厚煤層堅硬頂板采動影響下應(yīng)力分布特征

狄滿洲

(河南能源化工集團有限公司 焦作煤業(yè)公司中馬村煤礦， 河南 焦作 454171)

隨著我國煤炭開采技術(shù)提高，已實現(xiàn)對特厚煤層的高強度開采。特厚煤層大多蘊藏在深部環(huán)境下，具有傾斜緩、頂板硬、應(yīng)力大等特點[1]，在開掘巷道的過程中，圍巖應(yīng)力因開采會產(chǎn)生相應(yīng)的變化，尤其是支承壓力的變化分布，使原本堅硬的頂板發(fā)生破碎，造成開采過程中出現(xiàn)煤壁片幫[2-3]，煤柱動力失穩(wěn)[4]等，影響煤礦安全高效生產(chǎn)。

九里山礦煤層厚度變異系數(shù)為33.49%，以該礦15081工作面為工程背景，對15081工作面采動應(yīng)力分布特征進行實測，利用FLAC3D軟件模擬采動應(yīng)力分布特征，分析緩傾斜厚硬頂板礦壓的分布變化特征，為該礦工作面開采過程中圍巖應(yīng)力控制提供技術(shù)支撐，以保證礦井的安全正常開采。

1 工作面地質(zhì)條件

九里山礦15081工作面平均走向長度為 265 m，傾斜長度為150～172 m，平均煤厚5.3 m，煤炭可采儲量約24.7萬t，平均埋深422 m. 整體趨勢上煤層厚度由東向西逐漸變薄，在切眼以西煤層出現(xiàn)尖滅現(xiàn)象。區(qū)域內(nèi)地質(zhì)條件相對簡單，褶曲不發(fā)育；所采煤層整體為一單斜構(gòu)造，傾角11°～12°.

工作面直接頂板為粉砂巖，黑灰色粉砂巖，平均厚約17.2 m；基本頂為細(xì)粒砂巖，平均厚度4.2 m；煤層頂板屬于堅硬頂板；直接底為粉砂巖，平均厚度5.8 m，煤層頂板巖層綜合柱狀圖見圖1.

圖1 煤層頂板巖層綜合柱狀圖

2 采動應(yīng)力分布實測

2.1 測試方法

觀測儀器選用GZY60H 礦用本安型鉆孔應(yīng)力傳感器對工作面前方支承壓力分布特征進行監(jiān)測。儀器由油泵系統(tǒng)、鋼弦測力傳感器、礦用本安型手持采集器和計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)4部分組成，具有光控數(shù)顯、數(shù)據(jù)存儲、紅外采集等功能。

2.2 測點布置

為觀測工作面回采煤壁前方支承壓力分布規(guī)律，在 15081 工作面回風(fēng)巷內(nèi)超前開切眼 95 m、115 m、135 m處利用d42 mm手持式回轉(zhuǎn)鉆機鉆出 12 m 深的3組鉆孔，每組包含2個水平傾角-10°鉆孔。鉆孔布置見圖2.

圖2 現(xiàn)場觀測孔布置方案圖

2.3 超前支承壓力測量結(jié)果

3組鉆孔，每組兩個，從左向右依次編號為1#—6#. 待 3 組鉆孔全部推過后，匯總監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合工作面日進尺統(tǒng)計利用數(shù)據(jù)處理軟件導(dǎo)出鉆孔監(jiān)測應(yīng)力分布曲線，見圖3. 根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的計算結(jié)果，提取工作面距不同煤壁距離的超前支承壓力數(shù)據(jù)，對比不同應(yīng)力計測得的數(shù)據(jù)曲線。由于監(jiān)測過程中1#和2#測點在生產(chǎn)過程中被破壞，不能作為有效數(shù)據(jù)。故取3#—6#做主要分析。

圖3 鉆孔監(jiān)測應(yīng)力分布曲線圖

3號應(yīng)力曲線自距離煤壁 96 m 開始至距離煤壁 1 m 結(jié)束，初始液壓油泵壓力為 4 MPa. 隨著工作面推進，應(yīng)力計示數(shù)緩慢上升，可視為處于穩(wěn)壓區(qū)，至 30 m 處，應(yīng)力計示數(shù)升至 6 MPa，進入增壓區(qū)，應(yīng)力明顯升高。在升高過程中，數(shù)據(jù)跌落兩次，但跌落幅度不大，這與周期來壓后，煤體內(nèi)應(yīng)力釋放有關(guān)。在距離煤壁 12 m 處升高至最大值16 MPa 后應(yīng)力急速下降，進入減壓區(qū)。在距離煤壁 10 m 處，應(yīng)力計示數(shù)有小幅度回升，之后在距離煤壁 1 m 處下降至約1.2 MPa，此時可視為煤體的殘余峰值強度。

4號應(yīng)力曲線距離煤壁 96.5 m 處開始至距離煤壁 2 m 處結(jié)束，初始液壓油泵壓力為 4.5 MPa. 隨著工作面的推進鉆孔應(yīng)力一直緩慢升高可視為處于穩(wěn)壓區(qū)，在距離煤壁 30～20 m 處示數(shù)保持不變，隨后示數(shù)升高，進入增壓區(qū)，至距離煤壁7 m 處達(dá)到最大值 9 MPa. 距離煤壁 2 m 處示數(shù)下降至 2.4 MPa.

5號應(yīng)力曲線距離煤壁 120 m 處開始至距離煤壁1 m處結(jié)束。在距離煤壁120～25 m，曲線緩慢上升至7 MPa后進入急速增長階段，在距離煤壁24～20 m，應(yīng)力曲線出現(xiàn)3 MPa的應(yīng)力跌落，在距離煤壁 11 m 處增加到最大值14.3 MPa. 隨后進入減壓區(qū)，在距離煤壁1 m 處下降至 1.2 MPa.

6號應(yīng)力曲線距離煤壁120 m處開始至距離煤壁1 m處結(jié)束。隨著工作面的推進，距離煤壁31 m處時，應(yīng)力緩慢增加到 7.5 MPa. 隨后進入急速增長階段，可視為煤體進入增壓區(qū)，在距離煤壁 24～25 m 內(nèi)出現(xiàn)小幅度跌落，這與5號應(yīng)力計出現(xiàn)跌落大致相同，但幅度更小，應(yīng)力在距離煤壁11 m 處增加到最大值 12.5 MPa，在距離煤壁 1 m 處達(dá)到最小值 1.2 MPa.

分析可知，應(yīng)力計示數(shù)峰值位置距離煤壁11～12 m，即支承壓力峰值位置距離煤壁 11～12 m，影響范圍距離煤壁 26～31 m，煤體殘余峰值強度約1.2 MPa.

3 采動應(yīng)力分布模擬

3.1 建立模型

根據(jù)地質(zhì)勘察資料與實際工程要求以及相應(yīng)采區(qū)的巖層力學(xué)參數(shù)(表1)，通過數(shù)值模擬軟件FLAC3D構(gòu)建所使用的煤層，建模見圖4.

模型尺寸為長 256 m×166 m×71.33 m，煤層深度為422 m，運算平衡后煤層所在原巖應(yīng)力為10.7 MPa，模型四周及底部為固定位移約束，頂部為應(yīng)力邊界，施加 9.25 MPa 垂直應(yīng)力模擬未建入數(shù)值模型的地層載荷；煤巖體采用莫爾-庫倫模型。由于空間上煤厚在連續(xù)變化，取一次采厚分別為3 m、4 m、5 m、6 m、7 m 的支承壓力。

表1 煤巖力學(xué)參數(shù)表

圖4 15081煤層模型圖

3.2 支承壓力的變化

在模擬出一次采厚對支承壓力范圍的影響后，對支承壓力峰值強度和峰值位置與一次采厚的數(shù)據(jù)進行處理，兩者之間的相關(guān)關(guān)系見圖5，6.

圖5 一次采厚增大時支承壓力峰值強度的散點圖

圖6 一次采厚增大時支承壓力峰值位置散點圖

在一次采厚增加的過程中，峰值強度總體是下降的，但在一次采厚為3～5 m時數(shù)據(jù)浮動比較大，可能是由于此時的采厚相對煤層的總體厚度7 m而言，對煤層內(nèi)部的壓力影響較大，且上覆巖層隨著煤層厚度變化對煤層的壓力變化也不均勻，在實際開采推進過程中要注意煤層厚度變化導(dǎo)致峰值強度的改變，提前做好防護。

從圖6可以看出，峰值位置與采厚大致符合擬合的一元二次函數(shù)，在采厚增加的過程中峰值位置距煤壁的距離也隨之后移。在九里山礦開采過程中，根據(jù)現(xiàn)場實際情況選取不同的采厚時，可根據(jù)此函數(shù)進行工作面的超前支護。

4 結(jié) 論

1) 實際觀測效果與模擬結(jié)果比較接近，說明模擬結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性，可在工程項目中作為參考。

2) 通過采用FLAC3D數(shù)值模擬技術(shù)，得出影響超前支承壓力的因素。超前支承壓力隨著工作面一次采厚的增加而增加，九里山礦煤厚變化不均勻，需增加超前支護措施確保支承壓力的非線性變化。

3) 基于數(shù)值模擬分析，不僅得到一次采厚對超前支承壓力起到關(guān)鍵的影響，還發(fā)現(xiàn)一次采厚對支承壓力峰值和位置有影響，在工程實際中還需要考慮煤層與上覆巖層整體的變化趨勢來做出更加準(zhǔn)確的判斷。