復(fù)合關(guān)鍵層影響下淺埋特厚煤層綜放面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律模擬分析

張祚竟，張 柏

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復(fù)合關(guān)鍵層影響下淺埋特厚煤層綜放面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律模擬分析

張祚竟1，張 柏2

(1.湖南省有色地質(zhì)勘查局二總隊(duì)，湖南 湘潭市 411201；2.長沙迪邁數(shù)碼科技股份有限公司，湖南 長沙 410000)

采用UDEC離散元方法分析了淺埋特厚工作面在開挖掘進(jìn)過程中覆巖移動(dòng)和覆巖內(nèi)垂直應(yīng)力隨復(fù)合關(guān)鍵層破斷的分布變化規(guī)律，結(jié)果表明：金地煤礦1313工作面覆巖關(guān)鍵層破斷次序總體呈現(xiàn)“兩亞一主”交替破斷，關(guān)鍵層復(fù)合效應(yīng)使得工作面來壓強(qiáng)度出現(xiàn)“兩小一大”特征的周期性變化。研究結(jié)論為相似工況下的支護(hù)和掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

復(fù)合關(guān)鍵層；初次破斷距；礦壓顯現(xiàn)特征

我國西部地區(qū)煤炭資源儲(chǔ)量豐富，占全國資源總量的81.3%，其中厚及特厚煤層賦存量占總賦存量的44%以上，是我國煤炭高效生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的重要基礎(chǔ)與保障[1?2]。我國很多學(xué)者[3?6]針對(duì)厚或特厚煤層條件下，工作面和巷道采掘過程中覆巖移動(dòng)規(guī)律和礦壓顯現(xiàn)特征進(jìn)行了研究并取得了許多成果，但現(xiàn)有的文獻(xiàn)較少有涉及復(fù)合關(guān)鍵層影響下淺埋特厚煤層礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究報(bào)道。

本文在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，以金地煤礦1313工作面為研究對(duì)象，在分析其覆巖地層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，采用UDEC離散元分析方法，分析了工作面在開挖掘進(jìn)過程中覆巖移動(dòng)隨復(fù)合關(guān)鍵層破斷的變化規(guī)律和覆巖內(nèi)垂直應(yīng)力隨復(fù)合關(guān)鍵層破斷的變化規(guī)律，進(jìn)而分析工作面掘進(jìn)過程中受復(fù)合關(guān)鍵層影響下的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

1 計(jì)算工況與模擬方案

1.1 計(jì)算工況條件

本文以金地煤礦1313綜放工作面[7]為研究對(duì)象。1313工作面埋深為130~148 m，平均140 m，為淺埋煤層，煤層厚度為11.2~13.2 m，平均厚度為12.4 m。開采煤層系太原組中下部的13#煤，工作面直接頂為砂質(zhì)泥巖；基本頂為粗砂巖，厚度相對(duì)較厚為11.7 m，為亞關(guān)鍵層；煤層上覆存在厚度為21.4 m的細(xì)砂巖，為主關(guān)鍵層。

1.2 計(jì)算模型

UDEC(Universal Distinct Element Code)作為一款新發(fā)展起來的計(jì)算分析程序，以離散單元法為其基本理論，該方法對(duì)于模擬非線性力學(xué)行為的非連續(xù)材料在靜載或動(dòng)載作用下的響應(yīng)過程非常的適用，在巖土工程中得出了廣泛應(yīng)用[8?10]。本文采用UDEC離散元軟件模擬分析金地煤礦1313工作面煤層開采過程中巖層移動(dòng)及礦壓顯現(xiàn)特征。

模型取煤層和頂?shù)装骞?7層，以便于提高運(yùn)算速度和保證計(jì)算精度，從而清晰地分析覆巖移動(dòng)破壞規(guī)律以及煤層和頂?shù)装鍛?yīng)力分布狀態(tài)。經(jīng)過分析判斷本煤系地層中含有兩層關(guān)鍵層，建立如圖1所示的模型。模型取走向×高度=500 m×120.6 m，煤層平均埋深取266.6 m，考慮到開采邊界的影響，煤層兩側(cè)各設(shè)100 m的邊界保護(hù)煤柱。模型共劃分7871個(gè)塊體，35874個(gè)單元和44648個(gè)結(jié)點(diǎn)。

圖1 離散元計(jì)算模型

模型左右邊界施加法向約束；底部邊界施加固定約束條件；將基巖以上表土地層換算成等效荷載，均勻施加在模型上表面。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果可知，模型中各含煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示；計(jì)算模型中各地層的節(jié)理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

1.3 數(shù)值模擬方案

本文重點(diǎn)探討復(fù)合關(guān)鍵層影響下淺埋特厚煤層綜放工作面覆巖破斷特征及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。因此，應(yīng)當(dāng)分析隨著工作面的連續(xù)推進(jìn)，覆巖中關(guān)鍵層的破斷運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及由于關(guān)鍵層的破斷而導(dǎo)致的特厚煤層綜放工作面礦壓顯現(xiàn)的程度，進(jìn)而得出相應(yīng)的規(guī)律，具體實(shí)施方案如下：

表1 模型中含煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

表2 模型中煤巖層節(jié)理力學(xué)參數(shù)

(1) 利用UDEC的初應(yīng)力計(jì)算功能，產(chǎn)生重力場(chǎng)，模擬未開挖前的巖層原始狀態(tài)；

(2) 在初始應(yīng)力場(chǎng)的作用下，采用分步開挖的方式，每步開挖5 m，共40步，模型共開挖200 m，分析綜放工作面不同推進(jìn)距離條件下覆巖移動(dòng)變形隨主、亞關(guān)鍵層破斷的變化規(guī)律；

(3) 在初始應(yīng)力場(chǎng)的作用下，采用分步開挖的方式，每步開挖5 m，共40步，模型共開挖200 m，分析綜放工作面不同推進(jìn)距離條件下覆巖垂直應(yīng)力隨主、亞關(guān)鍵層破斷的分布變化規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 覆巖移動(dòng)特征

根據(jù)數(shù)值模擬方案，針對(duì)工作面連續(xù)推進(jìn)至50，70，90，110，130 m處的覆巖移動(dòng)破壞特征進(jìn)行分析研究。不同連續(xù)推進(jìn)距離條件下工作面上覆巖層垂直位移情況如圖2所示。

工作面在推進(jìn)50 m時(shí)亞關(guān)鍵層的下沉量由零增大至11 m，表明亞關(guān)鍵層發(fā)生了初次垮落，此時(shí)主關(guān)鍵層的下沉量為0.3 m，彎曲下沉仍不明顯；工作面推進(jìn)至70 m時(shí)，亞關(guān)鍵層的最大下沉量為11.5 m，表明此時(shí)亞關(guān)鍵層發(fā)生了第一次周期性垮落，主關(guān)鍵層的下沉量增大至0.8 m；工作面推進(jìn)至90 m時(shí)，亞關(guān)鍵層發(fā)生了第二次周期性垮落，下沉量為12 m，主關(guān)鍵層下沉量增加至3 m，相對(duì)于工作面推進(jìn)70 m時(shí)主關(guān)鍵層下沉量增大了2.2 m，提高幅度為27.5%，表明此時(shí)主關(guān)鍵層發(fā)生初次破斷；工作面推進(jìn)110 m時(shí)，亞關(guān)鍵層發(fā)生第三次周期性垮落，亞關(guān)鍵層最大下沉量為11.5 m，主關(guān)鍵層最大下沉量為4 m；工作面推進(jìn)至130 m時(shí)，亞關(guān)鍵層發(fā)生第四次周期性垮落，亞關(guān)鍵層最大下沉量為12 m，主關(guān)鍵層的下沉量為4 m。由此可知，亞關(guān)鍵層的初次破斷距為50 m左右，周期破斷距約為20 m；主關(guān)鍵層的初次破斷距為90 m左右，周期破斷距約為50 m，這表明了關(guān)鍵層破斷次序總體呈現(xiàn)“兩亞一主”交替破斷。

圖2 不同推進(jìn)距離處采場(chǎng)覆巖垂直位移

圖3 不同推進(jìn)距離煤巖體垂直應(yīng)力分布

2.2 關(guān)鍵層破斷對(duì)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的影響

根據(jù)數(shù)值模擬方案，對(duì)工作面連續(xù)推進(jìn)至50，70，90，110，130 m處的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行分析研究。不同推進(jìn)距離過程中煤巖體垂直應(yīng)力分布情況如圖3 所示。

工作面在布置完成初期，前方最大支承壓力為3.4 MPa，位于工作面前方14 m處，支承壓力影響范圍為20 m；工作面推進(jìn)50 m時(shí)，工作面前方支承壓力最大值為4.3 MPa，位于工作面前方17 m處，支承壓力影響范圍為30 m；工作面推進(jìn)70 m時(shí)，工作面前方支承壓力最大值為4.6 MPa，位于工作面前方16 m處，支承壓力影響范圍為30 m；工作面推進(jìn)90 m時(shí)，工作面前方支承壓力最大值為6.5 MPa，位于工作面前方20 m處，支承壓力影響范圍為40 m；工作面推進(jìn)110 m時(shí)，工作面前方支承壓力最大值為5.0 MPa，位于工作面前方15 m處，支承壓力影響范圍為25 m；工作面推進(jìn)130 m時(shí)，工作面前方支承壓力最大值為5.2 MPa，位于工作面前方15 m處，支承壓力影響范圍為25 m。由此可知，隨著開采范圍的不斷擴(kuò)大工作面前方的支承壓力呈現(xiàn)“較大值?較小值?較大值”的周期性變化規(guī)律，較小超前支承壓力變化周期約為工作面向前推進(jìn)20 m，較大值變化周期約為工作面向前推進(jìn)50 m，而亞關(guān)鍵層的周期垮落步距約為20 m，主關(guān)鍵層的周期垮落步距約為50 m，隨著單亞關(guān)鍵層垮落工作面前方的支撐壓力較小，主關(guān)鍵層與亞關(guān)鍵層同步破斷對(duì)工作面前方應(yīng)力的分布影響較大，這表明由于主、亞關(guān)鍵層的周期失穩(wěn)，使得工作面來壓強(qiáng)度出現(xiàn)“兩小一大”特征的周期性變化。

3 結(jié) 論

本文以金地煤礦1313工作面為背景，采用UDEC離散元數(shù)值模擬軟件，對(duì)復(fù)合關(guān)鍵層影響下的淺埋特厚煤層開挖過程中礦壓顯現(xiàn)特征進(jìn)行了模擬分析，得出以下結(jié)論：

(1) 亞關(guān)鍵層初次破斷距50 m，周期破斷步距為20 m；主關(guān)鍵層初次破斷距90 m，周期破斷步距為50 m；關(guān)鍵層破斷次序總體呈現(xiàn)“兩亞一主”交替破斷。

(2) 關(guān)鍵層復(fù)合效應(yīng)使得工作面來壓強(qiáng)度出現(xiàn)“兩小一大”特征的周期性變化，超前支承壓力的大小及影響范圍隨工作面推進(jìn)不斷變化，峰值為 4.3~ 7.2 MPa，平均7.0 MPa；影響范圍為20~40 m，平均為33 m。

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(2018?09?02)

張祚竟(1990—)，男，助理工程師，碩士研究生，主要從事礦山地下開采工作，Email：411515885@qq.com。