深部大采高工作面巖層運(yùn)動規(guī)律研究

張園園

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

煤炭能源的安全高效開采是西部礦區(qū)普遍面臨的問題。為了滿足由新時(shí)代下國內(nèi)主要矛盾的轉(zhuǎn)化對能源的大量需求，煤炭資源開采埋深已經(jīng)邁入第二深度[1]。深部開采中地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)力及應(yīng)力傳播發(fā)生明顯變化，給煤炭開采帶來了巨大的挑戰(zhàn)。根據(jù)科學(xué)采礦和煤炭革命3.0的煤炭生產(chǎn)理念[2]，煤炭安全生產(chǎn)必須根據(jù)煤層賦存條件、圍巖結(jié)構(gòu)特征、采動特點(diǎn)等，分析巖層運(yùn)動及支架受力特征，對安全生產(chǎn)具有現(xiàn)實(shí)必要性。黃隴礦區(qū)是我國14個(gè)億噸大型煤炭基地之一，煤炭儲量豐富，頂板結(jié)構(gòu)變化大。其中埋深500 m以上占到總儲量的65%以上。長壁工作面一次采全高開采過程中，復(fù)合頂板斷裂失穩(wěn)直接影響支架穩(wěn)工況。受時(shí)空、覆巖結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造等因素影響，2018年10月至2019年3月，黃陵礦區(qū)頂板動力學(xué)災(zāi)害頻發(fā)。多場應(yīng)力疊加與演化致災(zāi)為現(xiàn)場安全防控提出了難題。

進(jìn)入深部開采后受地質(zhì)力學(xué)影響，礦井呈現(xiàn)典型的“三高一擾動”的運(yùn)動特點(diǎn)[3-8]。隨著煤炭資源不斷向深部邁進(jìn)，巖層運(yùn)動及支架選型的實(shí)踐探索及研究具有現(xiàn)實(shí)必要性。為此，以陜西黃陵二號井為背景，以頂板控制為目標(biāo)，通過現(xiàn)場調(diào)查、數(shù)值計(jì)算、理論分析和現(xiàn)場監(jiān)測開展深部大采高工作面群巖層運(yùn)動及支架選型的研究，對深部礦井建立科學(xué)—安全—和諧的開采模式，具有現(xiàn)實(shí)的必要性。

1 工程背景

1.1 井田特征

陜西黃陵二號煤礦位于黃隴礦區(qū)中部，黃陵礦區(qū)西北部，是典型的瓦斯油型氣共生礦井和智能化生產(chǎn)礦井[9-11]。是國家批建的14個(gè)大型煤炭生產(chǎn)基地(黃隴礦區(qū))的主要生產(chǎn)礦井之一；是陜西煤業(yè)能源有限責(zé)任公司特大型高產(chǎn)高效現(xiàn)代化礦井；是集團(tuán)所屬主要優(yōu)質(zhì)動力煤生產(chǎn)地之一。地質(zhì)構(gòu)造為一傾向NW-NWW的單斜構(gòu)造，地層傾角一般1°～5°。延安組呈一傾向NWW的單斜構(gòu)造將井田一分為二，其一位于井田中部，長約34 km，寬2.6～5 km；其二位于井田西部，長約28 km，寬約3.5 km，幅度20～30 m。

1.2 圍巖特性

礦井初期普查勘探結(jié)果表明：二號井開采范圍內(nèi)四盤區(qū)2號煤層，盤區(qū)內(nèi)地表標(biāo)高+1 157～+1 364 m，井下標(biāo)高+711～+732 m，平均埋深約530 m；工作面及附近鉆孔揭露的煤層厚度最大7.09 m，最小5.1 m，平均約6.1 m。四盤區(qū)各工作面煤層上覆頂板依次為細(xì)砂巖、粉砂巖相互交替疊加，煤層埋藏條件如圖1所示，圍巖特征見表1。開采過程中采動煤巖應(yīng)力與儲能隨時(shí)間與開采位置變化不斷釋放與轉(zhuǎn)移，加劇圍巖裂隙發(fā)育。隨著工作面的更迭，造成了巖層運(yùn)動的大空間，更易造成工作面漏頂、掉矸、煤壁片幫等礦壓顯現(xiàn)。

圖1 煤層柱狀圖

表1 煤層頂?shù)装逄匦?/p>

1.3 生產(chǎn)條件

礦井共劃分10個(gè)盤區(qū)，目前開采的四盤區(qū)為單翼開采，各工作面走向長度2 632 m，傾斜長度300 m。煤層屬穩(wěn)定-較穩(wěn)定煤層，選用長壁后退式一次采全高的采煤法，全部垮落法處理采空區(qū)頂板。直接頂為上部的細(xì)粒砂巖和粉砂巖的總和，形成復(fù)合頂板。工作面平均每天推進(jìn)10刀，每刀進(jìn)尺0.9 m。

2 工作面復(fù)合頂板變化特征

2.1 數(shù)值計(jì)算搭建

根據(jù)四盤區(qū)巖層賦存特點(diǎn)，建立如圖2所示的FLAC3D三維數(shù)值模型，分析受采動影響下更迭工作面應(yīng)力分布和變形特征。圍巖力學(xué)參數(shù)見表2。模型尺寸為1 500 m×570 m×10 m，節(jié)點(diǎn)共17 586個(gè)、劃分網(wǎng)格11 468個(gè)，工作面模擬至地表，工作面區(qū)段煤柱40 m。模型設(shè)計(jì)3個(gè)工作面，形成大采高工作群，依次開挖414、416、418工作面。通過Mohr-Coulomb準(zhǔn)則計(jì)算，分析采動下復(fù)合頂板應(yīng)力-運(yùn)動-破壞特征。

表2 圍巖力學(xué)參數(shù)

2.2 工作面群演化特征

充分采動后計(jì)算中所輸出的塑性破壞區(qū)分布數(shù)據(jù)均賦予相對的時(shí)間概念。工作面頂板受時(shí)空關(guān)系、覆巖結(jié)構(gòu)、巖性等因素影響，工作面依次更迭開采后頂板發(fā)生破壞，其演化規(guī)律如圖3所示。414工作面開采穩(wěn)定后，巖層的塑性破壞呈對稱性，如圖3(a)所示。巖層為典型“三帶”“三區(qū)”的運(yùn)動狀態(tài)，巖層運(yùn)動整體向上演化，最大演化高度273 m。由于復(fù)合頂板的細(xì)砂巖完整性較低，隨工作面推進(jìn)，隨采隨落；粉砂巖強(qiáng)度高、裂隙不發(fā)育，工作面中部有210 m完整性較好。416工作面開采結(jié)束后，巖層破壞范圍增大，兩工作面中部呈現(xiàn)對稱性，頂部呈“拱”型，最大演化高度約360 m。受煤柱影響，各工作面復(fù)合頂板中間部分的140 m、120 m完整。隨著盤區(qū)開采加劇，覆巖破壞向兩邊延伸并導(dǎo)致頂板破斷，如圖3(b)所示。418工作面開采穩(wěn)定后，416工作面頂板全部破壞；414、418工作面頂板中部完整性縮小，分別為100 m、80 m；覆巖層的塑性破壞最大高度約360 m。由此推斷：隨著開采形成的工作面群，復(fù)合頂板的粉砂巖具有承載作用，并為礦井來壓提供力源。由此可知，盤區(qū)沿著工作面推進(jìn)更迭方向，工作面頂板沉降最終形成“U型”的穩(wěn)定塌陷。

圖3 各工作面復(fù)合頂板演化規(guī)律

2.3 應(yīng)力分布特征

復(fù)合頂板的原巖應(yīng)力擾動應(yīng)力是判斷各巖層能量的釋放和轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵。為了反映盤區(qū)復(fù)合頂板隨層位不同的變化，依次提取沿工作面各位置的應(yīng)力峰值，見表3。第1次(414開挖)計(jì)算結(jié)果相比較，盤區(qū)工作面更迭增加了2～3 MPa；416、418依次開挖，各巖層應(yīng)力相差在1 MPa范圍內(nèi)。煤柱受2個(gè)工作面的采動影響的疊加，應(yīng)力峰值約為工作面?zhèn)鹊?.6倍。盤區(qū)隨著工作面開挖個(gè)數(shù)的增加，煤柱應(yīng)力最終穩(wěn)定在42 MPa左右。

盤區(qū)3個(gè)工作面開采擾動后復(fù)合頂板的應(yīng)力分布情況，如圖4所示，頂板分布規(guī)律基本相同。工作面開挖擾動后，復(fù)合頂板的粉砂巖峰值略高細(xì)砂巖。煤柱側(cè)應(yīng)力變化最大(明顯高于煤層側(cè))；工作面中部向兩側(cè)，各約140 m為卸壓區(qū)；工作面兩側(cè)的應(yīng)力峰值穩(wěn)定在工作面邊界30～40 m之間。由此表明，正常盤區(qū)工作面更迭時(shí)，應(yīng)力變化規(guī)律基本一致。由于復(fù)合頂板的協(xié)同性和儲能的差異性，粉砂巖的破損-垮落釋放的能量大，易造成工作面動力災(zāi)害。因此在支架的選型中必須滿足高的工作阻力，且支架的穩(wěn)定性強(qiáng)。

圖4 3個(gè)工作面復(fù)合頂板應(yīng)力擾動特征

2.4 頂板與支架的關(guān)系

工作面復(fù)合頂板失穩(wěn)過程是形成了“支架-頂板”的動態(tài)力學(xué)過程。隨工作面更迭，工作面頂板呈現(xiàn)不同的運(yùn)動過程，并達(dá)到穩(wěn)定。頂板的應(yīng)力的集中、轉(zhuǎn)移、釋放影響范圍大，大量能量的釋放導(dǎo)致巖層整體性垮落。受頂板的時(shí)-空效應(yīng)，導(dǎo)致覆巖整體運(yùn)動劇烈，呈現(xiàn)中部損傷大、兩邊小的特點(diǎn)。復(fù)合頂板運(yùn)動、垮落及能量釋放基于深部、大采高這一條件，得出支架必須具備高初撐力控制頂板加大支架水平抗傾結(jié)構(gòu)和承載能力，適應(yīng)復(fù)合頂板運(yùn)動對支架穩(wěn)定性影響。工作面復(fù)合頂板沿工作面推進(jìn)方向運(yùn)動特點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 工作面復(fù)合頂板垮落狀態(tài)

在力矩極限平衡條件時(shí)，底板反力作用于支架底座前段為原點(diǎn)O，此時(shí)有式(1)和(2)。

(1)

(2)

式中，α為工作面煤層傾角，(°)；b為支架自重作用方向與支架底座下邊緣的水平距離,mm。從式(2)可看出b與α成反比。當(dāng)支架底座越寬、支架重心越低、支架越穩(wěn)定，適應(yīng)性越強(qiáng)。根據(jù)煤層及頂板運(yùn)動特點(diǎn)，選用高工作阻力的二柱掩護(hù)式支架支護(hù)，支架底座寬度初步確定為1 750 mm。選用ZY12000/28/63D型掩護(hù)式液壓支架。

3 效果驗(yàn)證

累計(jì)統(tǒng)計(jì)418工作面1個(gè)月(持續(xù)的推采245 m)的支架工作阻力監(jiān)測數(shù)據(jù)，并利用PM-31電液控制系統(tǒng)自動監(jiān)測工作面推進(jìn)過程中支架的工況。工作面壓力分布、120#的初撐力、工作阻力，分別如圖6、7所示。工作面整體壓力較大且具有分區(qū)現(xiàn)象，如圖6所示。高工作阻力主要集中在50#～165#之間，其中分區(qū)為(2)區(qū)55#～100#、(1)區(qū)110#～155#；1#～50#、170#～175#壓力較小，基本保持在35 MPa以下。

圖6 418工作面11月支架壓力分布

在418工作面245 m的持續(xù)推采中，工作面正常生產(chǎn)(無來壓)期間，支架總體的工作阻力有小幅度的起伏變化；當(dāng)支架位置繼續(xù)沿走向方向延伸時(shí)，工作阻力發(fā)生變化。工作面累計(jì)周期來壓7次，其中9～12 d周期來壓時(shí)間較長，來壓壓力超過40 MPa；(1)區(qū)比(2)區(qū)來壓的時(shí)效性較長，且壓力值較大并具有一定的持續(xù)性，且45 MPa以上較為頻繁。非周期來壓期間，支架壓力在30～35 MPa、35～40 MPa分別占有整體的46.17%、32.35%。支架的平均工作阻力為7 500～8 420 kN，是額定工作阻力的62.5%～70.2%，支架有一定的富余量；周期來壓期間支架加權(quán)平均工作阻力為10 550 kN，是額定工作阻力的87.9%，其中最大工作阻力為11 312.8 kN，為額定工作阻力的94.2%，表明支架能夠適應(yīng)周期來壓期間的頂板壓力。工作面120#初撐力及工作阻力連續(xù)監(jiān)測9 200次，分布特征如圖7所示。

圖7 支架初撐力及工作阻力

120#支架初撐力平均值在500 kN左右，最大值達(dá)到660 kN；工作阻力最大值在11 070 kN，平均壓力約9 850 kN，且多次出現(xiàn)應(yīng)力波峰變化。由此表明ZY12000/28/63D型掩護(hù)式液壓支架在支撐過程中有一定富余量，能滿足生產(chǎn)的需求。

4 結(jié)論

(1)大采高工作面群頂板的細(xì)砂巖隨采隨落；粉砂巖具有承載性，并為礦井提供來壓力源。隨開采擾動的加劇，頂板最終形成“U型”的穩(wěn)定塌陷；覆巖塑性破壞高度達(dá)到約360 m，并保持穩(wěn)定。

(2)受工作面更迭影響，后續(xù)工作面中后部壓力大于其他位置。四盤區(qū)選用高工作阻力的二柱掩護(hù)式支架支護(hù)，型號為ZY12000/28/63D。

(3)支架的平均工作阻力是額定工作阻力的62.5%～70.2%；周期來壓期間支架平均工作阻力是額定工作阻力的87.9%，最大工作阻力為額定工作阻力的94.2%，表明支架能夠適應(yīng)周期來壓期間的頂板壓力，能夠滿足生產(chǎn)的需求。