大傾角綜放采場(chǎng)圍巖應(yīng)力演化規(guī)律研究

趙鯤鵬，張華磊，涂　敏

(1.安徽理工大學(xué) 煤礦安全高效開(kāi)采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001；

大傾角綜放采場(chǎng)圍巖應(yīng)力演化規(guī)律研究

趙鯤鵬1,2,3，張華磊1,2,3，涂敏1,2

(1.安徽理工大學(xué) 煤礦安全高效開(kāi)采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001；

3.山東科技大學(xué) 山東省礦山災(zāi)害預(yù)防控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590)

[摘要]針對(duì)大傾角厚煤層不同煤層傾角條件下采場(chǎng)不同區(qū)域的圍巖應(yīng)力變化特征及支承壓力變化規(guī)律，以龐龐塔煤礦5-103工作面為工程背景，通過(guò)采用數(shù)值計(jì)算軟件FLAC3D建立煤層在不同傾角下的模型，分析了在不同傾角下采場(chǎng)圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，討論了不同煤層傾角條件下采場(chǎng)不同區(qū)域的圍巖應(yīng)力變化特征及支承壓力的變化規(guī)律，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證，為解決大傾角厚煤層綜放開(kāi)采中存在的問(wèn)題提供了一定的參考價(jià)值。

[關(guān)鍵詞]大傾角；綜放采場(chǎng)；圍巖應(yīng)力；支承壓力

我國(guó)傾斜煤層儲(chǔ)量大,分布范圍廣,并已形成相當(dāng)?shù)拈_(kāi)采規(guī)模。大傾角采場(chǎng)支承壓力分布的基本規(guī)律與近水平煤層相同,但傾斜條件下巖層受力情況十分復(fù)雜,支承壓力分布又有其相應(yīng)的特點(diǎn)[1]。從力學(xué)上講，煤層傾角的存在，巖層的受力情況將會(huì)變得復(fù)雜，同時(shí)巖層在切向剪切力作用下的響應(yīng)將會(huì)比水平情況劇烈，影響到圍巖的結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)[2-3]。目前，實(shí)驗(yàn)室相似模擬試驗(yàn)、三維有限元數(shù)值計(jì)算方法及其他數(shù)值分析方法已被運(yùn)用到大傾角煤層采場(chǎng)圍巖應(yīng)力分布的模擬和預(yù)測(cè)中[4-8]。本文旨在分析不同煤層傾角條件下采場(chǎng)不同區(qū)域的圍巖應(yīng)力變化特征及支承壓力的變化規(guī)律，這對(duì)于指導(dǎo)大傾角厚煤層綜放工作面的安全高效開(kāi)采具有一定的意義。

1工程地質(zhì)條件

龐龐塔礦5-103工作面所采煤層為5號(hào)煤，地面標(biāo)高+1.15～+1.3km，工作面標(biāo)高為+0.67～+0.78km。5-103工作面長(zhǎng)度為164.8m，走向長(zhǎng)度1.7km，煤層傾角17～25°，平均傾角21°。該工作面煤層較穩(wěn)定，煤層平均厚度6.4m，工作面煤層頂?shù)装逄卣饕?jiàn)表1。

2采場(chǎng)圍巖應(yīng)力演化規(guī)律研究

2.1數(shù)值計(jì)算模型的建立

通過(guò)采用數(shù)值計(jì)算軟件FLAC3D建立出煤層傾角15°，22°，35°及45°共4個(gè)模型，分析在不同煤層傾角下采場(chǎng)圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。模型中各煤巖層

表1　煤層頂?shù)装逄卣?/p>

參數(shù)以龐龐塔5-103工作面圍巖為基準(zhǔn)，如表2所示。煤層平均埋深463m。

表2　各巖層物理力學(xué)參數(shù)

2.2工作面推進(jìn)距離不變時(shí)采場(chǎng)圍巖垂直應(yīng)力隨煤層傾角的演化規(guī)律

工作面推進(jìn)60m，不同煤層傾角時(shí)采場(chǎng)圍巖垂直應(yīng)力分布狀態(tài)如圖1所示。

由圖1可知，當(dāng)工作面推進(jìn)至60m時(shí)，傾角15°的工作面左側(cè)煤壁5.2m處，最大垂直應(yīng)力達(dá)到25.51MPa ；工作面右側(cè)煤壁5.5m處，最大垂直應(yīng)力達(dá)到22.67MPa。傾角22°的工作面左側(cè)煤壁5.4m處，最大垂直應(yīng)力達(dá)到26.61MPa；工作面右側(cè)煤壁7.5m處，最大垂直應(yīng)力達(dá)到21.36MPa。傾角為35°的工作面左側(cè)煤壁5.2m處，最大垂直應(yīng)力達(dá)到26.70MPa ；工作面右側(cè)煤壁12.0m處，最大垂直應(yīng)力達(dá)到19.20MPa；傾角為45°的工作面左側(cè)煤壁5.2m處，最大垂直應(yīng)力達(dá)到25.15MPa ；工作面右側(cè)煤壁13.0m處，最大垂直應(yīng)力達(dá)到17.59MPa。

圖1　不同煤層傾角時(shí)采場(chǎng)圍巖垂直應(yīng)力分布

為了分析5-103工作面開(kāi)采時(shí)的支承壓力在同一推進(jìn)距離隨煤層傾角的變化，將上述數(shù)據(jù)生成圖2所示曲線。

圖2　60m推進(jìn)步距下傾角對(duì)采場(chǎng)圍巖垂直應(yīng)力影響

對(duì)比分析可知，傾角為15°時(shí)，開(kāi)挖引起應(yīng)力變化穩(wěn)定后下端的應(yīng)力峰值較上端大8%；傾角為22°時(shí)，開(kāi)挖引起應(yīng)力變化穩(wěn)定后下端的應(yīng)力峰值較上端大12.7%；傾角為35°時(shí)，開(kāi)挖引起應(yīng)力變化穩(wěn)定后下端的應(yīng)力峰值較上端大23.6%；傾角為45°時(shí)，開(kāi)挖引起應(yīng)力變化穩(wěn)定后下端的應(yīng)力峰值較上端大29.4%，可見(jiàn)隨著傾角的增大，上端和下端的應(yīng)力峰值差異是逐漸增加的。

不同傾角下，工作面上端和下端的卸荷范圍也不同，上端頂板的卸荷區(qū)較大，與底板呈現(xiàn)的規(guī)律相反，而且差異程度隨著傾角增大也越明顯，因此工作面上下兩端的頂?shù)装逡平鼱顩r也將不同，表現(xiàn)為上端頂板下沉?xí)黠@，下端底板上升會(huì)更顯著。隨著傾角的增大，工作面上下兩端的應(yīng)力變化劇烈程度逐漸降低；且工作面上端的應(yīng)力變化沒(méi)有下端明顯。但上端的應(yīng)力集中范圍大于下端。因此，在相同的推進(jìn)步距下，隨著傾角的減小，對(duì)支護(hù)適應(yīng)應(yīng)力變化的要求也隨之增大。

2.3煤層傾角不變時(shí)采場(chǎng)圍巖垂直應(yīng)力隨工作面推進(jìn)演化規(guī)律

煤層傾角為22°時(shí)隨工作面推進(jìn)圍巖垂直應(yīng)力分布狀態(tài)如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)工作面傾角為22°時(shí)，從工作面傾向和走向上應(yīng)力的變化可以看出：當(dāng)工作面推進(jìn)12m時(shí)，工作面左側(cè)煤壁2.7m處，最大垂直應(yīng)力達(dá)到19.11MPa；工作面右側(cè)煤壁4.8m處，最大垂直應(yīng)力達(dá)到14.7MPa；當(dāng)工作面推進(jìn)24m時(shí)，工作面左側(cè)煤壁5.2m處，最大垂直應(yīng)力達(dá)到21.82MPa；工作面右側(cè)煤壁4.8m處，最大垂直應(yīng)力達(dá)到16.58MPa；當(dāng)工作面推進(jìn)36m時(shí)，工作面左側(cè)煤壁5.2m處，最大垂直應(yīng)力達(dá)到22.44MPa；工作面右側(cè)煤壁7.5m處，最大垂直應(yīng)力達(dá)到18.72MPa；當(dāng)工作面推進(jìn)48m時(shí)，工作面左側(cè)煤壁5.3m處，最大垂直應(yīng)力達(dá)到24.75MPa；工作面右側(cè)煤壁7.5m處，最大垂直應(yīng)力達(dá)到20.21MPa；當(dāng)工作面推進(jìn)60m時(shí)，工作面左側(cè)煤壁5.4m處，最大垂直應(yīng)力達(dá)到26.61MPa；工作面右側(cè)煤壁7.5m處，最大垂直應(yīng)力達(dá)到21.36MPa；采場(chǎng)進(jìn)一步向前推進(jìn)的過(guò)程中，應(yīng)力集中的相對(duì)位置與集中程度變化不大。

為了分析5-103工作面開(kāi)采時(shí)的支承壓力在22°煤層傾角下隨工作面推進(jìn)的變化，將上述數(shù)據(jù)生成圖4所示曲線。

圖3　煤層傾角22°時(shí)圍巖垂直應(yīng)力隨采場(chǎng)推進(jìn)分布

圖4　22°煤層傾角時(shí)圍巖垂直應(yīng)力隨采場(chǎng)推進(jìn)變化曲線

通過(guò)對(duì)比分析可知，對(duì)于同一傾角下的工作面上下端，應(yīng)力隨著步距的推進(jìn)而逐漸增大；工作面下端一側(cè)煤壁的應(yīng)力集中范圍小于上端一側(cè)的應(yīng)力集中范圍，但下端的應(yīng)力峰值隨著工作面傾角的變化而較上端有不同程度差異；在采動(dòng)影響下，應(yīng)力集中區(qū)主要出現(xiàn)在工作面上、下兩側(cè)煤壁及前方煤壁區(qū)域，且呈現(xiàn)出明顯的不對(duì)稱性，工作面下端的應(yīng)力集中較上端大；工作面下端的應(yīng)力集中位置距煤壁較上端近，因此下端的煤壁受應(yīng)力集中的影響會(huì)更明顯。

沿著走向方向上的應(yīng)力隨著工作面的推進(jìn)不斷變化，頂?shù)装逍∮谠瓗r應(yīng)力的范圍不斷擴(kuò)大；在傾角較小時(shí)，在推進(jìn)的前兩步應(yīng)力變化較為明顯，在傾角為22°時(shí)，推進(jìn)12m和推進(jìn)24m應(yīng)力差值最大為23.1%；推進(jìn)48m以后應(yīng)力變化趨于穩(wěn)定，在傾角為22°時(shí)，推進(jìn)48m以后的應(yīng)力差值穩(wěn)定在3.8%左右。

3現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

為了監(jiān)測(cè)5-103工作面開(kāi)采時(shí)的支承壓力影響區(qū)域，在工作面回風(fēng)巷內(nèi)布置巷道圍巖變形測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)生成圖5所示的曲線圖。

圖5　回風(fēng)巷兩幫及頂?shù)装逦灰谱兓?guī)律

由圖5可知，巷道表面變形速率隨著工作面推進(jìn)逐漸增大，導(dǎo)致巷道累計(jì)移近量增大；當(dāng)工作面距離測(cè)點(diǎn)80m時(shí)，其兩幫及頂?shù)装逡平俾史謩e僅為2mm/d，3mm/d，巷道變形量較?。幌锏酪平俾?、曲線斜率、兩幫和頂?shù)装逡平俣劝殡S著工作面的開(kāi)采逐漸增加；當(dāng)工作面距離測(cè)點(diǎn)20m時(shí)，兩幫及頂?shù)装逡平俾瘦^大，分別為75mm /d，98mm/d；當(dāng)工作面推進(jìn)距離測(cè)點(diǎn)13m時(shí)，巷道兩幫移近速率增大到100mm/d，頂?shù)装逡平俾试龃蟮?25mm/d；當(dāng)工作面距離測(cè)點(diǎn)5m時(shí)移近速度進(jìn)一步加快，兩幫移近速率達(dá)120mm/d，頂?shù)装逡平俾蔬_(dá)160mm/d。在圍巖性質(zhì)不變，支護(hù)條件滿足的情況下，巷道圍巖的變形量在一定程度上反映了巷道圍巖的應(yīng)力情況，應(yīng)力越大，巷道圍巖的變形量也隨之增大[9-10]。

綜上所述，采動(dòng)在工作面前方12m范圍內(nèi)為采動(dòng)影響劇烈區(qū)，巷道頂?shù)缀蛢蓭鸵平俾试龃筝^快，最大移近速度約為200mm/d；工作面前方19m范圍內(nèi)為采動(dòng)影響明顯區(qū)，19～54m范圍采動(dòng)影響逐漸減弱，超過(guò)54m范圍幾乎不再受采動(dòng)影響；其結(jié)果也與數(shù)值計(jì)算結(jié)果接近。

4結(jié)論

(1)在采動(dòng)影響下，應(yīng)力集中區(qū)主要出現(xiàn)在工作面上、下兩側(cè)煤壁及前方煤壁區(qū)域，且呈現(xiàn)出明顯的不對(duì)稱性，工作面下端的應(yīng)力集中較上端大；工作面下端的應(yīng)力集中位置距煤壁較上端近，因此下端的煤壁受應(yīng)力集中的影響會(huì)更明顯。

(2)不同傾角下，工作面上端和下端的卸荷范圍也不同，上端頂板的卸荷區(qū)較大而底板卸荷區(qū)較小，頂板與底板呈現(xiàn)的規(guī)律也相反，而且差異程度隨著傾角增大而增大，表現(xiàn)為上端頂板下沉?xí)黠@，下端底板上升會(huì)更顯著。

(3)工作面上下兩端的應(yīng)力變化與傾角大小呈正相關(guān)，且工作面下端的應(yīng)力變化大于上端，但應(yīng)力集中范圍較上端大。因此，在相同的推進(jìn)步距下，隨著傾角的減小，對(duì)支護(hù)適應(yīng)應(yīng)力變化的要求也隨之增大。

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[責(zé)任編輯：潘俊鋒]

Evolution Law of Surrounding Rock Stress of Fully Mechanized Top-Coal Caving Stope with Large Dip Angle

ZHAO Kun-peng1，2，3，ZHANG Hua-lei1，2，3，TU Min1，2

(1.Province & Ministry Co-constructed Key Laboratory of Coal Mine Safety and Efficient，Anhui University of Science & Technology，Huainan 232001，China；2.Energy & Safety School，Anhui University of Science & Technology，Huainan 232001，China；3.Shandong Province State Key Laboratory of Mine Disaster Prevention & Controlling，Shandong University of Science & Technology，Qingdao 266590，China)

Abstract：To surrounding rock stress changed characters and abutment pressure changed law of different zone in stope with different coal seam dip angle in large dip angle coal seam，the paper taking 5-103 working face of Pangpangta coal mine as background，the detailed FLAC3Dnumerical model of different coal seam dip angle was built，then stress state of surrounding rock in stope with different dip angle was analyzed，surrounding rock stress changed law and abutment pressured changed law in different zone with different coal seam dip angle were discussed，then filed practical was carried out，the results referring for the problems that existed during top coal caving process in giant thick coal seam with large dip angle.

Key words：large dip angle；top coal caving stope；surrounding rock stress；abutment pressure

[收稿日期]2015-11-03[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.003

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51574007)；安徽省博士后科研經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(DG155)；山東省礦山災(zāi)害預(yù)防控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地(山東科技大學(xué))開(kāi)放基金資助(MDPC2012KF06)；安徽理工大學(xué)青年教師科學(xué)研究基金(QN201330)

[作者簡(jiǎn)介]趙鯤鵬(1989-)，男，河南商丘人，碩士研究生，主要從事礦山巖體力學(xué)與控制方面的研究工作。

[中圖分類號(hào)]TD323

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1006-6225(2016)03-0011-04

[引用格式]趙鯤鵬，張華磊，涂敏.大傾角綜放采場(chǎng)圍巖應(yīng)力演化規(guī)律研究[J].煤礦開(kāi)采，2016，21(3)：11-14，70.