便可以直接當(dāng)做是完全自由的邊界而存在。所以，上部環(huán)節(jié)實(shí)存在的松散層，就應(yīng)當(dāng)直接當(dāng)做外載的方式施加到模型既定位置的上邊界。

2.1.2模擬參數(shù)及開采方案 巖塊使用莫爾-庫(kù)倫模型，節(jié)理模型采用節(jié)理面接觸庫(kù)倫滑移模型。巖層節(jié)理簡(jiǎn)化為水平方向與豎直方向兩組節(jié)理，各巖層的材料屬性參數(shù)要精確設(shè)置。設(shè)計(jì)開采方案如下：模型煤層走向開挖，采高為9m，每次開挖10m，分析推進(jìn)過(guò)程中應(yīng)力拱變化以及采動(dòng)裂隙發(fā)育規(guī)律。

2.2數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.2.1覆巖移動(dòng)過(guò)程中應(yīng)力拱和采動(dòng)裂隙的變化規(guī)律

采場(chǎng)上覆巖層在不同開采階段的應(yīng)力矢量分布。

（1）覆巖主應(yīng)力分區(qū)明顯，采空區(qū)垮落帶區(qū)域內(nèi)為低應(yīng)力區(qū)，覆巖裂隙帶內(nèi)形成高應(yīng)力區(qū)，并成拱狀，在近煤壁處形成低應(yīng)力的應(yīng)力拱，在遠(yuǎn)離煤壁處，形成高應(yīng)力的應(yīng)力拱。（2）應(yīng)力拱在初次來(lái)壓前，一端位于切眼煤壁內(nèi)，一端位于工作面前方煤壁中，在拱端形成主應(yīng)力集中。穩(wěn)定的矸石中形成應(yīng)力集中，前拱腳隨著工作面的推進(jìn)而不斷前移。

2.2.2覆巖移動(dòng)過(guò)程中支承壓力變化規(guī)律 煤層采出后，由于應(yīng)力拱的存在，采空區(qū)上方巖層質(zhì)量將向采空區(qū)周圍新的支撐點(diǎn)轉(zhuǎn)移，從而在采空區(qū)周圍形成支承壓力帶。工作面前方形成的超前支承壓力隨工作面推進(jìn)而不斷前移。工作面初次來(lái)壓期間，直接頂最下位巖層峰值壓力為4.161MPa，應(yīng)力集中系數(shù)Kp=1.39，峰值位置距工作面為6.7m。由此表明，由于覆巖中應(yīng)力拱的存在，巖層移動(dòng)過(guò)程中，支承壓力呈現(xiàn)出靜壓大，動(dòng)壓小，動(dòng)載系數(shù)小的特點(diǎn)，來(lái)壓顯現(xiàn)不明顯。

3、覆巖破斷規(guī)律現(xiàn)場(chǎng)的強(qiáng)礦壓研究

為了驗(yàn)證應(yīng)力拱對(duì)工作面礦壓顯現(xiàn)和覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育高度的控制作用，將相鄰的43306綜采工作面作為試驗(yàn)工作面，對(duì)其礦壓顯現(xiàn)和覆巖破壞高度進(jìn)行觀測(cè)。43306工作面標(biāo)高為-276.8～-313.4m，工作面走向長(zhǎng)370～440m，平均380m，傾斜長(zhǎng)138～142m，平均140m，煤層傾角平均為8°，煤厚平均為8.9m。工作面主要設(shè)備為：ZF6000/17.5/28液壓支架，SGZ-764/630前后部刮板輸送機(jī)，MG300/720AWD采煤機(jī)。

根據(jù)觀測(cè)，支架的平均初撐力為1728kN/架，為額定初撐力的38%，其中，上部1734kN/架，中部1731kN/架，下部1719kN/架。支架平均工作阻力為1933kN/架，均為額定工作阻力的33%，其中，上部1954kN/架，中部1910kN/架，下部1936kN/架。當(dāng)工作面推進(jìn)到28m處，發(fā)生初次來(lái)壓，動(dòng)載系數(shù)為1.24，周期來(lái)壓步距為12～14m，動(dòng)載系數(shù)為1.18。表明由于應(yīng)力拱的存在，覆巖不會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的來(lái)壓顯現(xiàn)，工作面推進(jìn)過(guò)程中靜壓大，動(dòng)壓小，動(dòng)載系數(shù)小，選用的支架高初撐力和額定工作阻力保證了能夠保證工作面安全回采，其回采率也要比傳統(tǒng)的綜采開始高出3%左右。

4、結(jié)論

綜上所述，通過(guò)數(shù)值模擬的方式，深入的研究了綜采的過(guò)程中，其覆巖所形成拱巖就必然隨著工作面的推進(jìn)而促使拱腳不斷的前進(jìn)，而其中所涉及到的動(dòng)載系數(shù)就在這一過(guò)程中礦壓現(xiàn)象。并且，本文通過(guò)對(duì)礦壓觀測(cè)、采動(dòng)裂隙的發(fā)育高度進(jìn)行探測(cè)之后，從而對(duì)基巖之下的煤層中所存在的覆巖破斷機(jī)理以及強(qiáng)礦壓現(xiàn)象的規(guī)律進(jìn)行了深入的研究，這對(duì)于我國(guó)的煤炭資源安全回收來(lái)說(shuō)，起到了極其重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]許家林，蔡?hào)|，傅昆嵐.鄰近松散承壓含水層開采工作面壓架機(jī)理與防治[J].煤炭學(xué)報(bào)，2007（12）

[2]侯忠杰，吳文湘，肖民.厚土層薄基巖淺埋煤層“支架-圍巖”關(guān)系實(shí)驗(yàn)研究[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007（01）

[3]涂敏.潘謝礦區(qū)采動(dòng)巖體裂隙發(fā)育高度的研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2004（06）