魏寶貞 石文朋 陳兆生
(兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦,山東 鄒城 273500)
堅(jiān)硬頂板工作面受上覆堅(jiān)硬巖層特性影響,開采期間前方應(yīng)力集中程度更高,更易導(dǎo)致沖擊地壓事故、頂板事故等礦山災(zāi)害的發(fā)生。學(xué)者們對(duì)工作面超前支承壓力相關(guān)問題做了大量研究,取得了頗為豐碩的成果[1-6]。礦井實(shí)際開采中堅(jiān)硬頂板工作面影響條件更為復(fù)雜,各種影響因素權(quán)重不同,對(duì)工作面超前支承壓力的影響更加不同。為此通過數(shù)值模擬及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)影響堅(jiān)硬頂板工作面超前支承壓力的4 種主要因素進(jìn)行分析,確定其影響程度,對(duì)合理設(shè)計(jì)超前支護(hù)參數(shù)及預(yù)防礦井災(zāi)害發(fā)生具有重要意義。
運(yùn)河煤礦6304 工作面北臨6302 工作面采空區(qū),南面靠近-725 西翼膠帶大巷,南部135 m 左右為另一礦井3312 工作面采空區(qū)。煤層直接頂為粉砂巖,厚度較薄,僅為1 m 左右;基本頂為細(xì)砂巖,厚度約為15 m,屬于堅(jiān)硬厚巖層。工作面標(biāo)高-600~-760 m 之間,地面標(biāo)高為+35.62~ +36.86 m 之間,工作面平均埋深約716 m。位置平面圖如圖1。
圖1 6304 工作面位置平面圖
根據(jù)6304 工作面現(xiàn)場地質(zhì)條件, 利用UDEC2D 軟件進(jìn)行模擬。確定數(shù)值計(jì)算模型尺寸為250 m×100 m(長×寬),模型采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型,在模型x、y 方向上施加水平約束,底部施加垂直約束,頂部為自由邊界,最后需要在模型頂部施加豎直方向的等效荷載模擬上覆巖層的自重。考慮到邊界效應(yīng)的影響,兩邊界處留有30 m寬的煤柱。
為研究開采深度、采高、直接頂厚度、基本頂厚度4 種不同因素對(duì)堅(jiān)硬頂板工作面超前支承壓力變化程度的影響,以6304 工作面實(shí)際開采地質(zhì)條件作為基準(zhǔn)方案,設(shè)計(jì)8 種差異化對(duì)比方案,具體參數(shù)見表1。
表1 模擬方案參數(shù)表
模型開挖方向由左至右,模擬開采步距3 m,分別記錄工作面推進(jìn)至一次見方(39 m)、二次見方(81 m)區(qū)域時(shí)的前方支承壓力變化數(shù)據(jù),便于下一步分析。
分析圖2 可知:工作面推進(jìn)39 m 時(shí),在不同因素影響下,工作面超前支承壓力呈現(xiàn)出截然不同的分布規(guī)律。對(duì)比不同方案可得:
(1)方案1、2 與基準(zhǔn)方案對(duì)比可知,隨著工作面開采深度的增加,工作面超前支承壓力也呈增長趨勢。峰值位置隨采深的增加有逐漸向工作面后方轉(zhuǎn)移的趨勢,采深500 m 和900 m 時(shí)峰值相差約22.96 MPa,說明開采深度對(duì)工作面的超前支承壓力有較大的影響。
(2)方案3、4 與基準(zhǔn)方案對(duì)比可知,工作面采高為3 m、5 m、7 m 時(shí),應(yīng)力峰值位置分別在工作面前方3.71 m、12.86 m、18.92 m 處,兩者呈正相關(guān)關(guān)系;峰值大小同樣與采高呈正相關(guān)關(guān)系,但數(shù)值差距僅為0.07~0.31 MPa。
(3)方案5、6 與基準(zhǔn)方案對(duì)比可知,所模擬的三種堅(jiān)硬頂板厚度條件下超前支承壓力整體變化趨勢不大,峰值大小也基本一致,但應(yīng)力集中范圍不同,堅(jiān)硬頂板巖層越厚,其應(yīng)力集中范圍越大。
(4)方案7、8 與基準(zhǔn)方案對(duì)比可知,隨著直接頂厚度增加,峰值開始出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象,出現(xiàn)了一大一小兩個(gè)峰值,應(yīng)力出現(xiàn)先增后降再增再降的趨勢。直接頂厚度擴(kuò)大兩倍和三倍時(shí)的波動(dòng)曲線類似,兩者峰值大小均比直接頂1 m 時(shí)的大1.52~7.16 MPa左右。
圖2 推進(jìn)39 m 支承壓力變化曲線
分析圖3 可以看出:隨著工作面推進(jìn)距離增加到81 m,9 種模擬方案其超前支承應(yīng)力都有不同程度的增加并出現(xiàn)了雙峰值波動(dòng)變化,具體情況如下:
(1)隨著工作面繼續(xù)推進(jìn),不同開采深度條件下工作面超前支承壓力均有所上升,但整體變化趨勢與推進(jìn)距離39 m 時(shí)相差不大。采高為3 m 時(shí)峰值靠近煤壁約4.4 m,隨著采高增大峰值后移,峰值差距范圍較39 m 推進(jìn)距離時(shí)增大到1.61~4.32 MPa,其支承壓力大小與采高呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,采高越大超前支承壓力越小。
(2)由圖3 可以看出,當(dāng)工作面推進(jìn)81 m 時(shí),隨著堅(jiān)硬頂板厚度的增加,工作面超前支承壓力呈現(xiàn)上升趨勢。由此可知,堅(jiān)硬頂板越厚,垮落難度越大,造成應(yīng)力集中的程度越高。圖3 中變化最為明顯的是不同直接頂厚度條件下的超前支承壓力分布,與圖2 相比,當(dāng)前狀態(tài)下應(yīng)力峰值位置前移,且兩個(gè)峰值先小后大與圖2 中相反,表明開采后期厚直接頂垮落加強(qiáng)了采空區(qū)的充填效果,使較大的支承壓力往煤壁深處轉(zhuǎn)移,減輕了近距離煤壁的應(yīng)力集中程度。
圖3 推進(jìn)81 m 支承壓力變化曲線
DPS 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算、統(tǒng)計(jì)分析等多個(gè)功能。運(yùn)用其灰色理論分析法處理得到的數(shù)據(jù),將推進(jìn)長度為39 m、81 m 處的超前支承壓力顯現(xiàn)作為參考數(shù)列,開采深度、采高、堅(jiān)硬頂板厚度、直接頂厚度作為比較數(shù)列。表中xi(k)和Xi(k)為因素xi和Xi在不同條件下獲得的數(shù)據(jù),見表2~表4。
表2 比較數(shù)列分類
表3 參考數(shù)列分類
表4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)
對(duì)于上述數(shù)據(jù)進(jìn)行均值化處理,分別求出差異序列,并找出最大差以及最小差,見表5。
表5 各影響因素關(guān)聯(lián)度排序表
分別將其代入公式(1),令處理得到的參考序列為x0,比較序列為xi,則x0(k)與xi(k)的關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算公式為:
式中取分辨系數(shù)ζ=0.5,將計(jì)算得到的關(guān)聯(lián)系數(shù)取平均值作為參考序列以及比較序列的關(guān)聯(lián)程度,計(jì)算公式如下所示:
表6 為最終計(jì)算得到的不同因素與不同工作面推進(jìn)距離下,超前支承壓力之間的灰色關(guān)聯(lián)度。
通過以上各因素關(guān)聯(lián)度對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出,開采深度及堅(jiān)硬頂板對(duì)工作面超前支承壓力影響較大。由此可知,針對(duì)開采深度較大、煤層上方存在堅(jiān)硬基本頂?shù)拿簩娱_采,應(yīng)該在回采期間對(duì)工作面超前支承壓力進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測,以確保生產(chǎn)活動(dòng)能夠保證足夠安全。
通過數(shù)值模擬軟件UDEC2D 和基于DPS 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的灰色系統(tǒng)方法對(duì)回采期間工作面超前支承壓力的影響因素進(jìn)行了分析,主要研究結(jié)論如下:
(1)通過模擬得出,不同地質(zhì)條件下,開采
深度、直接頂厚度、基本頂厚度以及煤層開采高度都與超前支承壓力顯現(xiàn)之間有著密切關(guān)系,主要表現(xiàn)為壓力峰值以及范圍存在明顯差異。
(2)利用灰色理論分析法,對(duì)超前支承壓力數(shù)值顯現(xiàn)進(jìn)行了顯著性排序,得到工作面超前支承壓力各影響因素權(quán)重從大到小依次為:開采深度>基本頂厚度>煤層采高>直接頂厚度。