“兩硬”條件下采場(chǎng)覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究

劉大江 張文陽

(1.同煤集團(tuán)晉華宮礦，山西省大同市，037016；2.同煤集團(tuán)生產(chǎn)技術(shù)處，山西省大同市，037017)

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★ 煤炭科技·開拓與開采 ★

“兩硬”條件下采場(chǎng)覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究

劉大江1張文陽2

(1.同煤集團(tuán)晉華宮礦，山西省大同市，037016；2.同煤集團(tuán)生產(chǎn)技術(shù)處，山西省大同市，037017)

本文以“兩硬”特殊開采條件為研究對(duì)象，通過數(shù)值模擬分析此類條件下采場(chǎng)的上覆巖層破壞區(qū)域特征、應(yīng)力分布特征和煤層頂板穩(wěn)定性特征，并結(jié)合工程實(shí)踐驗(yàn)證該條件下工作面兩巷受力變形情況。實(shí)踐表明，地應(yīng)力越大，越容易造成堅(jiān)硬頂板的懸頂現(xiàn)象；“兩硬”大采高條件下超前支承壓力比普通采場(chǎng)峰值影響范圍大、集中系數(shù)高。

“兩硬”條件 覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律 數(shù)值模擬 工程實(shí)例

“兩硬”主要是指頂板、煤層兩者硬度均較大，“兩硬”大采高條件下的頂板管理是大同地區(qū)侏羅系煤層開采過程中存在的難題，該條件的工作面頂板破壞呈以下特點(diǎn)：強(qiáng)烈的初次來壓和周期來壓、超長(zhǎng)來壓步距和極大懸頂面積、較大的冒落高度、較大的頂板下沉量以及異常的礦壓顯現(xiàn)等。因此常用的覆巖形成結(jié)構(gòu)理論，如壓力拱假說、鉸接巖塊假說、“砌體梁”理論、巖板理論等已不能單獨(dú)用來研究“兩硬”條件下頂板的穩(wěn)定性，本文以同煤集團(tuán)云岡礦8623工作面地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，綜合多種覆巖結(jié)構(gòu)理論對(duì)“兩硬”條件下采場(chǎng)覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律及控制技術(shù)進(jìn)行分析研究。

1 理論分析

“兩硬”大采高條件下采場(chǎng)上覆巖層有以下運(yùn)動(dòng)規(guī)律：

(1)采場(chǎng)沒有直接頂，不同于傳統(tǒng)綜采工作面的直接頂能夠在采空區(qū)形成隨采隨冒，“兩硬”條件下工作面的頂板突然失穩(wěn)后，懸頂會(huì)大面積瞬間垮落堆積于采空區(qū)，且失穩(wěn)的巖石塊體不發(fā)生破碎。

(2) 采場(chǎng)沒有傳統(tǒng)意義上的基本頂。上覆懸露巖層在煤壁上方斷裂，失去與前方巖層的聯(lián)系，不能夠有效地傳遞前方力的作用，不能形成傳遞力的傳遞巖梁。

(3) 上覆懸露巖層不是彎曲變形下沉垮落的破壞過程，而是急速突變的瞬間失穩(wěn)過程。當(dāng)懸露垮度未達(dá)到極限跨度時(shí)，上覆巖層位移較??；當(dāng)懸露跨度達(dá)到極限跨度時(shí)，上覆巖層會(huì)發(fā)生突然失穩(wěn)垮落。

(4) 若工作面采高較大，上覆懸露巖層在發(fā)生突然失穩(wěn)垮落時(shí)會(huì)形成較危險(xiǎn)的沖擊動(dòng)載，造成壓架事故。

(5) 上覆懸露巖層在發(fā)生突然失穩(wěn)垮落前，是水平懸臂梁，上覆巖層所施加的力由采場(chǎng)支架承擔(dān)；上覆懸露巖層在發(fā)生突然失穩(wěn)垮落后，垮落的整體巖塊前段位于支架上，后端位于采空區(qū)，上覆巖層所施加的部分力由采場(chǎng)支架承擔(dān)。

2 數(shù)值模擬

“兩硬”大采高工作面頂板管理的影響因素較多，因此在模擬過程中除了要分析不同的頂板巖性和地質(zhì)構(gòu)造外，還應(yīng)考慮不同地應(yīng)力對(duì)采場(chǎng)上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響。本文主要針對(duì)水平應(yīng)力對(duì)圍巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響進(jìn)行模擬，即模擬在施加與不施加水平構(gòu)造應(yīng)力的條件下，分析原始應(yīng)力場(chǎng)與采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的相互作用，并與未考慮原始應(yīng)力場(chǎng)的上覆巖層破壞特征進(jìn)行對(duì)比，得出“兩硬”大采高條件下上覆巖層的地應(yīng)力演化規(guī)律和礦壓顯現(xiàn)范圍等。

應(yīng)力場(chǎng)考慮靜力場(chǎng)和水平地應(yīng)力，將各巖層定義為接觸連續(xù)均勻介質(zhì)。模型上邊界施加垂直方向載荷(σ=γh=2200 N/m3×121.3 m)，模型總共12000個(gè)單元，203432個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 三維模型圖

2.1 水平應(yīng)力場(chǎng)分析

工作面推進(jìn)50m、200m時(shí)水平應(yīng)力分布情況分別見圖2、圖3。分析圖2、3可看出：

(1)由于煤巖體的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于煤體的抗壓強(qiáng)度，煤巖體中處于拉應(yīng)力的區(qū)域?yàn)樽钊菀灼茐牡膮^(qū)域。工作面頂板如果處于此區(qū)域，最容易發(fā)生冒頂、垮落。

圖2 工作面推進(jìn)50 m時(shí)水平應(yīng)力分布云圖

圖3 工作面推進(jìn)200 m時(shí)水平應(yīng)力分布云圖

(2)隨著采煤工作面的不斷向前推進(jìn)，工作面超前支撐壓力的峰值和影響區(qū)域同時(shí)向前移動(dòng)。

(3)模擬中無論施加地應(yīng)力與否，工作面頂?shù)装寰霈F(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。在相同推進(jìn)距離條件下，未施加水平地應(yīng)力比施加水平地應(yīng)力時(shí)，兩幫應(yīng)力集中程度和上覆巖層受拉程度要大。在施加水平地應(yīng)力條件下，工作面頂板易形成穩(wěn)定平衡結(jié)構(gòu)。由此可以看出水平地應(yīng)力有利于工作面頂板的穩(wěn)定。

2.2 塑性破壞區(qū)分析

工作面推進(jìn)50m、200m時(shí)塑形破壞區(qū)分布情況分別見圖4、圖5。分析圖4、5可看出：

圖4 工作面推進(jìn)50 m時(shí)塑性破壞區(qū)分布圖

圖5 工作面推進(jìn)200 m時(shí)塑性破壞區(qū)分布圖

(1)未施加水平構(gòu)造應(yīng)力時(shí)，采場(chǎng)直接頂以張拉破壞為主、基本頂以剪切破壞為主。當(dāng)工作面推進(jìn)200m時(shí)，破壞范圍為煤體上方75m左右，破壞形狀為拱形—馬鞍形—拱形。

(2)施加水平構(gòu)造應(yīng)力時(shí)，采場(chǎng)上覆巖層的塑性破壞區(qū)域減小，煤體上方僅直接頂受到張拉破壞，可見水平構(gòu)造應(yīng)力更容易穩(wěn)定采場(chǎng)上覆巖層結(jié)構(gòu)。

(3)在同一推進(jìn)距離下，施加水平構(gòu)造應(yīng)力比未施加水平構(gòu)造應(yīng)力情況下的覆巖塑性破壞區(qū)域、兩幫應(yīng)力集中現(xiàn)象和采空區(qū)上方巖體受拉程度都明顯減小，說明地應(yīng)力越大，越容易造成堅(jiān)硬頂板的懸頂現(xiàn)象，頂板越不容易斷裂，越容易引起采場(chǎng)頂板事故。

3 工程實(shí)踐

云岡礦8623工作面傾向長(zhǎng)120m，走向長(zhǎng)1740m，近水平煤層，平均埋深為320m，煤層平均厚度為6.47m，上覆巖層的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：

(1)煤層上部深灰色砂質(zhì)頁巖，平均厚度為0.9m，隨采隨冒，對(duì)上覆巖層運(yùn)動(dòng)、初次來壓及周期來壓基本沒有影響。

(2)頁巖上部的灰色細(xì)砂巖，平均厚度為2.3m，是影響采場(chǎng)支架穩(wěn)定性的首個(gè)關(guān)鍵性巖層，對(duì)采場(chǎng)上覆巖層運(yùn)動(dòng)、初次來壓及周期來壓有明顯影響。

3.1 支承壓力實(shí)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置

在運(yùn)輸巷中安裝煤體應(yīng)力測(cè)點(diǎn)對(duì)回采工作面支承壓力進(jìn)行觀測(cè)，如圖6所示。測(cè)點(diǎn)距回采工作面170m以上，共施工6個(gè)鉆孔，每個(gè)鉆孔安裝一個(gè)傳感器，鉆孔間距1m，深度分別為5m、10m、15m。測(cè)試時(shí)間為54d，期間工作面推進(jìn)178.3m。

圖6 支承壓力測(cè)點(diǎn)布置圖

3.2 支承壓力實(shí)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置

通過鉆孔應(yīng)力計(jì)對(duì)距巷幫不同深度煤體的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，后期對(duì)有效監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析得出曲線圖，如圖7、圖8和圖9所示。

圖7 1#傳感器壓力曲線圖

圖8 2#傳感器壓力曲線圖

圖9 5#傳感器壓力曲線圖

分析上圖可以看出：

(1)“兩硬”大采高條件下超前支承壓力比普通采場(chǎng)峰值影響范圍大、集中系數(shù)高，回采工作面超前支承壓力明顯影響范圍為14.8～19m，最大影響范圍為90m；超前支承壓力最大值位于煤壁前方2.1m，峰值影響范圍為11.8m。

(2)由于煤體硬度較大，因此在煤層內(nèi)沒有明顯的內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)，煤體處于彈性狀態(tài)。只是在煤壁邊緣出現(xiàn)2m范圍的塑性區(qū)，塑性區(qū)是引起“兩硬”大采高條件下煤壁片幫的主要原因。

(3)距離巷道壁5m、10m、15m的區(qū)域均有壓力高峰值，并且在5m的淺部測(cè)點(diǎn)沒有表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，表明距離煤壁5～15m范圍內(nèi)是超前支承壓力高峰影響區(qū)，且處于此區(qū)域的煤體為彈性狀態(tài)。

4 結(jié)論

本文分析介紹了“兩硬”大采高條件下采場(chǎng)上覆巖層的運(yùn)動(dòng)演化規(guī)律、孕災(zāi)機(jī)理以及相關(guān)的結(jié)構(gòu)模型，設(shè)計(jì)并實(shí)施了采場(chǎng)覆巖控制技術(shù)，得到以下結(jié)論：

(1)在同一推進(jìn)距離下，施加水平構(gòu)造應(yīng)力比未施加水平構(gòu)造應(yīng)力情況下的覆巖塑性破壞區(qū)域、兩幫應(yīng)力集中現(xiàn)象和采空區(qū)上方巖體受拉程度都明顯減小，說明地應(yīng)力越大，越容易造成堅(jiān)硬頂板的懸頂現(xiàn)象，頂板越不容易斷裂，越容易引起采場(chǎng)頂板事故。

(2)“兩硬”大采高條件下超前支承壓力比普通采場(chǎng)峰值影響范圍大、集中系數(shù)高，8623回采工作面超前支承壓力明顯影響范圍為14.8～19m，最大影響范圍為90m；超前支承壓力最大值位于煤壁前方2.1m，峰值影響范圍為11.8m。

(3)距離巷道壁5m、10m、15m的區(qū)域均有壓力高峰值，并且在5m的淺部測(cè)點(diǎn)沒有表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，表明距離煤壁5m～15m范圍內(nèi)是超前支承壓力高峰影響區(qū)，且處于此區(qū)域的煤體為彈性狀態(tài)。

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(責(zé)任編輯 郭東芝)

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Research on movement law of overlying strata in mining face with hard coal and hard roof

Liu Dajiang1, Zhang Wenyang2

(1.Jinhuagong Mine, Datong Coal Mine Group, Datong, Shanxi 037016, China; 2.Production and Technology Department, Datong Coal Mine Group, Datong, Shanxi 037017, China)

Taking special mining conditions of hard coal and hard roof as research object, the characteristics of overlying strata regional failure, stress distribution and coal seam roof stability at mining face with the special conditions were analyzed by numerical simulation, and combined with engineering practice, the roadways' bearing and deforming behaviors under the conditions were verified. The practice results showed that the greater crustal stress was easier to cause the hard roof's overhang phenomena, and peak of advanced support pressure at the face with hard coal and hard roof had larger influence range and higher concentration coefficient.

conditions of hard coal and hard roof, overlying strata movement law, numerical simulation, engineering practice

劉大江，張文陽. “兩硬”條件下采場(chǎng)覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究[J].中國煤炭，2017,43(4)：75-78. Liu Dajiang, Zhang Wenyang. Research on movement law of overlying strata in mining face with hard coal and hard roof[J]. China Coal, 2017, 43(4):75-78.

TD325

A

劉大江(1984-)，男，江蘇泗洪人,碩士,工程師,同煤集團(tuán)晉華宮礦副總工程師,從事煤礦開采技術(shù)方面的研究。