大傾角煤層不規(guī)則工作面支承壓力演化特征

國林東，牛心剛,3，陸占金

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037；3.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001)

研究與實(shí)踐表明，大傾角煤層(35°～55°)是國際公認(rèn)難采煤層[1-3]。大傾角煤層開采礦壓顯現(xiàn)特征及頂板運(yùn)移又是煤炭領(lǐng)域基礎(chǔ)性研究課題[4]。近年來，受礦井開采地質(zhì)構(gòu)造和賦存條件影響，大傾角煤層不規(guī)則工作面開采增多，在實(shí)際開采過程中存在許多技術(shù)難題。隨著煤層傾角的變化，由短到長不規(guī)則工作面銜接面前后應(yīng)力波動較大，覆巖破壞嚴(yán)重。因此，急需對大傾角煤層不規(guī)則工作面采動應(yīng)力演化特征進(jìn)行研究。

相關(guān)科技人員針對大傾角煤層規(guī)則與不規(guī)則工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律做了大量工作。趙洪亮等[5]采用UDEC數(shù)值模擬軟件分析了大傾角工作面頂?shù)装宓奈灰坪蛻?yīng)力變化；伍永平等[6-7]揭示了大傾角煤層工作面傾向支承壓力具有非對稱特征；王紅偉等[8]基于數(shù)值計(jì)算分析，獲得了大傾角煤層開采三維空間應(yīng)力拱殼形態(tài)；劉金海等[9]分析了C型工作面支承壓力分布特征；王新豐[10]、高明中[11]等比較分析了3種工作面長度條件下工作面支承壓力分布特征，探討了工作面前方支承壓力與水平應(yīng)力的動態(tài)演化過程。

綜上可知，現(xiàn)有研究成果主要集中在大傾角煤層規(guī)則工作面或緩傾斜不規(guī)則工作面的支承壓力演化方面，對大傾角煤層不規(guī)則工作面支承壓力演化研究較少。為實(shí)現(xiàn)該條件工作面安全高效開采，豐富礦壓理論，筆者采用數(shù)值模擬研究方法，分析了不同傾角條件下工作面銜接段前后走向和傾向支承壓力的動態(tài)演化過程及其特征。

1 數(shù)值計(jì)算模型與參數(shù)

為研究變長工作面在不同傾角條件下支承壓力三維演化規(guī)律，結(jié)合淮南潘北礦地質(zhì)與工程資料，考慮模擬需要，建立5種傾角(25°、30°、35°、40°、45°)三維尺寸為290 m(走向)×200 m(傾向)×250 m(高度)的FLAC 3D數(shù)值計(jì)算模型。采用M-C本構(gòu)模型，模型四邊和底部采用位移邊界，頂部為自由邊界并施加8.0 MPa模型上覆未模擬巖層載荷。采用弱化材料滯后20 m充填采空區(qū)，用以模擬采空區(qū)垮落充填。由于大傾角工作面頂板垮落不均勻[12]，在工作面上方10 m內(nèi)不充填。

工作面推進(jìn)方向(y軸)兩邊各留30 m的保護(hù)煤柱。變長工作面由工作面長70 m、走向長180 m逐漸過渡為工作面長140 m、走向長50 m。為真實(shí)反映煤巖體賦存狀況，共模擬11層巖層，數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示。煤巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。

(a)立體模型

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)

為使模擬結(jié)果更加符合現(xiàn)場工作面開采實(shí)際，先開挖巷道，待計(jì)算平衡后再開挖工作面。煤層回采過程實(shí)質(zhì)上是工作面頂板和煤壁前方應(yīng)力調(diào)整、演化的過程[13]。隨著工作面不斷推進(jìn)，采場支承壓力也相應(yīng)出現(xiàn)規(guī)律性變化，若工作面面長和煤層傾角發(fā)生改變，則工作面走向和傾向支承壓力也將相應(yīng)改變[14-15]。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 工作面走向支承壓力演化特征

為確定銜接面前后10～40 m(推進(jìn)170～220 m)，不同傾角(25°、30°、35°、40°、45°)條件下工作面支承壓力隨工作面走向距離演化關(guān)系，提取不同煤層傾角工作面煤層上方2 m處上中下部支承壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖2所示。

(a)走向推進(jìn)至170 m

由圖2可知，工作面上部隨著走向距離增加，不同煤層傾角條件下采空區(qū)支承壓力為1 MPa左右，煤壁前方支承壓力為11～13 MPa；工作面中部與下部隨著走向距離增加，不同煤層傾角條件下銜接面后方采空區(qū)支承壓力約為2～5 MPa，銜接面前方采空區(qū)支承壓力呈現(xiàn)“勺型”釋放形態(tài)，支承壓力大小隨走向距離增加逐漸減小至1 MPa左右，相比工作面上部煤壁前方支承壓力峰值增大，開始受到采場過渡段面長效應(yīng)影響；銜接面后方采空區(qū)支承壓力大小隨煤層傾角增大而不斷減小，當(dāng)走向推進(jìn)至 190 m 后，銜接面前方采空區(qū)支承壓力大小隨煤層傾角增大而不斷增大。

2.2 工作面傾向支承壓力演化特征

為分析工作面傾向支承壓力演化過程，記錄了工作面走向推進(jìn)至170、190、200、220 m時(shí)，工作面在不同煤層傾角條件下煤壁后方2 m處傾向支承壓力大小，如圖3所示。

(a)走向推進(jìn)至170 m

由圖3可知，當(dāng)走向推進(jìn)至170 m時(shí)，工作面運(yùn)輸巷煤柱側(cè)向支承壓力峰值為15～17 MPa，煤柱側(cè)向支承壓力隨煤層傾角增大而增大；當(dāng)走向推進(jìn)至190 m時(shí)，工作面面長由70 m增大至140 m，工作面運(yùn)輸巷煤柱側(cè)向支承壓力峰值急劇減小為14 MPa左右，工作面頂板傾向支承壓力波動較大，其值為 3～10 MPa；當(dāng)走向推進(jìn)至200 m及以上時(shí)，工作面運(yùn)輸巷煤柱側(cè)向支承壓力逐漸增大，面長效應(yīng)減弱，工作面頂板傾向支承壓力波動范圍減小，并逐漸趨于穩(wěn)定；在工作面推進(jìn)過程中回風(fēng)巷煤柱側(cè)向支承壓力變化較小，支承壓力為12～14 MPa，基本不受銜接面面長效應(yīng)影響，回風(fēng)巷煤柱側(cè)向支承壓力峰值隨煤層傾角增大而減小。

2.3 工作面三維支承壓力演化特征

為直觀反映工作面走向推進(jìn)過程中支承壓力三維演化特征，利用FLAC中Fish語言提取煤層傾角為25°、35°、45°整煤層支承壓力數(shù)據(jù)(自上往下依次推進(jìn)170、190、200、220 m)，并導(dǎo)入Sufer三維繪圖軟件，生成不同推進(jìn)距離下的三維支承壓力云圖，如圖4 所示。

圖4 工作面三維支承壓力演化

由圖4可知，當(dāng)走向推進(jìn)至170 m時(shí)，工作面下部煤壁前方超前支承壓力鋸齒高度隨煤層傾角增大而升高；當(dāng)走向推進(jìn)至190 m時(shí)，工作面煤壁前方超前支承壓力出現(xiàn)上大下小的曲面形態(tài)；當(dāng)走向推進(jìn)至200 m以后這種曲面形態(tài)逐漸消失；當(dāng)工作面面長從70 m增加至140 m后，工作面前方超前支承壓力逐漸增大，表現(xiàn)為煤層傾角35°與45°的超前支承壓力峰值低于25°時(shí)的超前支承壓力。

2.4 工作面煤壁前方超前支承壓力演化特征

為分析工作面煤壁前方超前支承壓力隨走向推進(jìn)的演化特征，提取了工作面煤壁前方1 m處支承壓力數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 支承壓力與工作面走向距離關(guān)系

由圖5可知，煤壁前方支承壓力變化趨勢呈現(xiàn)出工作面中部最大、上部最小的特點(diǎn)，另外，隨走向距離增大，超前支承壓力的演化經(jīng)歷了5個(gè)階段：0～70 m超前支承壓力隨走向距離的增大而增大，推進(jìn)至 70 m 處支承壓力首次出現(xiàn)峰值；70～100 m超前支承壓力隨走向距離增大而降低；100～140 m超前支承壓力隨走向距離的增大而增大，推進(jìn)至140 m處超前支承壓力再次出現(xiàn)峰值；140～180 m超前支承壓力隨走向距離增大而降低；180 m以后超前支承壓力隨走向距離的增大而增大。

3 結(jié)論

1)大傾角煤層不規(guī)則工作面支承壓力演化特征模擬結(jié)果表明，工作面走向與傾向支承壓力形成過程具有一致性，而工作面不同區(qū)域支承壓力演化特征受煤層傾角影響表現(xiàn)出不一致性，工作面下部表現(xiàn)更為突出。

2)工作面三維支承壓力云圖表明，工作面銜接段10～40 m內(nèi)支承壓力呈現(xiàn)過度集中的特點(diǎn)，工作面在此回采階段易出現(xiàn)片幫冒頂及支架失穩(wěn)情況。

3)工作面煤壁超前支承壓力演化受傾角與走向推進(jìn)距離共同影響，表現(xiàn)出工作面中部超前支承壓力最大的特點(diǎn)，且走向推進(jìn)至70 m和140 m時(shí)，超前支承壓力出現(xiàn)峰值，采場覆巖活動將加劇。