經(jīng)坊礦3806 綜采工作面上覆巖層運(yùn)移及應(yīng)力規(guī)律的研究

琚 翔

（山西省長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司，山西 長治 047100）

礦山開采過程中，會引起上覆巖層移動變形與應(yīng)力重新分布，掌握工作面上覆巖層運(yùn)移及應(yīng)力規(guī)律對礦山安全生產(chǎn)具有重要意義。許多學(xué)者對此進(jìn)行了大量研究，取得了許多寶貴結(jié)論與經(jīng)驗(yàn)。彭裕勤等學(xué)者[1]以張雙樓礦9102 工作面為例，通過理論分析、現(xiàn)場實(shí)測等手段對工作面礦壓規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，9102 綜采面老頂初次來壓步距為32.4 m，周期來壓步距平均值為17.52 m。梁勇學(xué)者[2]以陽煤一礦81403 綜放工作面為研究對象，采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，對近距離煤層群條件下綜放工作面采動覆巖破壞特征以及應(yīng)力進(jìn)行研究，研究表明，近距離煤層群綜放工作面開采過程中，上覆巖層呈現(xiàn)明顯三帶分布規(guī)律，周期來壓會出現(xiàn)不規(guī)律現(xiàn)象。黃清鋒等學(xué)者[3]以某礦6303 大傾角綜放工作面開采作為工程背景，采用數(shù)值模擬、相似模擬與理論分析等手段對俯斜大傾角綜放工作面來壓規(guī)律、覆巖破壞特征和應(yīng)力分布進(jìn)行了研究，研究表明，對老頂和直接頂?shù)钠茐碾S工作面的推進(jìn)而加強(qiáng)，支撐壓力主要影響范圍為30～35 m。經(jīng)坊煤礦3 號煤層地面對應(yīng)位置存在村莊、鐵路等構(gòu)筑物，不遠(yuǎn)處有河流穿過，同時(shí)該煤層采用綜放開采，工作面采高較大。該研究有利于該煤層安全高效開采，為相似條件煤層開采提供借鑒。

1 采區(qū)概況

1.1 煤層簡介

經(jīng)坊礦3 號煤層劃分為九個(gè)采區(qū)，3806 工作面位于八采區(qū)中部。根據(jù)采區(qū)內(nèi)及周邊鉆孔資料，八采區(qū)3 號煤層厚度為5.72～6.70 m，平均6.2 m 左右，煤層南高北低，傾角4°～10°，煤層底板標(biāo)高為+520～ +555 m，地面標(biāo)高為+970.1～ +951.9 m，埋深410～430 m。煤層屬于低灰-中高灰，特低硫-低硫，中低發(fā)熱量-特高發(fā)熱量貧瘦煤、貧煤類煤層。八采區(qū)3 號煤層厚度等值線如圖1。

圖1 3 號煤層等值線圖

1.2 工程地質(zhì)

該煤層3806 工作面頂板巖層屬于較為穩(wěn)定性巖層，其中老頂一般為中粒砂巖，厚度變化較大，灰色，薄至中厚層狀。直接頂板巖性為粉砂巖、細(xì)粒砂巖或中粒砂巖。中粒砂巖：灰色，薄層狀，視密度2579 kg/m3，含水率0.94%，自然抗壓強(qiáng)度為43.2 MPa，抗拉強(qiáng)度為1.42 MPa，屬半堅(jiān)硬巖石，軟化系數(shù)0.52，為軟化巖石。偽頂巖性為泥巖或砂質(zhì)泥巖，該砂質(zhì)泥巖：灰黑色，薄-中厚層狀，視密度2581～2923 kg/m3，含水率0.65%～1.33%，自然抗壓強(qiáng)度為16.2～50.4 MPa，抗拉強(qiáng)度為1.05～2.06 MPa，屬軟弱巖石；軟化系數(shù)0.57～0.60，為軟化巖石。具體情況見表1。

表1 巖層參數(shù)

1.3 回采工作面布置與采煤方法

1.3.1 回采工作面布置

根據(jù)礦井開拓布置及煤層賦存特點(diǎn)、工作面運(yùn)輸、通風(fēng)需要，3806 工作面開切眼沿上村保護(hù)煤柱線布置，沿3 號煤層底板布置工作面運(yùn)輸順槽、回風(fēng)順槽，兩順槽通過八采區(qū)軌道、運(yùn)輸巷與西二集中軌道、運(yùn)輸大巷連接，形成3806 工作面生產(chǎn)系統(tǒng)。工作面回風(fēng)通過八采區(qū)回風(fēng)巷進(jìn)入北翼總回風(fēng)巷。其中，運(yùn)輸順槽擔(dān)負(fù)工作面煤炭運(yùn)輸，兼進(jìn)風(fēng)；回風(fēng)順槽擔(dān)負(fù)工作面輔助材料運(yùn)輸，兼回風(fēng)。工作面推進(jìn)方向?yàn)樽晕飨驏|。

1.3.2 采煤方法

經(jīng)坊礦3 號煤層采用綜采放頂煤工藝已安全開采了七采區(qū)和八采區(qū)的3803、3807 等工作面。生產(chǎn)實(shí)踐證明，3 號煤層采用綜采放頂煤采煤工藝是成熟可行的。因此，3806 工作面仍采用長壁采煤法，綜采放頂煤采煤工藝，工作面采用MG300/700-WD型雙滾筒電牽引采煤機(jī)，正常割煤時(shí)，前滾筒割頂煤，后滾筒割底煤，割落煤炭由滾筒螺旋葉片裝入前刮板輸送機(jī)，少量煤由刮板輸送機(jī)鏟煤板裝入前刮板輸送機(jī)內(nèi)，極少量散落在支架與前刮板輸送機(jī)間的浮煤，由人工裝入前刮板輸送機(jī)，工作面采煤機(jī)割下的底煤和支架放下的頂煤分別由前后兩部刮板輸送機(jī)運(yùn)至端頭卸載，經(jīng)轉(zhuǎn)載機(jī)由膠帶機(jī)運(yùn)出。

3806 工作面煤層頂煤冒放性較好，綜合回收率可達(dá)93%，高于同類型工作面。該工作面長度為217 m，截深為0.8 m，采高為3.0 m，放煤高度為3.25 m（開采厚度為6.25 m），采放比為1:1.08。

2 上覆巖層運(yùn)移及應(yīng)力規(guī)律理論

2.1 上覆巖層運(yùn)移規(guī)律理論

隨著煤層逐漸采出，工作面出現(xiàn)了大量采空區(qū)。在礦山壓力作用下，出現(xiàn)上覆巖層垮落、破斷、變形等現(xiàn)象。錢鳴高院士[4]提出的砌體梁理論很形象地解釋了煤層開采過程中上覆巖層的運(yùn)移特征。綜放開采一般會形成垮落帶、裂隙帶以及彎曲變形帶；但當(dāng)?shù)V壓現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí)，有可能上覆巖層只出現(xiàn)“兩帶”。

3 號煤層地面對應(yīng)位置為太焦鐵路以東，青龍溝以西，大溝村以南，北呈鄉(xiāng)以北。地面村莊和建（構(gòu)）筑物有青龍溝、北呈鄉(xiāng)、上村、大溝村、陶清河、S227 線（長晉線）等，由于煤層埋深屬于淺中埋深，開采高度較大，對地表構(gòu)筑物影響較大，因此重點(diǎn)研究上覆巖層運(yùn)移規(guī)律。

根據(jù)已有理論，可以采用概率積分法計(jì)算地表各變形移動值，通過變形求得各變形及曲率最大值的計(jì)算公式，具體如下：

公式（1）為最大下沉值計(jì)算公式，（2）為最大曲率計(jì)算公式，（3）為最大傾斜值計(jì)算公式，（4）為最大水平變形計(jì)算公式。

式中：r為影響半徑，mm；η為下沉系數(shù)；α為煤層傾角，（°）；m為法線采高，mm；H為開采深度，m；B為水平移動系數(shù)；β為影響角，（°）；w為最大下沉值，mm；k為最大曲率值，1/m；T為最大傾斜值，mm/m；ε為最大水平變形，mm/m。

2.2 上覆巖層應(yīng)力規(guī)律理論

由于3 號煤層埋深不大，初始應(yīng)力可用以下公式：

垂直應(yīng)力用公式（5）計(jì)算，水平應(yīng)力使用（6）公式計(jì)算。

式中：γi為巖層體積力，N/m3；hi為各巖層厚度，m；λ為側(cè)壓力系數(shù)；σz為垂直應(yīng)力，Pa；σx和σy為水平應(yīng)力，Pa。

隨著煤層采出，原始應(yīng)力發(fā)生變化，采空區(qū)周圍巖石應(yīng)力重新分布，煤壁前方將出現(xiàn)超前支撐壓力、應(yīng)力增大的現(xiàn)象。采空區(qū)上覆巖層將被前方煤層以及垮落的巖石支撐，形成如馬資敏學(xué)者[5]所描述的采空區(qū)頂板結(jié)構(gòu)，如圖2。

圖2 煤層綜放采場頂板結(jié)構(gòu)模型

3 上覆巖層運(yùn)移及應(yīng)力規(guī)律數(shù)值模擬

回采工作面長度為217 m，推進(jìn)長度為1186 m，高度為150 m，為了消除邊界影響，采空區(qū)前后左右各留30 m 邊界煤柱。模型尺寸為長×寬×高=1246 m×277 m×116 m。采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，摩爾庫倫本構(gòu)關(guān)系，模型四周約束水平方向移動，底邊固定，頂部為自由面，僅模擬部分推進(jìn)距離對上覆巖層的影響。模型具體如圖3。

圖3 初始模型

由于上覆巖層運(yùn)移及應(yīng)力規(guī)律和煤層開采程度具有重要關(guān)系，因此模擬工作面不同開采距離時(shí)上覆巖層以及應(yīng)力影響。不同推進(jìn)距離對上覆巖層垂直應(yīng)力影響如圖4（a）～4（d）。

圖4 不同推進(jìn)距離垂直應(yīng)力

工作面不同推進(jìn)距離時(shí)上覆巖層總體位移具體如圖5（a）～5（d）。

圖 5 不同推進(jìn)距離時(shí)總體位移

4 結(jié)論

（1）隨工作面推進(jìn)，上覆巖層位移逐漸增大，最大位移出現(xiàn)在采空區(qū)中部。工作面推進(jìn)到140 m時(shí)，最大位移達(dá)到89.8 cm。

（2）隨著工作面推進(jìn)，上覆巖層垂直應(yīng)力逐漸增大，應(yīng)力沿著采空區(qū)呈對稱分布，最大應(yīng)力出現(xiàn)在煤壁前方及工作面兩端，應(yīng)力集中系數(shù)為1.78。

（3 當(dāng)工作面推進(jìn)到100 m 后，上覆巖層位移以及垂直應(yīng)力的增加將顯著加快。