淺埋薄基巖煤層快速推進工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

高云瑞 劉長武 康亞明 黃長玲 盧邦穩(wěn)

(1.水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都610065;2.四川大學水利水電學院，四川 成都610065;3.北方民族大學化學與化學工程學院，寧夏 銀川750021)

我國西北地區(qū)賦存大量埋深150 m 以內(nèi)的淺埋煤層，地質(zhì)儲量占全國已探明總儲量的1/3 左右，大部分淺埋煤層地表為厚松散砂土層或第四系黃土，煤層基巖較?。?］。開采實踐表明，厚松散覆蓋層條件下淺埋深薄基巖煤層礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與普通工作面明顯不同［2］。由于基巖較薄，開采后難以形成承載結(jié)構(gòu)，加之上覆厚松散層也難以形成有效的承載結(jié)構(gòu)，因此淺埋煤層的礦山壓力并不一定就小，反而開采過程中礦壓顯現(xiàn)更加劇烈［3-4］，易對工作面支架形成動載明顯的荷載沖擊，導(dǎo)致上覆厚松散層與頂板巖層同步臺階下沉，造成支架的損壞、潰沙潰水等事故隱患。

為了保證淺埋薄基巖煤層安全開采，需對此種條件下的工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行系統(tǒng)研究。影響回采工作面礦壓顯現(xiàn)的因素很多，除采高、控頂距、煤層傾角等影響一般采面礦壓顯現(xiàn)的因素外，松散層厚度、基巖厚度、直接頂厚度等也是淺埋條件下影響采場礦壓顯現(xiàn)的主要因素。此外，在埋深、基巖厚度等地質(zhì)條件相同的情況下，推進速度對礦壓顯現(xiàn)的影響至關(guān)重要。近年來神東礦區(qū)幾次典型的支架壓垮事件，均發(fā)生在綜采面推進速度較慢或未推進期間，一定程度上也表明工作面推進速度對礦壓顯現(xiàn)有很大影響。合理地增大推進速度可以減小工作面礦壓顯現(xiàn)程度和礦壓對支架的影響［5-7］。研究工作面推進速度對礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的影響具有重要工程應(yīng)用價值。

1 典型煤層賦存條件和開采技術(shù)條件

結(jié)合神東礦區(qū)1 －2#煤層的賦存條件，即1 －2#煤層傾角較小，埋深103 m，煤層厚2 m，直接頂為厚度1 m 左右的泥巖，基巖是厚度20 m 左右的細粒砂巖、中粒砂巖和粗砂巖互層?；鶐r之上為厚度達80 m 的風積沙和黏土。屬典型的淺埋深薄基巖煤層，地層結(jié)構(gòu)及其主要物理力學參數(shù)如表1 所示。以表1所展示的典型地層結(jié)構(gòu)和物理力學參數(shù)為基礎(chǔ)，采用數(shù)值模擬方法對不同推進速度情況下淺埋薄基巖煤層工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行研究。

表1 1 －2#煤地層賦存特征Table 1 Occurrence characteristics of 1 －2# seam strata

2 模型的建立

FLAC3D數(shù)值計算軟件通過將連續(xù)介質(zhì)的動態(tài)演化過程轉(zhuǎn)化為離散節(jié)點的運動方程和離散單元的本構(gòu)方程求解，采用顯式拉格朗日算法和混合－離散分區(qū)技術(shù)，能夠非常準確地模擬材料的塑性破壞和流動，相比其他有限元軟件在研究圍巖應(yīng)力場和位移場方面具有明顯的優(yōu)勢［8］。

長壁工作面條件下，采用如圖1 所示的平面模型能夠滿足計算精度要求。模型長為100 m，煤層厚2 m。為方便觀察地表變化，模型垂直方向直達地表。采用摩爾－庫倫本構(gòu)模型，將各層模型在工作面推進方向劃分為2 m，垂直方向網(wǎng)格尺寸底板劃分為1 m，煤層劃分為2 m，基巖層劃分為4 m，上覆松散層為15 m。定義應(yīng)力邊界條件和底部、前后以及左右位移邊界條件，按5、10 和15 m/d 的工作面推進速度(分別代表慢、較快和快3 種典型速度)進行模擬?；夭蛇^程中自動計算節(jié)點力即最大不平衡力，當其誤差接近于10－5，認為計算達到收斂，同時為便于結(jié)果分析，回采過程中自動記錄位移曲線和應(yīng)力曲線。當計算達到收斂時，自動輸出計算結(jié)果。

圖1 力學模型Fig.1 Mechanical model figure

3 模擬結(jié)果討論分析

3.1 淺埋工作面與正常工作面初次來壓分析

淺埋煤層工作面的開采實踐表明，大多數(shù)情況下，淺埋采場來壓最猛烈、最難控制的是老頂初次來壓［9］。因此，這里重點分析不同推進速度情況下老頂初次來壓時礦壓顯現(xiàn)的變化規(guī)律。首先以5 m/d的推進速度模擬淺埋工作面開采過程中的巖層移動變形，計算結(jié)果如圖2(a)所示，當工作面推進到30 m 時，煤層頂板出現(xiàn)大面積剪切破壞和拉破壞，可以認為達到初次來壓。

圖2 不同埋深煤層初次來壓計算結(jié)果Fig.2 First weighting results figure of coal seam at different buried depth

在其他條件不變情況下，同樣以5 m/d 的推進速度模擬埋深250 m 的正常埋深工作面開采過程中的巖層移動變形，計算結(jié)果如圖2(b)所示，當工作面推進到75 m 時，煤層頂板出現(xiàn)大面積拉破壞，可以認為達到初次來壓。對比分析兩者可知，淺埋煤層上覆荷載層難以形成承載結(jié)構(gòu)，上覆荷載較大，礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與正常埋深有所不同。在其他條件不變，埋深不同時初次來壓步距也不同，淺埋煤層在推進30 m 時出現(xiàn)初次來壓;正常埋深煤層在推進75 m 時出現(xiàn)初次來壓，由此可見在淺埋條件下，推進速度對礦壓顯現(xiàn)的影響程度更加明顯。

3.2 垂直位移結(jié)果分析

計算達到收斂時，不同推進速度情況下的典型地表下沉曲線如圖3 所示。

圖3 不同推進速度時地表位移曲線Fig.3 Surface displacement curve in different mining speed

(1)淺埋煤層條件下，當推進速度為5、10、15 m/d 時地表相同時間內(nèi)的下沉量分別為1.16、1.08、0.806 m;可見隨著推進速度的加快，地表和巖層的相對下沉速度(下沉量和時間的比)增大。與推進速度較慢時相比，推進速度增大，相同時間內(nèi)頂板載荷傳遞不充分，圍巖受損傷變形程度較低，有利于工作面的穩(wěn)定和支護。

(2)雖然隨著推進速度的增加，地表下沉速度稍有增加，但地表最終下沉量依然比較大，比正常埋深煤層最終下沉量要大的多，說明推進速度加快并不能減少地表的最終下沉量。基巖和上覆厚松散層破斷移動過程中沒有形成有效的承載結(jié)構(gòu)，推進速度的增大不能促使上覆厚松散層在移動破斷過程中形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)，因此在淺埋薄基巖厚松散層煤層礦壓計算過程中不能采用傳統(tǒng)的壓力拱理論，荷載估算應(yīng)計算至地表。

3.3 垂直應(yīng)力場結(jié)果分析

圖4 是不同推進速度時垂直方向應(yīng)力場的對比圖。垂直應(yīng)力場最顯著特征是工作面前方出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，并出現(xiàn)峰值應(yīng)力。從圖4 可看出，隨著推進速度的增加，工作面及冒落帶附近的低應(yīng)力區(qū)面積減小，應(yīng)力集中區(qū)域影響范圍有所減小，峰值應(yīng)力距工作面的距離減小。說明推進速度的增加，工作面周圍煤巖體破壞區(qū)域的面積減小，但在未破壞煤巖體內(nèi)可能聚集大量的彈性變形能，更易誘發(fā)巖爆、沖擊地壓等礦山動力災(zāi)害，對于高瓦斯礦井還可能發(fā)生煤與瓦斯突出等事故，因此工作面推進速度并非越快越好，與采面地質(zhì)條件相匹配的推進速度才是合理的推進速度。

圖4 不同推進速度時垂直方向應(yīng)力場對比Fig.4 Stress field contrast figure in vertical direction under different mining speed

計算過程中還隨時自動監(jiān)測記錄煤壁處的頂板壓力，計算收斂時頂板壓力計算結(jié)果如圖5 所示。當推進速度為5 m/d 時，頂板壓力為3.7 MPa;推進速度為10 m/d 時，頂板壓力為3.3 MPa;推進速度為15 m/d 時，頂板壓力為3.1 MPa。可見頂板壓力隨著推進速度的增大而減小。說明推進速度增大時，開采過程中在同一個位置滯留的時間縮短，有利于減小圍巖的變形量。

圖5 不同推進速度時煤壁處頂板壓力監(jiān)測Fig.5 Roof pressure monitoring figure in the coal wall under Different mining speed

綜合上面的分析結(jié)果可以看出:隨著推進速度的增加，工作面及冒落帶附近的低應(yīng)力區(qū)面積減小，應(yīng)力集中區(qū)域影響范圍有所減小，峰值應(yīng)力距工作面的距離減小，頂板壓力呈降低趨勢。加快推進速度，減小工作面在同一個位置處的滯留時間，有利于巷道穩(wěn)定和安全生產(chǎn)，但推進速度并非越快越好，與采面地質(zhì)條件相匹配的推進速度才是合理的推進速度。

4 現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比分析

根據(jù)文獻［10］，在某淺埋工作面正常生產(chǎn)期間，采用CDW－60 型支架壓力記錄儀進行了支架(支架型號為ZY10660/11/22)循環(huán)末阻力F 的觀測，對比分析數(shù)值計算結(jié)果。具體觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果如圖6所示［10］。

由圖6 可以看出，隨著工作面推進速度的不斷增大，工作面支架循環(huán)末阻力出現(xiàn)明顯的下降趨勢，當工作面推進速度小于8 m/d 時，工作面支架平均日循環(huán)末阻力都大于8 500 kN，最大達到安全閥開啟值10 660 kN;當工作面推進速度大于8 m/d 時，工作面支架平均日循環(huán)末阻力基本在8 000 ～8 500 kN，相對較小;同時，在工作面停產(chǎn)檢修期間，出現(xiàn)支架壓垮現(xiàn)象。

圖6 支架阻力與工作面推進速度的關(guān)系［10］Fig.6 Relationship between support resistance and working face advance speed

由此不難看出，現(xiàn)場實測結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果相吻合。說明合理的加快推進速度，減小工作面在同一個位置處的滯留時間，有利于巷道穩(wěn)定和安全生產(chǎn)。

5 結(jié) 論

(1)除一般采面礦壓顯現(xiàn)影響因素外，松散層厚度、基巖厚度、直接頂厚度和支架阻力等也是淺埋條件下影響采場礦壓顯現(xiàn)的主要因素。其他條件不變的情況下，淺埋煤層工作面的初次來壓步距遠小于正常埋深煤層工作面的初次來壓步距。埋深越淺推進速度對工作面礦壓顯現(xiàn)的影響程度越大。

(2)隨著推進速度增大，地表相同時間內(nèi)下沉量呈明顯減小趨勢，但最終下沉量依然較大。淺埋采場上覆厚松散層破斷后難以形成有效承載結(jié)構(gòu)，在計算上覆荷載時不能采用傳統(tǒng)的壓力拱理論。

(3)隨著推進速度的增加，工作面及冒落帶附近的低應(yīng)力區(qū)面積減小，高應(yīng)力區(qū)域范圍有所增大，并更加靠近工作面，峰值應(yīng)力距工作面的距離減小，應(yīng)力集中區(qū)域影響范圍減小。

(4)推進速度的增大，減少了工作面在同一個位置處的滯留時間，減小了頂板壓力。但推進速度過快，工作面附近未破壞煤巖體內(nèi)可能聚集大量的彈性變形能，易誘發(fā)巖爆、沖擊地壓、煤與瓦斯突出等礦山動力災(zāi)害，因此工作面推進速度并非越快越好，與采面地質(zhì)條件相匹配的推進速度才是合理的推進速度。

［1］ 黃慶享.淺埋煤層采動厚砂土層破壞規(guī)律模擬［J］.長安大學學報:自然科學版，2003，23(4):26-27.

Huang Qingxiang.Simulating on damage law of disturbed thick sandy soil layer and transference of load in shallow seam［J］. Journal of Chang'an University:Natural Science Edition，2003，23(4):26-27.

［2］ 宣以瓊.薄基巖淺埋煤層覆巖破壞移動演化規(guī)律研究［J］.巖土力學，2008，29(2):512-516.

Xuan Yiqiong.Research on movement and evolution law of breaking of overlying strata in shallow coal seam with a thin bedrock［J］.Rock and Soil Mechanics，2008，29(2):512-516.

［3］ 黃慶享.淺埋煤層的礦壓特征與淺埋煤層定義［J］.巖石力學與工程學報，2002，21(8):1174-1177.

Huang Qingxiang.Ground pressure behavior and definition of shallow seams［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，21(8):1174-1177.

［4］ 黃慶享，張 沛，董愛菊.淺埋煤層地表厚砂土層“拱梁”結(jié)構(gòu)模型研究［J］.巖土力學，2009，30(9):2722-2726.

Huang Qingxiang，Zhang Pei，Dong Aiju. Mathematical model of“arch beam”of thick sandy soil layer movement in shallow seam［J］.Rock and Soil Mechanics，2009，30(9):2722-2726.

［5］ 王 磊，謝廣祥. 綜采面推進速度對煤巖動力災(zāi)害的影響研究［J］.中國礦業(yè)大學學報，2010，39(1):70-74.

Wang Lei，Xie Guangxiang.Influence of mining velocity on dynamic disasters in the coal and rock mass at a fully mechanized mining face［J］.Journal of China University of Mining ＆ Technology，2010，39(1):70-74.

［6］ 謝廣祥，常聚才，華心祝.開采速度對綜放面圍巖力學特征影響研究［J］.巖土工程學報，2007，29(7):963-967.

Xie Guangxiang，Chang Jucai，Hua Xinzhu. Influence of mining velocity on mechanical characteristics of surrounding rock in fully mechanized top-coal caving face［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2007，29(7):963-967.

［7］ 陳國祥，竇林名，喬中棟，等. 褶皺區(qū)應(yīng)力場分布規(guī)律及其對沖擊礦壓的影響［J］.中國礦業(yè)大學學報，2008，37(6):751-755.

Chen Guoxiang，Dou Linming，Qiao Zhongdong，et al.The stress field distribution in folding structure areas and its impaction on rock burst［J］.Journal of China University of Mining ＆ Technology，2008，37(6):751-755.

［8］ 李 圍.隧道及地下工程FLAC 解析方法［M］. 北京:中國水利水電出版社，2009.

Li Wei.Tunnel and Underground Engineering FLAC Analysis Method［M］.Beijing:China Water Power Press，2009.

［9］ Rajendra，Singly T N Singh，Bharaf B Dhar. Coal pillar loading in shallow conditions［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，1996，53(8):113-120.

［10］ 劉全明.淺埋綜采工作面礦壓顯現(xiàn)的推進速度效應(yīng)分析［J］.煤炭科學技術(shù)，2010，38(7):24-26.

Liu Quanming.Analysis on mining velocity effect of mine pressure behavior of fully mechanized long wall coal mining face with shallow mining depth［J］.Coal Science and Technology，2010，38(7):24-26.