小窯破壞區(qū)復(fù)采工作面應(yīng)力分布特征模擬分析

摘 要：針對韓咀煤礦復(fù)采工作面的具體地質(zhì)條件，采用數(shù)值計(jì)算的方法，對小窯破壞區(qū)復(fù)采工作面的應(yīng)力分布特征進(jìn)行研究。模擬結(jié)果顯示，復(fù)采工作面前方煤體應(yīng)力分布不均勻程度較大，不規(guī)則采空區(qū)對于未回采部位的影響較小，巷道頂板為煤層，垮落步距較近，彈性能的最大值出現(xiàn)在整個回采工作面的邊緣地區(qū)。因此，當(dāng)現(xiàn)場礦壓監(jiān)測數(shù)值出現(xiàn)明顯上升時，應(yīng)當(dāng)有意識的制定具有針對性的工作面推進(jìn)方案及支護(hù)措施，保證安全。

關(guān)健詞：小窯破壞區(qū)；復(fù)采；應(yīng)力分布；數(shù)值模擬

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.064

我國早期在煤礦生產(chǎn)方面的法律法規(guī)不夠健全，煤礦私挖濫采現(xiàn)象較為嚴(yán)重，導(dǎo)致在大型煤礦采區(qū)中普遍存在著位置不確定的殘留煤體及采空區(qū)。小煤礦開采使用落后的以掘代采或巷柱式采煤工藝，嚴(yán)重破壞了煤層的完整性。[1-5]安全高效地復(fù)采該部分煤炭資源不僅在一定程度上緩解煤炭資源的緊張供需關(guān)系，而且對于減少煤炭資源的浪費(fèi)、延長礦井壽命及提高經(jīng)濟(jì)效益方面均具有積極的意義[6-8]。

韓咀礦2號煤層由于早年小煤窯生產(chǎn)方式造成了大面積不規(guī)則采空區(qū)的存在，為下分層煤體的回采造成了極大的困難。為保障韓咀礦的安全高效、高回收率復(fù)采，本文針對其具體地質(zhì)條件，通過數(shù)值模擬和理論分析的方法，對小窯破壞區(qū)復(fù)采工作面壓力分布特征進(jìn)行分析。

1 工作面地質(zhì)條件概況

1202工作面是韓咀礦的首采工作面，位于一盤區(qū)南部，沿煤層傾向布置，長220m，推進(jìn)長度550m。煤層傾角2°～8°，一般小于3.5°。煤層厚度5.10～7.79m，平均6.00m，全區(qū)煤層厚度變化不大，可穩(wěn)定開采，一般含0～5層夾矸。頂板多為粉砂巖、泥巖，隔水性能較好，底板多為砂質(zhì)泥巖，遇水易泥化。鉆孔綜合柱狀如圖1所示。

2 數(shù)值模型建立及參數(shù)

數(shù)值模擬方法可快捷地對煤層開采活動進(jìn)行研究，模擬結(jié)果直觀性強(qiáng)，在煤層開采研究中具有較好的適用性和廣泛性。為此，針對韓咀煤礦當(dāng)前開采工藝，以物探所得到的工作面附近老空分布規(guī)律為基礎(chǔ)，利用數(shù)值模擬分析復(fù)采工作面的應(yīng)力分布情況。

2.1 模型建立

根據(jù)1202工作面實(shí)際地質(zhì)條件，沿工作面走向取 400m 作為模擬對象，模型沿工作面傾向 220m。模型側(cè)面限制水平移動，模型底面限制垂直移動，模型上部施加垂直載荷模擬上覆巖層的重量，模型如圖2所示。

為充分的反映出小窯破壞區(qū)不規(guī)則分布實(shí)際情況，根據(jù)工作面前方200m的物探結(jié)果（如圖3所示），大致統(tǒng)計(jì)采空區(qū)面積與模型總面積的比值，得到采空區(qū)的程度，在此基礎(chǔ)上建立1202工作面煤體及采空區(qū)的空間分布狀況如圖4所示。

2.2 參數(shù)設(shè)置

計(jì)算中采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則判斷煤巖體材料的屈服；采用應(yīng)變軟化模型反映煤體破壞后隨變形發(fā)展殘余強(qiáng)度逐步降低的性質(zhì)。

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查和相關(guān)研究提供的巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，考慮到巖石的尺度效應(yīng)，模擬計(jì)算采用的巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

由于小煤窯的開采，破壞了煤層內(nèi)的原巖應(yīng)力場，煤層頂板也有不同程度的破碎，為工作面的后續(xù)開采帶來了困難。所以掌握小煤窯破壞區(qū)復(fù)采工作面的應(yīng)力場極為重要。依據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)技術(shù)條件，初次放煤為初次來壓后20m位置時，因此首先對工作面進(jìn)行常規(guī)回采，回采高度為2.8m，而后開始模擬放頂回采。

3.1 有無小窯破壞區(qū)的對比

當(dāng)煤體完整無小窯無破壞時，應(yīng)力分布呈現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)律性，應(yīng)力變化呈現(xiàn)連續(xù)性和漸變性，最大值出現(xiàn)在工作面前方20m范圍內(nèi)；而存在小窯破壞區(qū)時，應(yīng)力分布具有明顯的不規(guī)則性，應(yīng)力變化也不連續(xù)。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，完整煤層開采時，工作面前方最大垂直應(yīng)力約為10MPa，而條件相同下小窯不規(guī)則破壞區(qū)下煤層開采的最大垂直應(yīng)力則達(dá)到了32MPa，約為完整條件下的3倍多。

可以看粗，小窯破壞區(qū)下煤層開采應(yīng)力分布較完整煤層條件下發(fā)生明顯的變化，應(yīng)力分布規(guī)律的不規(guī)則性以及較大的應(yīng)力集中系數(shù)，增大了煤礦的安全高效生產(chǎn)的難度。

3.2 小窯破壞區(qū)復(fù)采工作面應(yīng)力分布特征

由于早年小煤窯生產(chǎn)方式造成了大面積不規(guī)則采空區(qū)的存在，因此上覆巖層的載荷通過殘留的不規(guī)則煤柱傳遞到下方的煤層上，從而造成復(fù)采工作面超前壓力集中系數(shù)要明顯大于完整煤層的情況。模擬結(jié)果顯示，工作面前方垂直應(yīng)力最大值約為43MPa。煤層開采過后，上方覆巖垮落，集中應(yīng)力釋放，重新分布，形成較為均勻的分布區(qū)，約為5MPa。

3.3 復(fù)采工作面能量分布規(guī)律

由于集聚在巖體內(nèi)的彈性能可以通過巖體的變形破斷轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃文?、機(jī)械能等形式得以釋放，進(jìn)而引發(fā)沖擊礦壓等災(zāi)害，而且小窯破壞區(qū)內(nèi)殘留煤體的較大應(yīng)力集中現(xiàn)象可能使下方媒體集聚的彈性能異常增大，因此，有必要了解復(fù)采工作面內(nèi)能量的分布特征，其模擬結(jié)果如圖7所示。

煤層開采過后，采空區(qū)上方覆巖載荷要向四周煤體內(nèi)轉(zhuǎn)移，應(yīng)力重新分布，形成超前支承壓力和側(cè)向支承壓力，較大的圍巖應(yīng)力使得采空區(qū)的四周集聚了較大的彈性能，而工作面前方未采煤體內(nèi)的彈性能則相對較小。值得注意的是，雖然煤體內(nèi)能量總體水平較低，但由于上部不規(guī)則煤柱造成的應(yīng)力集中使得局部的彈性能仍然較高，若該部分能量釋放，將有可能造成沖擊傷害，因此，在回采過程中應(yīng)當(dāng)有意識的對工作面前方的煤體進(jìn)行弱化，避免形成彈性能突然釋放的條件，保證安全生產(chǎn)。

4 結(jié)論

通過小窯破壞區(qū)復(fù)采工作面的數(shù)值模擬，結(jié)果顯示工作面前方的應(yīng)力值較完整煤體條件下明顯增大，且分布不規(guī)則，較高的應(yīng)力值對于頂煤破碎較為有利，但也應(yīng)注意較高的應(yīng)力集中可能引發(fā)的沖擊危害。因此，工作面推進(jìn)過程中，應(yīng)結(jié)合物探及鉆探手段對前方空區(qū)分布情況進(jìn)行確認(rèn)，礦壓監(jiān)測數(shù)值發(fā)生較大程度的上升時，應(yīng)當(dāng)有意識的做好準(zhǔn)備，制定具有針對性的工作面推進(jìn)方案及支護(hù)措施，保證安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]白培中.近距離煤層采空區(qū)殘煤綜放復(fù)采技術(shù)研究與應(yīng)用[J].中國煤炭，2010（09）：48-50.

[2]郭忠賢.單體支柱與π型鋼梁聯(lián)合支護(hù)在舊區(qū)復(fù)采中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2006（04）：56-58.

[3] 張廷民，劉新宏.刀柱下棄置煤炭復(fù)采技術(shù)的應(yīng)用[J].山西煤炭，2006（04）：38-40.

[4]李強(qiáng).刀柱下復(fù)采工作面頂板活動規(guī)律探索[J].山西煤炭，2007（04）：27-29.

[5]梁冰，楊冬鵬，孫維吉.中厚傾斜煤層殘留煤的復(fù)采數(shù)值模擬[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（02）：371-374.

[6]溫耀軍，張弛，王曉溪等.綜采工作面過斷層和過空巷技術(shù)研究與實(shí)踐[J].中國科技論文在線，2009（01）：1-5.

[7]遲國銘.補(bǔ)連塔煤礦過3220工作面空巷的理論分析與計(jì)算[J].陜西煤炭，2005（04）：14-15.

[8]任建峰.大采高工作面過空巷時的支承壓力分布規(guī)律數(shù)值模擬[J].山西煤炭，2009（03）：17-19.

作者簡介：郭占峰（1966-），男，山西臨縣人，學(xué)士學(xué)位，高級工程師，主要從事煤礦采掘及安全管理等方面的工作。