大采高綜采工作面覆巖活動(dòng)規(guī)律研究

曹廣遠(yuǎn)，伍慶風(fēng)，曹品偉 (河南神火煤電有限公司泉店煤礦，河南 許昌 461000)

大采高綜采工作面覆巖活動(dòng)規(guī)律研究

曹廣遠(yuǎn)，伍慶風(fēng)，曹品偉
(河南神火煤電有限公司泉店煤礦，河南 許昌 461000)

相對(duì)于普通綜采工作面，大采高綜采工作面回采空間大，上覆巖層運(yùn)動(dòng)范圍也相應(yīng)較大。為了得到泉店煤礦大采高綜采工作面上覆巖層的活動(dòng)規(guī)律，采用理論分析與數(shù)值模擬計(jì)算的方法，分析工作面回采后頂板的位移量、垮落狀態(tài)、塑性區(qū)分布規(guī)律以及工作面超前支承壓力的分布規(guī)律。

大采高綜采工作面； 覆巖活動(dòng)； 分布規(guī)律

1 工作面老頂初次來(lái)壓步距計(jì)算

一般情況下，工作面老頂上方的巖層由多層巖層組成。因此，老頂巖層的極限跨距所需考慮載荷的大小，應(yīng)根據(jù)各層之間的相互影響來(lái)確定。采動(dòng)覆巖中的任一巖層所受的載荷除自重外，一般還受上覆鄰近巖層的相互作用產(chǎn)生的載荷。為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，假設(shè)巖層載荷為均勻分布[1]。

由前人研究成果可知，應(yīng)采用彎矩形成的極限跨距作為老頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距；并根據(jù)泉店煤礦8號(hào)煤層的埋藏深度及邊界條件，確定按照固支梁計(jì)算老頂極限跨距，即初次來(lái)壓步距Lf為：

(1)

式中：RT——老頂?shù)目估瓘?qiáng)度，取3.15MPa；

q——第一層頂板所受的載荷，取750.71kPa。

代入數(shù)據(jù)可得：Lf=40.27m。

老頂?shù)闹芷趤?lái)壓步距按照老頂?shù)膽冶凼秸蹟啻_定。周期來(lái)壓步距為：

(2)

代入數(shù)據(jù)可得：Lz=12.25m。

2 頂板活動(dòng)規(guī)律的數(shù)值模擬研究

為了掌握泉店煤礦大采高綜采工作面上覆巖層的活動(dòng)規(guī)律，應(yīng)分析工作面回采期間頂板的垮落情況、塑性區(qū)分布情況以及工作面前后支承壓力的分布狀態(tài)。根據(jù)14050工作面具體的地質(zhì)情況，采用通用離散元(Universal Distinct Element Code，UDEC)二維離散元數(shù)值模擬軟件，模擬工作面回采期間頂板的垮落狀態(tài)、頂?shù)装逡平?、頂板壓力及超前支承壓力分布?guī)律和工作面塑性區(qū)的分布特征。

2.1 數(shù)值模型的建立

根據(jù)泉店煤礦14050大采高綜采工作面地質(zhì)條件和生產(chǎn)技術(shù)條件，并參考大采高綜采工作面覆巖活動(dòng)的力學(xué)模型，建立沿煤層走向的數(shù)值模擬模型，如圖1所示。根據(jù)1 4050工作面柱狀圖，確定模型的高度為50m；為了提高運(yùn)算速度，模擬工作面推進(jìn)60m，并考慮邊界效應(yīng)，在模型兩側(cè)各留設(shè)20m的煤柱，模型總寬度為105m。

圖1 數(shù)值模型

在不影響數(shù)值模擬結(jié)果的前提下，為了簡(jiǎn)化模擬，對(duì)工作面上覆巖層做合理修正。修正后的巖層厚度、各巖層內(nèi)塊體的大小和節(jié)理的劃分方式見(jiàn)表1，工作面頂?shù)装鍨槟Ｐ偷难芯恐攸c(diǎn)，單元格劃分較細(xì)[2]。

表1 模型內(nèi)巖層巖性及節(jié)理劃分

數(shù)值模型中的變形塊體采用摩爾—庫(kù)倫(M- C準(zhǔn)則)的本構(gòu)模型節(jié)理材料的本構(gòu)模型采用節(jié)理面接觸—庫(kù)倫滑移。模型中各巖層和煤層的物理力學(xué)性質(zhì)是在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的基礎(chǔ)上確定的，具體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2和表3。

表2 煤巖層力學(xué)參數(shù)

根據(jù)工作面的實(shí)際賦存條件，本計(jì)算模型的邊界條件如下。

(1)上部邊界條件。此條件為應(yīng)力邊界，與工作面的埋深(h)有關(guān)。為了方便研究，將上邊界的載荷分布形式簡(jiǎn)化為均布載荷，容重γ取25kN/m3，即：

q=∑γh=25 000×241.5×10-6=6.037 5MPa

(2)下部邊界條件。由于工作面下部邊界為底板，模型下部邊界條件簡(jiǎn)化為位移邊界條件，在y方向?yàn)楣潭āq支座，即yvel=0。

表3 煤巖層節(jié)理面力學(xué)參數(shù)

(3)兩側(cè)邊界條件。工作面前后兩側(cè)均為實(shí)體煤巖體，所以模型的兩側(cè)邊界條件同樣簡(jiǎn)化為位移邊界條件，x方向?yàn)楣潭āq支座，即xvel=0。

2.2 模擬方案

根據(jù)14050綜采工作面生產(chǎn)實(shí)際(工作面每天完成12個(gè)生產(chǎn)循環(huán)，共推進(jìn)9.6m，取10m)及UDEC模型的特點(diǎn)，確定開(kāi)挖步距為5m，共推進(jìn)60m(每次開(kāi)挖后不使用solve命令，而使用step命令)。模擬方案流程如圖2所示。

圖2 模擬方案流程

2.3 工作面頂板破斷規(guī)律

圖3為模型回采不同距離時(shí)，工作面上覆頂板垮落狀態(tài)。

由圖3可知，當(dāng)工作回采30m時(shí)，工作面直接頂發(fā)生初次垮落；隨工作面繼續(xù)推進(jìn)，直接頂隨采隨垮。當(dāng)工作面推進(jìn)45m時(shí)，工作面老頂發(fā)生初次斷裂，隨工作面繼續(xù)回采，工作面老頂發(fā)生周期性的破斷，老頂?shù)闹芷趤?lái)壓步距為15m；從老頂巖層初次破斷到模型開(kāi)挖完成，工作面老頂巖層均能形成砌體梁結(jié)構(gòu)[3]。

在模型開(kāi)挖時(shí)，在直接巖層中、老頂巖層中以及最上部巖層中布置3條測(cè)線，圖4為隨工作面推進(jìn)3條測(cè)線的垂直位移圖。由圖4可知，最上部巖層的垂直位移曲線與老頂巖層的基本重合，說(shuō)明老頂上方巖層隨老頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，當(dāng)工作面推進(jìn)60m和65m時(shí)，老頂及上覆巖層的活動(dòng)趨于穩(wěn)定，老頂和上覆巖層的垂直位移也達(dá)到最大值。

圖3 隨工作面推進(jìn)上覆巖層的垮落狀態(tài)

圖4 隨工作面推進(jìn)工作面上覆巖層垂直位移變化曲線圖

當(dāng)工作面上方14m厚的中粗粒砂巖破斷時(shí)，其上覆巖層產(chǎn)生整體運(yùn)動(dòng)，說(shuō)明14m厚的中粗粒砂巖對(duì)工作面上覆巖層的運(yùn)動(dòng)起主要的控制作用，為工作面的關(guān)鍵層。

2.4 超前支承壓力分布規(guī)律

圖5為工作面超前支承壓力變化曲線圖，圖6為受支承壓力劇烈影響段長(zhǎng)度隨工作面回采的關(guān)系圖。由圖5和圖6可知，工作面頂板超前支承壓力影響范圍約為45～50m，受支承壓力劇烈影響段長(zhǎng)度最小距離為4.34m，最大長(zhǎng)度為22.78m，平均為17.11m。

圖5 工作面超前支承壓力分布圖

圖6 支承壓力劇烈影響段距離變化圖

在圖6中，工作面回采50m時(shí)，采空區(qū)出現(xiàn)高應(yīng)力值點(diǎn)，支承壓力劇烈影響段長(zhǎng)度出現(xiàn)起伏，這是因?yàn)楫?dāng)工作面回采時(shí)，采空區(qū)垮落巖層逐步壓實(shí)，工作面上覆巖層壓力逐漸向采空區(qū)轉(zhuǎn)移[4]。

3 結(jié)論

根據(jù)泉店煤礦大采高綜采工作面的生產(chǎn)地質(zhì)條件，采用理論分析和數(shù)值計(jì)算分析研究了泉店煤礦大采高綜采工作面上覆巖層的活動(dòng)規(guī)律。

(1)泉店煤礦大采高綜采工作面直接頂?shù)某醮慰迓洳骄嗉s為20m，隨工作面繼續(xù)回采，直接頂隨采隨垮。

(2)根據(jù)理論分析和數(shù)值模擬計(jì)算可知，泉店煤礦大采高綜采工作面老頂初次來(lái)壓步距約為35～40m，老頂破斷時(shí)可形成明顯的砌體梁結(jié)構(gòu)[5]；老頂周期來(lái)壓步距為約為10～12m。上覆巖層中14m厚的中粗粒砂巖對(duì)其他巖層的運(yùn)動(dòng)起主導(dǎo)的控制作用，為14050工作面的關(guān)鍵層。

(3)隨著工作面的推進(jìn)，工作面煤壁前方的塑性區(qū)尺寸逐漸增大，并呈明顯的線性關(guān)系；當(dāng)工作面推進(jìn)距離小于40m時(shí)，超前工作面的頂板塑性區(qū)隨推進(jìn)呈線性增大；當(dāng)工作面推進(jìn)距離大于40m時(shí)，超前工作面的頂板塑性區(qū)范圍保持不變，約為15m。

(4)超前支承壓力影響的范圍約為45～50m，受支承壓力劇烈影響段長(zhǎng)度平均為17.11m；超前支承壓力峰值最大為17.50MPa，最小為10.36MPa，平均值為14.96MPa；應(yīng)力集中系數(shù)最大為2.19，最小為1.30，平均值為1.87；峰值點(diǎn)位于工作面前方3m處。

[1] 陳炎光,錢(qián)鳴高.中國(guó)煤礦采場(chǎng)圍巖控制[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1994.

[2] 弓培林.大采高采場(chǎng)圍巖控制理論及應(yīng)用研究[D].太原：太原理工大學(xué),2006.

[3] 胡國(guó)偉.大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)特征及控制研究[D].太原：太原理工大學(xué),2006.

[4] 袁文峰.大采高工作面初次來(lái)壓的模擬與研究[D].太原：太原理工大學(xué),2010.

[5] 弓培林,靳鐘銘.大采高采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)特征及運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2004，(1)：7-11.

Study on the overburden activity law of fully mechanized coal face with large mining height

Compared with the general fully mechanized coal mining face, the mining space of fully mechanized coal face with large mining height is large and the movement range of overlying strata is correspondingly larger. In order to obtain the activity law of overburden in fully mechanized mining face of Quandian Coal Mine, the theoretical analysis and numerical simulation method was used to analyze the displacement, collapse state, plastic zone distribution law and the distribution law of advance bearing pressure in working face.

fully mechanized coal face with large mining height; overburden activity; distribution law

TD823.4+94

A

曹廣遠(yuǎn)(1970-)，男，河南永城人，高級(jí)工程師，現(xiàn)任河南神火集團(tuán)興隆礦業(yè)公司總經(jīng)理，主要從事采煤技術(shù)及生產(chǎn)管理工作。