陰 鵬 飛
(山西焦煤西山煤電股份有限公司西曲礦,山西 古交 030200)
綜采放頂煤開(kāi)采技術(shù)是我國(guó)厚煤層開(kāi)采的主要方法之一,具有巷道掘進(jìn)工程量小、井下材料節(jié)約等一系列優(yōu)點(diǎn),但同時(shí)會(huì)造成采空區(qū)遺煤多等問(wèn)題,其煤炭采出率并不高。深入研究厚煤層綜放開(kāi)采情況下頂板覆巖應(yīng)力分布和運(yùn)移動(dòng)規(guī)律,對(duì)提高放頂效率、優(yōu)化放頂煤技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)參考意義。
圖1 綜放工作面布置示意圖
本文以三元煤礦綜采放頂煤104# 工作面為實(shí)際工程背景,該綜放工作面位于5 號(hào)煤層,標(biāo)高+860- 973 m, 平均埋深 400 m。 其煤層傾角為4~11°,平均傾角8°,較為平緩,煤層近水平分布。工作面煤層總厚度約為11 m,走向總長(zhǎng)度約為2100 m,傾向總長(zhǎng)度190 m。其布置示意圖如圖1 所示。
104# 綜采工作面北側(cè)是另一個(gè)綜放工作面103#,西側(cè)的102#綜放面已經(jīng)回采完畢,東側(cè)的106#采面尚未開(kāi)始回采。
為研究回采過(guò)程中頂板上覆巖層應(yīng)力分布和變形運(yùn)移規(guī)律,文中主要從兩個(gè)方面對(duì)目標(biāo)綜放工作面模型進(jìn)行模擬研究。
1)上覆巖層應(yīng)力沿綜放面傾向的分布情況、塑性區(qū)分布情況;
2)上覆巖層垂直應(yīng)力分布沿煤層走向的分布變化情況。
表1 參數(shù)設(shè)置表
結(jié)合實(shí)際工程背景和FlAC3D數(shù)值模擬合理需要,將模型長(zhǎng)×寬×高分別取值400m×400m×350m,模擬參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1,模型如圖2 所示。
圖2 模型圖
圖3 為綜放面推進(jìn)30 m 時(shí)候,工作面中部上覆巖層塑性破壞區(qū)分布例圖,整體而言綜放面的上、中、下不同部位的覆巖塑性破壞區(qū)分布基本相似,不存在大的差別,范圍均為6 m 左右,但隨工作面繼續(xù)推進(jìn),應(yīng)力逐漸在工作面前方和采空區(qū)部位集中。
圖3 模型應(yīng)力塑性區(qū)分布圖
圖4 為模型垂直應(yīng)力分布云圖,由圖4 可以看出受采動(dòng)影響,綜放面下部區(qū)域應(yīng)力較為集中,礦壓顯現(xiàn)較中、上部區(qū)域明顯,這是由于其下部的702 采空區(qū)造成的圍巖的側(cè)向應(yīng)力與放頂開(kāi)采采動(dòng)應(yīng)力相互疊加,造成更大程度的應(yīng)力集中。
圖4 垂直應(yīng)力分布區(qū)域圖
隨綜放工作面的開(kāi)采推進(jìn),應(yīng)力集中在工作面前方覆巖和采空區(qū)覆巖處明顯凸顯。由圖5 可以看出,應(yīng)力最高峰值約為8MPa,出現(xiàn)在距煤壁距離約9m處。采動(dòng)應(yīng)力影響的范圍大約為30m 左右。
而隨工作面繼續(xù)推進(jìn),應(yīng)力峰值逐步降低且趨于平緩,應(yīng)力集中范圍縮小,采動(dòng)影響超前距離有所減小,影響范圍區(qū)域較為穩(wěn)定。
圖5 工作面頂板巖層超前壓力分布
為驗(yàn)證模擬方法的科學(xué)適用性,本文對(duì)工作面上覆巖層實(shí)際位移量進(jìn)行測(cè)量,驗(yàn)證采動(dòng)應(yīng)力在上覆圍巖的集中分布情況。測(cè)量思路是在頂板中布置鉆孔,安裝逆止爪,隨著工作面的推進(jìn)可以記錄頂板和頂煤距煤壁的總位移。所布置鉆孔直徑60 mm,間距6 m,共6 個(gè),鉆孔內(nèi)部布置設(shè)點(diǎn),從工作面大約120 m 處開(kāi)始布置,鉆孔示意圖見(jiàn)圖6。
圖6 鉆孔測(cè)點(diǎn)布置圖
將6 個(gè)鉆孔的6 個(gè)測(cè)點(diǎn)分為3 個(gè)基站組,每個(gè)基站組包含2 個(gè)測(cè)點(diǎn),所測(cè)得數(shù)值取平均范圍,會(huì)縮小測(cè)量結(jié)果的誤差。圖7 為測(cè)點(diǎn)分組后測(cè)得的覆巖實(shí)際運(yùn)移量。由圖7 可以看出,3 組測(cè)點(diǎn)所測(cè)得工作面上覆巖層受采動(dòng)影響開(kāi)始運(yùn)移的位置均為距工作面距離30 m 左右處位置,位移量最大的位置均出現(xiàn)在采空區(qū)后方約8.5 m 處,均與前文數(shù)值模擬結(jié)果吻合。由圖7 還可以看出,上覆巖層最大位移達(dá)分別為375mm、425mm、575mm 左右。
圖7 位移觀測(cè)圖
1)工作面推進(jìn)30m 左右時(shí),綜放面的上、中、下不同部位的覆巖塑性破壞區(qū)分布基本相似,不存在大的差別,破壞范圍均為6m 左右。
2)受采動(dòng)影響,綜放面下部區(qū)域應(yīng)力較為集中,礦壓顯現(xiàn)較中、上部區(qū)域明顯,這是由于下部702 采空區(qū)造成的圍巖的側(cè)向應(yīng)力與放頂開(kāi)采采動(dòng)應(yīng)力相疊加所造成的。
3)通過(guò)在頂板鉆孔安裝測(cè)點(diǎn),測(cè)得覆巖實(shí)際運(yùn)移量。結(jié)果顯示綜放面上覆巖層受采動(dòng)影響開(kāi)始運(yùn)移的位置均出現(xiàn)在為距工作面距離30m 左右處位置,位移量最大的位置出現(xiàn)在采空區(qū)后方約8.5m 處,上覆巖層最大位移達(dá)分別為375 mm、425 mm、575 m,實(shí)測(cè)結(jié)果與Flac3D數(shù)值模擬結(jié)果一致。