復采工作面上覆巖層運移規(guī)律及力學分析

孫文棟

（山西省煤炭建設監(jiān)理有限公司，山西 太原 030012）

煤礦開采是我國重要的資源經(jīng)濟，對社會經(jīng)濟影響深遠，是不可或缺的能源產(chǎn)業(yè)。殘余煤層的復采利用可以提高煤礦開采的效率，創(chuàng)造巨大資源效益。完成殘余煤層的復采需要克服很多地質(zhì)因素，煤層松散導致的頂板破碎情況、礦壓情況以及液壓支架的情況都是影響殘余煤層復采的關鍵因素。近年來煤礦復采研究大多圍繞房柱法開采后進行研究，而關于普采作業(yè)形式的殘煤層研究較少，普采作業(yè)形成殘煤區(qū)地質(zhì)結構復雜，頂板及煤壁垮落有可能引起冒頂、片幫等事故，不同區(qū)域的礦壓分布情況也不一樣，因此有必要對此種工作面上覆巖層運移規(guī)律和相應礦壓力學分析進行研究。

1 工作面上覆巖層運移規(guī)律

1.1 復采過程上覆巖層破壞情況

復采過程中頂板的控制，影響二次開采的安全性，因此必須分析普采作業(yè)后上覆巖層的破壞情況。一般來說采空區(qū)的上覆巖層垮落破壞程度可分為垮落帶、裂隙帶以及彎曲下沉帶，三個破壞層又稱縱三帶，如圖1所示。

圖1 上覆巖層破壞情況

采用普采作業(yè)后，縱三帶結構初步形成，開采后長期的擠壓作用使得縱三帶結構基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。復采的時候，采動作用將會使縱三帶的結構發(fā)生改變?？迓鋷ЫY構稀松，再次壓實作用下巖體碎脹系數(shù)降低，垮落帶復采時形成高度會增大，頂板在復采結束后會再度垮落，上覆巖層冒落加劇，導致部分裂隙層巖體失去穩(wěn)定性甚至破碎。裂隙帶巖層經(jīng)過開采后，巖體之間咬合作用減小，摩擦作用減弱，巖層完整性受到破壞，下部分巖層發(fā)生破壞變成垮落帶。彎曲下沉帶在采動作用下彎曲程度加深，有些巖層變?yōu)榱严秾?，但其高度會受到關鍵層的作用而改變較小。

因此可知，復采作用下上覆巖層縱三帶高度都升高，垮落帶高度升高量最突出，上部裂隙帶的穩(wěn)定性也會因采動而降低。

1.2 煤壁前方支承應力分析

復采過程中工作面支承壓力是控制頂板維護的關鍵要素，縱三帶的產(chǎn)生會改變上覆巖層的強度和斷裂情況，這與工作面支承壓力有必然的聯(lián)系。上覆層產(chǎn)生砌體梁結構，由煤壁、液壓支架和冒落矸石組成。上覆巖層通過砌體梁結構作用于工作面前方，煤壁前方支承壓力計算公式如下：

式中：

δ-上覆巖層容重，N/m3；

H1-彎曲帶高度，m；

σ1，σ2-分別為上覆巖層彎曲下沉帶支承壓力和彎曲帶下方巖層支承壓力，Pa；

α1、α2-煤壁彎曲帶前后的應力減小系數(shù)；

α3-彎曲帶下方煤壁應力減小系數(shù)；

P0-采空區(qū)附加載荷，N；

M0-采空區(qū)附加彎矩，N·m；

x-彎曲截面距離，m。

由上述計算公式可以分析出，支承壓力受到上覆巖層破壞程度影響較大，應力衰減系數(shù)α對垮落帶和裂隙帶影響顯著。進行復采時殘煤區(qū)上覆巖層破壞程度大，冒落矸石碎脹系數(shù)低，支架上覆層垮落程度大，巖層抗彎剛度減小，應力衰減系數(shù)提高，垮落帶和裂隙帶支承應力相應降低，高度增加，同樣可以得出進行復采時，縱三帶結構改變使得煤壁前方支承壓力值降低。

2 煤柱前方支承壓力分析

復采過程中，工作面經(jīng)過殘采區(qū)及煤柱區(qū)，前者相對巖層松散，后者結構強度大，整機集中程度高，因此經(jīng)過時支承壓力會變化顯著。為了控制復采過程中圍巖支架的穩(wěn)定性，需要進一步對煤柱前方支承壓力進行分析。工作面到達煤柱區(qū)時，煤柱寬度降低，導致煤柱上方壓力分布出現(xiàn)改變。

（1）互不影響階段

當復采工作面初段到達煤柱后，殘留煤柱寬度大，工作面前方支承壓力與煤柱支承壓力互相無影響。工作面推進過程中，頂板長度增加，超前支承壓力漸漸升高，另外一側支承壓力沒有改變，兩邊支承壓力為非對稱馬鞍型分布，如圖2所示。

圖2 工作面前方支承與煤柱側無影響階段受力情況

（2）相互影響階段

工作面推進過程中，煤柱寬度漸漸變窄，兩邊支承壓力相互影響，形成疊加作用，疊加作用使得煤柱中間應力增加，隨煤柱寬度變窄內(nèi)部應力也達到了極限，煤柱寬度此時為臨界寬度，巖體受力如圖3所示，應力形成平臺型分布。

圖3 煤柱兩側支承壓力影響階段受力情況

（3）壓力疊加煤柱失穩(wěn)階段

回采過程中，煤柱寬度繼續(xù)變窄，兩側支承作用疊加，煤柱寬度低于臨界寬度時，承載水平下降，應力分布如圖4所示，當達到極限強度后，煤柱開始失去穩(wěn)定性，失去支承作用，液壓支架承受壓力將急劇增加，因此應防止液壓支架的損壞現(xiàn)象發(fā)生。

圖4 煤柱失穩(wěn)階段受力情況圖

3 復采工作面模擬分析

為了了解殘煤復采過程中的應力變化情況，應對殘煤復采進行模擬分析，本文以太原東山五龍煤礦3號煤殘采煤層為例，通過專用實驗臺架進行相似模擬實驗。該煤礦3號煤原煤層厚度平均7m，開采厚度3.5m，剩余底煤和頂煤厚度分別為2.3m和1.2m。相似實驗采用相似比為1∶30，分析結果如圖5所示。

圖5 復采工作面推進過程的覆巖垮落變化情況

由圖5可以看出，當工作面推進到20m時左邊出現(xiàn)垮落，殘采部分和煤柱產(chǎn)生分割線，梯形部分出現(xiàn)裂痕增大現(xiàn)象，一部分上覆巖層完全垮落，位于采空區(qū)；由圖5（b）可以看出，殘采巖層全部垮落，煤柱穩(wěn)定性下降，邊緣下沉，支架后方垮落嚴重，頂板完全垮落；由圖5（c）可以看出，煤柱邊緣發(fā)生垮落，垮落占據(jù)了煤柱與殘采區(qū)之間區(qū)域。綜合可知，復采過程垮落帶與裂隙帶會增高，煤柱壓力比其他區(qū)域大，煤柱中部區(qū)域應力集中水平低于兩側，殘采部位支承壓力小，發(fā)生垮落時采空區(qū)載荷更為顯著。

4 結論

本文針對復采工作面推進過程，對工作面的巖層運移情況和液壓支架受力情況進行了分析研究。對上覆巖層復采過程中形成的垮落帶、裂隙帶及彎曲下沉帶的變化情況作了理論分析，結果顯示此縱三帶在復采過程中高度明顯增加，煤壁前方支承壓力會降低。對復采過程煤柱受力情況進行了特征分析，得出工作面推進過程中隨著煤柱寬度的改變，煤柱的應力分布也發(fā)生了改變，且隨著寬度減小到極限值，煤柱支承也逐漸開始失去穩(wěn)定性。對實際復采工作面進行了相似模擬分析，得出了覆巖垮落過程的變化特征，為復采過程中的上覆巖層穩(wěn)定性管理研究提供了理論依據(jù)。