新河礦厚砂巖層變形移動(dòng)數(shù)值模擬研究

陳貴陽(yáng)

（潞安環(huán)能股份公司王莊煤礦，山西 長(zhǎng)治046031）

新河礦開(kāi)采的1-1煤層屬于易自燃特厚煤層，井田內(nèi)距離1-1煤層頂板上方約16.33m遠(yuǎn)處有一層平均50m厚的厚砂巖層。綜放開(kāi)采時(shí)，上覆厚砂巖層隨采面推進(jìn)可能會(huì)出現(xiàn)大面積懸頂，當(dāng)懸頂面積達(dá)到一定值時(shí)會(huì)突然性斷裂和大面積垮落，有可能導(dǎo)致礦震、沖擊地壓等礦山動(dòng)力現(xiàn)象。目前礦井正開(kāi)采22131綜放工作面。22131綜放工作面位于22采區(qū)下山西翼，工作面西部為井田邊界煤柱，東部為22采區(qū)下山煤柱，北鄰已采的22121工作面，南鄰未采22161工作面。地面為低山丘陵，地面起伏較大，地面無(wú)大的水體和建筑物[1]。

1 數(shù)值模擬的目的和方案

數(shù)值模擬分析以現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件和生產(chǎn)技術(shù)為基礎(chǔ)，針對(duì)22141綜放工作面圍巖地質(zhì)條件，結(jié)合22141綜放工作面煤巖體物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果，模擬工作面不同推進(jìn)距離圍巖的力學(xué)特征，模擬工作面向前推進(jìn)距離分別為30m、60m、90m、120m時(shí)工作面圍巖移動(dòng)規(guī)律及巨厚堅(jiān)硬礫巖層變形失穩(wěn)模式和破斷失穩(wěn)破壞演化規(guī)律，找出可能誘發(fā)沖擊地壓的信息[2]。分析工作面在推進(jìn)過(guò)程中的應(yīng)力分布情況，找出高應(yīng)力集中區(qū)域，從而對(duì)這些區(qū)域采取重點(diǎn)防治，對(duì)工作面預(yù)防沖擊地壓發(fā)生具有重要的指導(dǎo)意義。

2 計(jì)算模型的建立及參數(shù)選取

本部分關(guān)系到計(jì)算的合理性、可靠性和精確性。平面模型要求包含極限穩(wěn)定斷面，以便計(jì)算結(jié)果能增加工程穩(wěn)定設(shè)計(jì)的可靠性；模型要有可靠的邊界條件，即滿足地質(zhì)條件和生產(chǎn)實(shí)踐上的要求。根據(jù)22141綜采工作面圍巖實(shí)際地質(zhì)條件及生產(chǎn)情況，依據(jù)22141綜采工作面地質(zhì)綜合柱狀圖，建立數(shù)值模擬計(jì)算模型如圖1所示。模型長(zhǎng)寬高為250m×150m×87.4m，回采面從距模型左邊界40m處開(kāi)始向右方向推進(jìn)，工作面兩邊各留50m保護(hù)煤柱。

本數(shù)值模擬巖石力學(xué)參數(shù)的選取參照22141綜采工作面煤巖物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)得出的煤巖塊的力學(xué)參數(shù)。表1為各巖層的參數(shù)。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 工作面不同推進(jìn)距離時(shí)水平應(yīng)力分布規(guī)律結(jié)果分析

為了研究工作面前方煤體內(nèi)水平力分布及影響范圍，對(duì)工作面設(shè)置200m長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)曲線，監(jiān)測(cè)曲線位于采空區(qū)頂板上方0.5m處，具體應(yīng)力分布情況如圖2所示。從圖2中可以看出，隨著工作面的向前推進(jìn)，工作面前方支承壓力影響范圍增大，最大水平應(yīng)力值增大，最大水平應(yīng)力值向工作面前方轉(zhuǎn)移，這是因?yàn)樯喜亢裆皫r層的存在，厚砂巖層不跨落，導(dǎo)致工作面上方頂板巖層內(nèi)的水平應(yīng)力得不到釋放，使巖體內(nèi)水平應(yīng)力不斷積聚。由上述分析可知，隨著工作面的向前推進(jìn)，最大水平應(yīng)力有增大的趨勢(shì)，采空區(qū)底板水平應(yīng)力值影響范圍增大。

3.2 不同推進(jìn)距離時(shí)工作面前方支承壓力分布規(guī)律結(jié)果分析

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

圖2 工作面前方水平應(yīng)力分布規(guī)律

圖3 工作面前方支承壓力分布規(guī)律

圖4 采空區(qū)頂板有下沉量與工作面推進(jìn)距離關(guān)系

為了研究工作面前方煤體內(nèi)垂直應(yīng)力分布及影響范圍，對(duì)工作面設(shè)置200m長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)曲線，監(jiān)測(cè)曲線位于采空區(qū)頂板上方0.5m處，具體應(yīng)力分布情況如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著工作面的向前推進(jìn)，工作面前方支承壓力影響范圍增大，最大垂直應(yīng)力值增大，最大應(yīng)力值向工作面前方轉(zhuǎn)移，這是因?yàn)樯喜亢裆皫r層的存在，厚砂巖層難以達(dá)到極限垮距，導(dǎo)致工作面上方頂板巖層內(nèi)的應(yīng)力得不到釋放，使巖體內(nèi)應(yīng)力不斷積聚。

由上述分析可知，隨著工作面的向前推進(jìn)，最大垂直應(yīng)力基本保持不變，在工作面向前推進(jìn)過(guò)程中，采空區(qū)底板前方有時(shí)會(huì)出現(xiàn)較高的垂直應(yīng)力集中現(xiàn)象；采空區(qū)頂板由于破壞而處于垂直應(yīng)力降低區(qū)。在工作面前方9～12m左右，出現(xiàn)高能量區(qū)域，在受到擾動(dòng)時(shí)，很容易發(fā)生沖擊危險(xiǎn)。

3.3 工作面不同推進(jìn)距離時(shí)垂直位移結(jié)果分析

如圖4所示工作面不同推進(jìn)距離垂直位移特征曲線。由圖4可以看出，工作面向前推進(jìn)90～120m時(shí)，最大垂直位移量在采空區(qū)上方，采空區(qū)上方5～25m范圍的巖體有向下的位移量；工作面向前推進(jìn)30～600m的過(guò)程中，采空區(qū)上方有向下位移量的巖體范圍從采空區(qū)上方70m急劇增加到110m，上覆巖層活動(dòng)劇烈；工作面向前推進(jìn)120m之后，采空區(qū)上方有向下位移量的巖體范圍基本保持不變。

由上述分析可知，隨著工作面的向前推進(jìn)，采空區(qū)頂板上方巖體產(chǎn)生下沉量的區(qū)域呈增大趨勢(shì)，在工作面推進(jìn)到60m以后采空區(qū)頂板有下沉量的巖層高度基本不變，如圖4所示。這是由于厚砂巖層的存在，使得工作面推進(jìn)到120m時(shí)，砂巖層仍不發(fā)生斷裂。

4 結(jié)論

綜上所述，工作面推進(jìn)距離采場(chǎng)圍巖應(yīng)力狀態(tài)及頂板垮落影響范圍的分析結(jié)果可知，隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)上方頂板垮落，但是由于采空區(qū)上方約50m覆蓋厚砂巖層強(qiáng)度高，整體性能好，使得工作面推進(jìn)到120m仍沒(méi)有發(fā)生斷裂，導(dǎo)致工作面前方移動(dòng)支承壓力集中程度較高，是導(dǎo)致工作面運(yùn)輸平巷發(fā)生沖擊地壓的根源。

［1］竇林名，何學(xué)秋.沖擊礦壓防治理論與技術(shù)［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2001.

［2］潘一山，李忠華，章夢(mèng)濤.我國(guó)沖擊地壓分布、類型、機(jī)理及防治研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22（11）：1844-1851.