深部厚煤層走向支承壓力動(dòng)態(tài)分析

劉 玥

(山西大同大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，山西省大同市，037003)

厚煤層開(kāi)挖形成大面積的采出空間，采空區(qū)頂板發(fā)生變形、垮落等現(xiàn)象，巖梁隨之發(fā)生周期性斷裂、下沉，原巖應(yīng)力重新分布。因此，支承壓力是揭示回采巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，設(shè)計(jì)超前支護(hù)形式，優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，確定合理的煤柱尺寸及停采線(xiàn)位置，監(jiān)測(cè)頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律，確定頂板周期來(lái)壓步距和臨空巷道掘進(jìn)時(shí)機(jī)的關(guān)鍵依據(jù)之一。目前，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)于巷道支承壓力的演化過(guò)程多以數(shù)值模擬、理論分析為主要研究方法，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)主要局限于靜態(tài)的對(duì)巷幫煤體側(cè)向支承壓力進(jìn)行分析，而對(duì)于巷道兩幫的走向支承壓力動(dòng)態(tài)研究相對(duì)較少。張震等通過(guò)電磁波CT支承壓力靜態(tài)探測(cè)發(fā)現(xiàn)，由于上覆巖層破斷的周期性及回轉(zhuǎn)的不均衡性，在采動(dòng)影響范圍內(nèi)，采空區(qū)側(cè)向支承壓力沿走向方向呈現(xiàn)間隔局部承載的不連續(xù)性，分布形態(tài)是以某區(qū)域?yàn)槌休d中心向煤柱未破壞區(qū)近似弧形輻射分布，距離承載中心越遠(yuǎn)，支承壓力越小。劉金海等對(duì)新巨龍礦1301工作面走向及側(cè)向巷幫煤體垂直應(yīng)力進(jìn)行實(shí)測(cè)，結(jié)果表明，深井特厚煤層綜放工作面走向支承壓力峰值位置到煤壁的距離及巷幫煤體側(cè)向支承壓力峰值位置到巷幫的距離比一般工作面大，巷幫煤體側(cè)向支承壓力峰值出現(xiàn)在采空區(qū)后方，回采期間巷幫煤體垂直應(yīng)力的變化沿走向可分為應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)、應(yīng)力峰值區(qū)、應(yīng)力降低區(qū)、二次升高區(qū)和應(yīng)力蠕變區(qū)。任艷芳等通過(guò)數(shù)值模擬、相似材料模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析后發(fā)現(xiàn)，淺埋深工作面超前支承壓力峰值變化受基本頂破斷與斷裂帶導(dǎo)通地表的周期性發(fā)生影響，存在大小周期性變化。

本文以東部地區(qū)某礦1310工作面為工程背景，通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬的方法，對(duì)深部厚煤層走向支承壓力進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，為煤柱留設(shè)的合理寬度、巷道走向支承壓力變化特征以及周期來(lái)壓步距的有效確定提供參考依據(jù)。

1 工程地質(zhì)概況

1310工作面所采煤層為下二疊系月門(mén)溝統(tǒng)山西組底部3號(hào)煤，含鏡煤條帶，屬半亮型煤，煤層傾角3°～12°,平均7°。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，距頂板2.8～3.0 m處發(fā)育一厚0.03 m炭質(zhì)泥巖夾矸。煤層厚度7.1～11.1 m，平均8.5 m，普氏硬度f(wàn)=2.3。

2 深部厚煤層走向支承壓力現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及特征分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案

在1310工作面運(yùn)輸平巷生產(chǎn)幫一側(cè)布置5組測(cè)站，分別為測(cè)站I、測(cè)站II、測(cè)站III、測(cè)站IV、測(cè)站V，測(cè)站與測(cè)站之間間隔30 m(測(cè)站IV與測(cè)站V之間由于受非生產(chǎn)幫布置側(cè)向支承壓力測(cè)站的影響間隔60 m)，其中測(cè)站I距離1310切眼導(dǎo)硐334 m。每組測(cè)站布置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)分別為I-1、I-2、II-1、II-2、III-1、III-2、IV-1、IV-2、V-1、V-2，其中每組測(cè)站中，深孔測(cè)點(diǎn)孔深14 m，淺孔測(cè)點(diǎn)孔深8 m，且兩個(gè)測(cè)點(diǎn)間隔距離為0.5 m，測(cè)點(diǎn)布孔位置位于巷幫中部，鉆孔垂直布置，安裝鉆孔應(yīng)力計(jì)，實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)支承壓力變化情況。當(dāng)工作面推進(jìn)至距測(cè)站I25 m時(shí)，開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)，且每推進(jìn)20 m記錄1次數(shù)據(jù)，連續(xù)監(jiān)測(cè)60 d。

2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

連續(xù)60 d對(duì)1310工作面?zhèn)认蛑С袎毫M(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)期間工作面共推進(jìn)114 m，1310工作面?zhèn)认蛑С袎毫Ψ植记€(xiàn)圖如圖1所示。

圖1 1310工作面走向支承壓力分布曲線(xiàn)圖

由圖1(a)可以看出，孔深14 m時(shí)，隨工作面前方到煤壁距離的增加，走向支承壓力變化較明顯。其中，當(dāng)工作面推進(jìn)距離為20 m時(shí)，0～100 m范圍內(nèi)支承壓力穩(wěn)中有升，但波動(dòng)幅度不大，100～120 m范圍內(nèi)支承壓力迅速增加，且在煤壁前方120 m處達(dá)到峰值7.19 MPa，后隨煤壁到煤壁前方距離的增大而逐漸減??；當(dāng)工作面推進(jìn)距離為40 m時(shí)，煤壁處的支承壓力最大，為5.8 MPa，后隨煤壁前方到煤壁的距離的增大而逐漸減小為5.02 MPa；當(dāng)工作面推進(jìn)距離為60 m時(shí)，支承壓力波動(dòng)幅度較劇烈，在煤壁前方65 m處和125 m處均達(dá)到峰值，且峰值點(diǎn)接近，分別為8.56 MPa和8.58 MPa，隨后迅速大幅下降。

由圖1(b)可以看出，孔深8 m時(shí)，當(dāng)工作面推進(jìn)20 m時(shí)，支承壓力平穩(wěn)升高，在煤壁前方125 m處達(dá)到峰值7.18 MPa，后開(kāi)始下降；工作面推進(jìn)40 m時(shí)，支承壓力的變化異常，在工作面前方25 m和45 m處降至0 MPa，后快速上升至5 MPa，然后趨于穩(wěn)定狀態(tài)；工作面推進(jìn)60 m時(shí)，支承壓力分布曲線(xiàn)的變化情況與工作面推進(jìn)20 m時(shí)基本相同，在煤壁前方125 m處達(dá)到峰值7.42 MPa。

綜上所述，1310工作面走向支承壓力與煤壁前方到煤壁的距離和鉆孔應(yīng)力計(jì)的埋深都有密切聯(lián)系。就深孔而言，支承壓力的變化特征與工作面的推進(jìn)距離關(guān)系密切，工作面推進(jìn)20 m時(shí)，由于頂板尚未破斷，支承壓力在煤壁前方125 m處達(dá)到峰值，說(shuō)明釆動(dòng)基本影響范圍為125 m；當(dāng)推進(jìn)距離為40 m時(shí)，此時(shí)由于頂板回轉(zhuǎn)式斷裂，支承壓力持續(xù)減小；推進(jìn)距離為60 m時(shí)，頂板垮落已趨于穩(wěn)定狀態(tài)，但由于頂板跨度較大，產(chǎn)生回旋破斷裂隙的時(shí)候會(huì)對(duì)下部煤體來(lái)壓，從而導(dǎo)致支承壓力在距離工作面前方40 m處出現(xiàn)峰值；就淺孔而言，1310工作面的釆動(dòng)影響距離為125 m，推進(jìn)至40 m時(shí)，由于頂板發(fā)生回轉(zhuǎn)式破斷，鉆孔應(yīng)力計(jì)暫時(shí)未受到力的作用，頂板全部垮落完畢，煤體重新受壓，由于應(yīng)力的重新分布，且均勻分布在受壓煤體上，支承壓力也隨之趨于穩(wěn)定。

3 深部厚煤層走向支承壓力數(shù)值模擬及結(jié)果分析

利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，根據(jù)1310工作面煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)情況，建立數(shù)值模型進(jìn)行分析1310工作面走向支承壓力分布規(guī)律及變化特征。

3.1 數(shù)值模型建立及模擬方案

根據(jù)1310工作面實(shí)際地質(zhì)條件和工作面布置方式，建立模型尺寸為300 m×300 m×300 m的數(shù)值計(jì)算模型，模型共劃分27000000個(gè)單元，網(wǎng)格劃分如圖2所示。模擬側(cè)面邊界及下面邊界采用位移邊界條件，上面邊界采用自由邊界條件，覆巖施加在上邊界的質(zhì)量用垂直應(yīng)力替代，經(jīng)計(jì)算為300 MPa，均勻施加在整個(gè)模型邊界上。用水平應(yīng)力代替地層中存在的復(fù)雜構(gòu)造應(yīng)力，共進(jìn)行3組模擬，用于模擬工作面推進(jìn)20 m、40 m和60 m情況下走向支承壓力的變化特征。

圖2 數(shù)值模型圖

3.2 模擬結(jié)果及分析

工作面推進(jìn)支承壓力(部分結(jié)果)分布云圖如圖3所示。

圖3 工作面推進(jìn)支承壓力(部分結(jié)果)分布云圖

由圖3可知，當(dāng)工作面推進(jìn)20 m時(shí)，工作面上方出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)，應(yīng)力降低較小，工作面左右兩幫應(yīng)力集中范圍較小，由于受釆動(dòng)影響小的緣故，工作面直接頂應(yīng)力波動(dòng)范圍小，工作面上方17.12 m范圍內(nèi)應(yīng)力變化明顯，最大垂直應(yīng)力為28.26 MPa；當(dāng)工作面推進(jìn)40 m時(shí)，工作面上方應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸明顯，兩幫應(yīng)力集中范圍區(qū)域顯著增大，直接頂應(yīng)力變化范圍開(kāi)始增大，最大應(yīng)力增至30 MPa；當(dāng)工作面推進(jìn)60 m時(shí)，工作面上方應(yīng)力集中現(xiàn)象進(jìn)一步顯現(xiàn)，且應(yīng)力集中區(qū)域有上升趨勢(shì)，工作面左右兩幫應(yīng)力集中范圍收縮，直接頂應(yīng)力變化范圍擴(kuò)大，最大應(yīng)力增至峰值34.24 MPa。

圖4 1310工作面垂直應(yīng)力分布模擬曲線(xiàn)

1310工作面垂直應(yīng)力分布模擬曲線(xiàn)如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)孔深14 m時(shí)，隨煤壁前方到煤壁距離的增加，3條曲線(xiàn)都經(jīng)歷了先增大后趨于穩(wěn)定的過(guò)程。其中，當(dāng)工作面推進(jìn)距離為20 m時(shí)，相對(duì)另外兩條曲線(xiàn)而言，初始的垂直應(yīng)力最高，為15.35 MPa，在距離煤壁前方0～20 m范圍內(nèi)迅速升高，在煤壁前方20 m處達(dá)到最大值26.50 MPa，后隨煤壁前方到煤壁距離的增加逐漸穩(wěn)定于23.75 MPa；當(dāng)工作面推進(jìn)距離為40 m時(shí)，初始垂直應(yīng)力最小，為12.43 MPa，在煤壁前方20 m處升至最大值29 MPa，后隨著到煤壁前方距離的增加，垂直應(yīng)力呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，最終趨于穩(wěn)定值23.75 MPa；當(dāng)工作面推進(jìn)距離為60 m時(shí)，初始垂直應(yīng)力為12.57 MPa，煤壁前方0～20 m范圍內(nèi)垂直應(yīng)力迅速增高，在煤壁前方20 m達(dá)到最大值31 MPa，后隨煤壁前方到煤壁距離的增加而穩(wěn)定于23.75 MPa；當(dāng)孔深14 m時(shí)，3條曲線(xiàn)走勢(shì)情況與孔深8 m時(shí)基本相同，但支承壓力峰值較低。

綜上可知，隨工作面前方到煤壁之間距離增大，垂直應(yīng)力在一定范圍內(nèi)迅速升高，達(dá)到峰值后，隨著工作面前方到煤壁之間距離的繼續(xù)增大，垂直應(yīng)力趨于穩(wěn)定，模擬結(jié)果顯示，垂直應(yīng)力在煤壁前方約130 m處穩(wěn)定于23.75 MPa，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)釆動(dòng)影響范圍大致相同。

4 結(jié)論

(1)走向支承壓力隨煤壁前方到煤壁之間距離的增大而逐漸增大，在煤壁前方125 m處達(dá)到峰值后迅速下降，釆動(dòng)影響范圍為125 m。

(2)走向支承壓力的變化情況與頂板破斷過(guò)程關(guān)系密切。頂板斷裂前，支承壓力逐漸增大；頂板產(chǎn)生回轉(zhuǎn)式破斷時(shí)，支承壓力減??；頂板斷裂下沉穩(wěn)定后，支承壓力也逐漸趨于穩(wěn)定。

(3)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，隨工作面前方到煤壁間距離增大，支承壓力在煤壁前方20 m范圍內(nèi)迅速升高，達(dá)到峰值后，隨著工作面前方到煤壁之間距離的繼續(xù)增大，垂直應(yīng)力最終在煤壁前方130 m處趨于穩(wěn)定，且穩(wěn)定值與工作面推進(jìn)距離無(wú)關(guān)，均為23.75 MPa。