綜放開(kāi)采上覆巖層應(yīng)力分布和運(yùn)移規(guī)律研究

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）

1 工程背景

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。

2 工作面煤巖應(yīng)力分布數(shù)值模擬

2.1 參數(shù)選擇及模型建立

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

2.2 數(shù)值模擬分析

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

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

3.1 測(cè)量方法及測(cè)點(diǎn)布置

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

3.2 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

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

4 結(jié) 論

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。