深部大采高綜放工作面覆巖運移規(guī)律研究

文/孟 鍵

煤層開采過程中，覆巖的運移是導(dǎo)致采場礦山壓力顯現(xiàn)的根本原因。松散層是一種采動程度不同于基巖，具有一定流動性的松散介質(zhì)，自身的承載能力很弱，因此在采場采動過程中，承載結(jié)構(gòu)只能在較薄的基巖層中形成。一些學(xué)者對在厚松散層、薄基巖條件下，采場覆巖的結(jié)構(gòu)特征及應(yīng)力分布特點，對大采高及綜放采場圍巖應(yīng)力演化規(guī)律，工作面超前支承壓力分布規(guī)律、覆巖采動破斷演化規(guī)律、頂煤活動規(guī)律進行了大量研究，并取得了一定成果。松散層的厚度影響著地表沉陷的深度與范圍，但基巖的厚度對地表沉陷起到控制作用。

一、工程背景

圖1 煤巖力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果

山東新汶礦業(yè)集團龍固煤礦2301工作面平均開采深度為-864m，工作面走向長度為1620m，傾向長度為254m，工作面四周均為實體煤，煤層厚度平均為9.2m，割煤高度4m，平均傾角為6°，煤層硬度系數(shù)f=1.44，賦存較穩(wěn)定。通過對2301工作面煤巖力學(xué)參數(shù)測試得到工作面煤巖力學(xué)參數(shù)，如圖1所示。

二、數(shù)值計算模型建立

1.計算參數(shù)及材料屬性的確定

模型中材料屬性的選擇主要依據(jù)煤巖力學(xué)參數(shù)測試的結(jié)果，如圖1。模型中基巖采用Mohr-Coulumb模型，沖積層采用drucker-prager模型。

2.模型范圍的確定及測線布置

為考察2301工作面采后上覆巖層及巨厚洪沖積層的運動變化規(guī)律，建立全地層完整模型。完整模型長2000m，高1000m。模型左邊界、右邊界及底部邊界分別對其位移約束。在研究工作面上覆基巖變形垮落時，可以將巨厚沖積層以均布載荷的方式直接加載在基巖頂部，以此簡化模型。簡化后的傾向模型長450m，高180m，簡化后的走向模型長600m，高150m，如圖2所示。

圖2簡化后的數(shù)值計算模型

在巨厚洪沖積層、煤層及其頂?shù)装逯蟹謩e設(shè)置監(jiān)測線。工作面開挖引起覆巖破斷與運動，數(shù)值分析過程的時步雖不能與實際開采影響的時間過程相對應(yīng)，但數(shù)值分析中不同時步的應(yīng)力、位移結(jié)果反映了實際開采過程中巖層位移和應(yīng)力的演化過程。

三、模擬結(jié)果分析

1.完整模型模擬結(jié)果

在UDEC完整模型中，2301工作面切眼位于X=500m處，不同開挖距離巨厚洪沖積層中監(jiān)測線（沖積層底部）垂直應(yīng)力如圖3所示。

圖3不同推進距離沖積層底部垂直應(yīng)力

不同開采步距條件下，巨厚洪沖積層底部垂直應(yīng)力變化規(guī)律一致，采動集中應(yīng)力擴展至開采空間兩側(cè)，影響范圍超過100m。在沖積層底部形成的應(yīng)力集中系數(shù)為1.15左右，可以推斷巨厚沖積層具有一定的自承載能力，但自承載能力不強。

2.2301工作面傾向模型模擬結(jié)果

2301工作面采后，直接頂及上覆巖層內(nèi)傾向方向應(yīng)力分布情況可以劃分為：

（1） 原巖應(yīng)力區(qū) （X=0m～X=100m，X=500m～X=600m）；

（2）支承應(yīng)力區(qū)（X=100m～X=150m，X=450m～X=500m）；

（3）應(yīng)力釋放區(qū)（X=150m～X=250m，X=350m～X=450m）；

（4）應(yīng)力恢復(fù)增加區(qū)（X=250m～X=350m）。 3 煤直接頂中最大采動應(yīng)力為40.4MPa，深入實體煤幫18m左右，最大采動應(yīng)力集中系數(shù)為1.82，如圖4所示。

圖4 工作面覆巖垂直應(yīng)力分布規(guī)律

工作面在開采過程中，隨著頂板巖層的破斷與下沉，頂板應(yīng)力的向深部轉(zhuǎn)移，上覆巖層產(chǎn)生縱向和橫向裂隙。由于工作面傾角作用，工作面上端頭頂板裂隙發(fā)育程度比下端頭明顯，且隨著應(yīng)力在傾向上向深部轉(zhuǎn)移，裂隙也在傾向上向深處發(fā)育。工作面頂板裂隙發(fā)育情況如圖5所示。

圖5 工作面頂板裂隙發(fā)育狀況

3.2301工作面走向模型模擬結(jié)果

2301工作面走向模型采用分步開采方式進行開采，不同開采步距采空區(qū)上覆巖層垮落變形規(guī)律如圖6。

圖6 不同推進距離工作面基本頂斷裂狀況

當(dāng)工作面推進15m時，直接頂發(fā)生初次垮落，因此判斷工作面直接頂初次垮落步距為15m，如圖6(a)。隨著工作面的推進，上覆基本頂與上覆巖層離層量加大，并且由拉應(yīng)力作用產(chǎn)生的縱向裂紋增多，如圖6(b)所示。當(dāng)工作面推進40m時，工作面基本頂發(fā)生破斷，破斷形式呈V字形，由圖6(c)可以推斷工作面基本頂破斷距離在35m左右，因此判斷基本頂初次來壓步距為35m。隨著工作面的推進，當(dāng)工作面推進60m時，工作面基本頂巖層垮落情況如圖6(d)所示，圖中可以看出基本頂發(fā)生3次明顯破斷，因此推斷工作面周期來壓步距為20m左右。

2301工作面基本頂中 （位于煤層上方8m處）監(jiān)測線的垂直位移隨工作面推進距離增加的變化曲線如圖7所示。隨著工作面的推進，基本頂下沉量不斷增大，當(dāng)工作面開采距離為40m時，基本頂最大下沉量達到了6.7m，這表明在40m的范圍內(nèi)，基本頂發(fā)生了垮落；當(dāng)工作面開采距離達到150m時，基本頂?shù)南鲁亮坎辉僭黾?，因此可以判斷，在工作面開采至150m的范圍內(nèi)，后方采空區(qū)已趨于穩(wěn)定。

圖7不同推進距離基本頂垂直位移變化曲線

四、結(jié)論

綜合上述分析結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

1.厚沖積層底部最大垂直應(yīng)力集中應(yīng)力系數(shù)約為1.15，在采動卸荷作用下發(fā)生了拉伸變形，塑性區(qū)呈斜上方發(fā)育趨勢，運動變形中具有整體性——整體下沉，整體被壓實，整體承載。

2.采空區(qū)覆巖裂隙按一定破斷角向上逐層發(fā)展，且煤層傾角作用下，傾向上裂隙發(fā)育不對稱，煤壁正上方覆巖由于彎曲變形較大，此區(qū)域裂隙場不發(fā)育。

3.工作面直接頂初垮步距為15m，基本頂初次破斷步距約35m，周期破斷步距約20m。

4.隨著工作面回采，覆巖破壞區(qū)域的擴大，采動應(yīng)力峰值及其影響范圍越來越大；工作面前方最大應(yīng)力集中系數(shù)達2.6，最大影響范圍達80m。