大采高厚煤層采場覆巖結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)分析

張　蓓

(山西省國新能源發(fā)展集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006)

采選技術(shù)

大采高厚煤層采場覆巖結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)分析

張蓓

(山西省國新能源發(fā)展集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006)

摘要：覆巖結(jié)構(gòu)及運(yùn)移特征受工作面采出空間影響較大，其對(duì)工作面圍巖礦壓顯現(xiàn)程度起主要控制作用。以某煤礦2-106大采高綜采工作面采高對(duì)上覆巖層結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)特征影響的問題為背景，采用數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合的方法，對(duì)不同采高時(shí)的覆巖結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行了研究，得到了工作面覆巖運(yùn)動(dòng)特征、冒落帶高度及離層量受采高變化影響的規(guī)律。結(jié)果表明：隨著采高增大，上覆巖層運(yùn)動(dòng)更加劇烈，采動(dòng)影響范圍增大，冒落帶高度非線性上升，煤壁片幫的趨勢增加，裂隙帶的高度、離層最大值增加。研究結(jié)果在現(xiàn)場實(shí)測中得到了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：大采高；非線性；覆巖結(jié)構(gòu)

錢鳴高等[1-2]首次提出了采場上覆巖層活動(dòng)中的關(guān)鍵層理論，并根據(jù)關(guān)鍵層的作用特性，描述了上覆巖層活動(dòng)中的整體結(jié)構(gòu)形態(tài)。弓培林等人在關(guān)鍵層理論的基礎(chǔ)上確定了垮落帶及斷裂帶高度與覆巖關(guān)鍵層的分布特征密切相關(guān)[3]。劉金凱、陶連金等人應(yīng)用數(shù)值模擬軟件分析了綜放采場上覆巖層的運(yùn)動(dòng)特征，研究了覆巖位移變化規(guī)律[6-8]。但針對(duì)大采高綜采中不同采高對(duì)上覆巖層結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)特征方面的研究卻很少。為此，本文利用數(shù)值計(jì)算模型模擬分析了不同采高時(shí)上覆巖層結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)特征，并進(jìn)行了現(xiàn)場驗(yàn)證。

1工程地質(zhì)概況

山西某礦2-106回采工作面地表位于工業(yè)廣場西南部，地表形態(tài)屬低山黃土丘陵，以黃土梁、垣特征，黃土沖溝發(fā)育，工作面地表大部為農(nóng)田耕地，無建筑物，黃土覆蓋厚度20～80m，基巖厚430～490m。工作面井下相對(duì)位置為+80水平一采區(qū)的右翼，西南至三采區(qū)回風(fēng)巷保安煤柱，東北至一采區(qū)軌道巷保安煤柱邊界，西北、東南目前均未開采。工作面地表標(biāo)高為530～638m，工作面標(biāo)高為75～125m。2-106工作面煤層平均厚度4.3m，傾角2～8°，工作面沿煤層傾向布置，屬于傾斜長壁工作面，采高在3.8～5.35m之間，工作面沿底推進(jìn)，采用傾斜長壁全部垮落、一次采全高的采煤方法。

2數(shù)值計(jì)算模型的建立

為了對(duì)大采高采場上覆巖層變形破壞及運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，采用UDEC2D計(jì)算程序，建立如圖1所示的數(shù)值計(jì)算力學(xué)模型。

模型幾何尺寸為200m×100m，模型底部邊界約束豎直方向位移，左右兩邊邊界約束水平方向位移，設(shè)模型上部邊界以上覆巖轉(zhuǎn)化為均布載荷作用于模型上部邊界，計(jì)算采用莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則。

巖層賦存情況及巖石物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1　煤巖力學(xué)性質(zhì)

建立不同采高采場數(shù)值分析模型來分析上覆巖層結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，探求大采高采場的覆巖運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。UDEC數(shù)值模型見圖2。

圖2　UDEC數(shù)值模型示意圖

工作面從左向右推進(jìn)，依次推進(jìn)5m，總共開挖13步，推進(jìn)65m。比較分析采高分別為2m、3m、4m、5m、6m、7m時(shí)，采場上覆巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在工作面上方，布置3條水平測線監(jiān)測距離采空區(qū)垂直距離為h=4m，8m，14m位置處豎直位移分布情況，進(jìn)而分析冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶的分布[1-2]。

為便于比較研究不同采高采場采動(dòng)后上覆巖層結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)情況，建立以下六個(gè)UDEC數(shù)值模型：①煤層厚度2m；②煤層厚度3m；③煤層厚度4m；④煤層厚度5m；⑤煤層厚度6m；⑥煤層厚度7m。

模型計(jì)算的具體目標(biāo)如下：根據(jù)巖層移動(dòng)變形規(guī)律和破壞程度，上覆巖層受采動(dòng)影響后大致分為三個(gè)不同的開采影響帶，即冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶[1-3]。從數(shù)值模擬工作面推進(jìn)過程中覆巖移動(dòng)及其破壞情況，得出冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶的高度；比較普通采高和大采高開采下覆巖運(yùn)動(dòng)及破壞規(guī)律的不同，得出大采高采場上覆巖層運(yùn)動(dòng)及破壞的特征。

3大采高厚煤層采場覆巖運(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu)數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1覆巖運(yùn)移規(guī)律

根據(jù)上述建立的數(shù)值計(jì)算模型，工作面開始回采，模擬工作面自開切眼回采至70m，由于篇幅有限，文中僅給出工作面老頂初次斷裂時(shí)的覆巖示意圖，由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)工作面推進(jìn)至35m時(shí)，老頂初次斷裂，因此選取工作面推進(jìn)35m時(shí)的覆巖運(yùn)移狀態(tài)進(jìn)行分析，采高為2m、3m、4m、5m、6m、7m等條件下的采場覆巖運(yùn)移狀態(tài)見圖3。

圖3　工作面推進(jìn)35m不同采高采場覆巖位移云圖

由圖3知，工作面推進(jìn)35m時(shí)，老頂初次破斷，此時(shí)采高不同上覆巖層結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出差別。

測線1#層位處，位移最大值位于采空區(qū)中部，采高為2m時(shí)，位移最大值為1.4m。隨著采高加大，最大位移值增大，采高7m時(shí)，達(dá)到6.5m。該層位巖層位移值均較大，結(jié)合位移云圖可知，進(jìn)入垮落帶，采高2～7m，1-2號(hào)巖層均為垮落帶。

測線2#層位處，位移最大值位于采空區(qū)中部，采高為2m時(shí)，位移最大值為8cm，采高為3m時(shí)，最大位移值為10cm。當(dāng)采高增加到4m時(shí)，位移值突然增加，采高4m時(shí)，最大位移值達(dá)到3.2m；采高5m時(shí)，最大位移值為4.3m；采高6m時(shí)，最大位移值為5.2m；采高7m時(shí)，達(dá)到6m，表明采高大于4m時(shí)該層位巖層垮落。采高較小時(shí)，該層位巖體作為基本頂彎曲下沉后與采空區(qū)矸石接觸，并作為結(jié)構(gòu)繼續(xù)承載。采高增大后，不能形成結(jié)構(gòu)，斷裂、垮落，進(jìn)入垮落帶[1]。

測線3#層位處，位移最大值位于采空區(qū)中部，采高為2m時(shí)，位移最大值為6cm；采高3m時(shí)，位移最大值為8cm；采高4m時(shí)，位移值為10cm；表明該層位巖層未進(jìn)入垮落帶。隨著采高加大，位移值增大，采高為5m時(shí)，位移值突然增加，達(dá)到4m；采高6m時(shí)，達(dá)到4.8m；采高7m時(shí)，達(dá)到5.5m，表明采高大于5m后，該層位巖層進(jìn)入垮落帶。

采高為2m時(shí)，冒落帶高度為4m；采高3m時(shí)，冒落帶高度為4m；老頂破斷后與下方已冒落直接頂接觸，冒落帶不再向上發(fā)育，其上方有離層發(fā)育。采高大于4m后，老頂破斷后不能形成結(jié)構(gòu)，其上軟巖層隨之向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入垮落帶，冒落帶高度增加。采高4m時(shí)，冒落帶高度為9m(1-4號(hào)巖層)；采高5m時(shí)，冒落帶高度為13m(1-6號(hào)巖層)；采高6m時(shí)，冒落帶高度為13m(1-6號(hào)巖層)；采高7m時(shí)，冒落帶高度為16m(1-7號(hào)巖層)。

由以上分析可知，工作面推進(jìn)35m時(shí)，老頂初次破斷，小采高時(shí)，老頂巖塊能形成結(jié)構(gòu)繼續(xù)承載；采高增大后，原可作為結(jié)構(gòu)的老頂不能自身平衡進(jìn)入垮落帶，其上軟巖隨之進(jìn)入垮落帶。采高增大后，上覆巖層運(yùn)動(dòng)更加劇烈，采動(dòng)影響的范圍加大且上覆巖層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

3.2不同采高的工作面覆巖結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

3.2.1冒落帶

根據(jù)前面的分析，得到冒落帶高度隨采高變化示意圖見圖4。

由圖4可知，采高增大后，冒落帶高度升高，直接頂厚度增加，但是冒落帶高度與采高關(guān)系不是線性的，而是呈現(xiàn)出折線的特點(diǎn)，在拐點(diǎn)處的突變與上覆巖層的關(guān)鍵層控制作用有關(guān)[6]。

3.2.2離層

離層最大值隨采高的變化情況見圖5。

由圖5可知，從整體上而言，裂隙帶的高度、離層最大值隨著采高的增加而增加[6]，原因在于采高增大后，為上覆巖層的運(yùn)動(dòng)破壞提供了足夠的運(yùn)動(dòng)空間，覆巖運(yùn)動(dòng)的范圍和劇烈程度加大[2-3]。

圖4　冒落帶高度隨采高變化示意圖

4現(xiàn)場探測

通過在2-106大采高工作面頂板布置煤巖深基點(diǎn)的方法，研究回采過程中覆巖運(yùn)移規(guī)律。觀測設(shè)備主要由山東尤洛卡儀器公司生產(chǎn)的圍巖移動(dòng)檢測儀和手工制作的深基點(diǎn)錨爪兩部分組成。如圖6所示。在切眼前方煤層頂板內(nèi)布置監(jiān)測基點(diǎn)，布置方案如表2所示。

圖5　最大離層值隨采高變化示意圖

表2　深基點(diǎn)測點(diǎn)參數(shù)

將在線監(jiān)控系統(tǒng)收集的深基點(diǎn)測點(diǎn)位移隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)與工作面推進(jìn)距離隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)相擬合，得到的深基點(diǎn)測點(diǎn)隨工作面推進(jìn)度的位移變化曲線見圖7。

圖6　圍巖移動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)組成示意圖

圖7　測點(diǎn)位移變化曲線

安裝過程中，當(dāng)工作面推進(jìn)至距開切眼15m位置，工作面后方的直接頂開始發(fā)生塌落，但是支架的在線監(jiān)測系統(tǒng)顯示支架的工作阻力沒有明顯的大幅度攀升，因此推斷15m只是直接頂初次垮落的極限距離，而不是老頂?shù)某醮螖嗔巡骄?。如圖7所示，深基點(diǎn)S50安裝在距離開切眼22m、距離煤層頂板10m高的頂板內(nèi)部，當(dāng)工作面推進(jìn)至距離開切眼29m時(shí)，S50測點(diǎn)的位移突然增大，直至最大量程300mm，并保持不變。初步推斷工作面老頂?shù)某醮蝸韷翰骄酁?0m；當(dāng)工作面推進(jìn)至30m時(shí)，煤層頂板上方10m處的深基巖已有位移，且呈突然增大趨勢，說明此處的巖塊是突然下沉的，所以認(rèn)定冒落帶已發(fā)展至頂板上方10m處，與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果相近。

5結(jié)論

本文以某煤礦2-106大采高工作面為工程背景，通過數(shù)值計(jì)算及現(xiàn)場觀測，得出了以下結(jié)論。

1)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析可知，采高增大后，上覆巖層運(yùn)動(dòng)更加劇烈，采動(dòng)影響范圍增大，冒落帶高度非線性上升。隨著采高增大，煤壁片幫的趨勢增加，裂隙帶的高度、離層最大值隨著采高的增加而增加。

2)通過現(xiàn)場測試可以得知，102工作面老頂初次破斷距為30m，冒落帶高度不小于10m，與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相近，證明了數(shù)值計(jì)算的可行性。

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Analysis of the structure and movment of the overlying strata in the large mining height and thick coal seam

ZHANG Bei

(Shanxi Provincial Guoxin Energy Development Group Co.，Ltd.，Taiyuan 030006，China)

Abstract:Overlying strata structure and movement characteristics influenced by the working face mining space play an important role in the strata behavior of workface.Based on the problem that overlying strata structure and movement characteristics influenced by mining height in 2-106 fully-mechanized working face with large mining height，overlying strata structure and movement characteristics of different mining heights were studied with the method combined numerical calculation with field measurement.Laws of overlying strata movement characteristics，height of caving zone and separation value changing with different mining heights were obtained.The results show that：as with the mining height increasing，the overlying strata movement is more intense，mining influence range increases，height of caving zone nonlinear rises，tendency of coal wall spalling increases，fractured zone height and maximum of separation value also increases.The research results have been verified in the field test.

Key words：large mining height；nonlinear；overlying strata structure

收稿日期：2015-12-04

作者簡介：張蓓(1987-)，男，山西河津人，博士，主要從事礦山壓力及巖層控制方面的研究。E-mail：zhangbei_cumt@126.com。

中圖分類號(hào)：TD353

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4051(2016)06-0075-04