深部大采高工作面沿空開采覆層運動規(guī)律研究

李 磊，雷照源，馬龍濤

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

為了滿足由新時代下國內(nèi)主要矛盾的轉(zhuǎn)化對能源的大量需求，煤炭資源開采已經(jīng)向深部邁進。深部開采中地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，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)[1-3]。自重應(yīng)力隨埋深的增加而增大，覆巖賦存特點及運動規(guī)律則決定了采動應(yīng)力的分布特征。尤其在覆巖結(jié)構(gòu)變化大、采場范圍變大等條件下，更易造成工作面動力災(zāi)害發(fā)生。同一盤區(qū)下開采的工作面一般以沿空開采為主。工作面回采前的靜應(yīng)力不但受到本工作面范圍內(nèi)覆巖的影響外，同時受到已采相鄰工作面覆巖的影響，導(dǎo)致工作面兩巷底鼓量大、工作面掉矸片幫。因此，聚焦深部大采高采場進行沿空采場覆巖運動規(guī)律的研究具有現(xiàn)實必要性。

為解決深部條件下的安全高效生產(chǎn)遇到的實踐問題，眾多專家學(xué)者通過地質(zhì)條件調(diào)查、理論分析、數(shù)值計算、現(xiàn)場檢測等，確定了極限深度范圍和深部開采的臨界點[4-5]；較為系統(tǒng)的研究了深部“三高一擾動”的復(fù)雜力學(xué)環(huán)境及工程災(zāi)害演化特點[6-7]，深部巖石大變形、拱形式的卸荷破壞區(qū)特點[8-9]，闡明不同類型的動靜組合加載力學(xué)機制[10-11]，深度研究了對巖石力學(xué)行為的影響和動力失穩(wěn)的能量特征與判別標準[12-13]。隨著開采尺度加大所形成的大空間結(jié)構(gòu)，工作面以沿空開采的模式進行重復(fù)更迭。在沿空開采、煤柱留設(shè)及賦存條件下，頂板高位結(jié)構(gòu)破斷回轉(zhuǎn)、應(yīng)力集中更復(fù)雜，采場礦壓顯現(xiàn)更強烈。

借鑒前人研究經(jīng)驗及成果，以陜西黃陵二號井四盤區(qū)大采高工作面為背景，根據(jù)深部大采高采場特性，進行沿空采場覆巖運動及礦壓分布規(guī)律的研究，為深部大采高采場的“安全-高效-科學(xué)”開采提供依據(jù)。

1 工程背景

1.1 煤層賦存概況

陜西黃陵二號煤礦位于黃隴礦區(qū)中部，是黃隴礦區(qū)主力生產(chǎn)礦井，生產(chǎn)能力為8.0 Mt/a。礦井初期普查勘探結(jié)果，四盤區(qū)開采范圍內(nèi)的2號煤層傾角一般1°～5°，煤層屬穩(wěn)定-較穩(wěn)定煤層；盤區(qū)內(nèi)地表標高+1 157～+1 364 m，井下標高+711～+732 m，平均埋深約620 m。煤層柱狀圖如圖1所示，煤層賦存特征，煤層上覆巖層依次為細砂巖、粉砂巖相互交替疊加，覆巖上部有183.7 m的中砂巖，圍巖特征見表1。

表1 煤層頂?shù)装逄匦?/p>

圖1 煤層柱狀圖

1.2 生產(chǎn)布局

二號煤礦四盤區(qū)為單翼開采，依次回采414、416、418這3個工作面，各工作面走向長度2 632 m，傾斜長度約300 m，平均采高分別為4.0 m、6.0 m、6.0 m。工作面留設(shè)的安保煤柱為40 m；進、回風(fēng)巷道尺寸分別為4.6 m×3.8 m、5.4 m×3.6 m。選用長壁后退式一次采全高的采煤法。416、418工作面選用ZYT12000/28/63D的支架，共計175臺。

416工作面開采穩(wěn)定后產(chǎn)生的側(cè)向支撐直接影響418工作面在開采初期的靜應(yīng)力和覆巖運動情況。受深部大采高采場的影響，擾動下的巖層得到較大的活動空間。隨著開采的加劇，在深部、大采高采場、沿空等條件下，覆巖內(nèi)部裂隙發(fā)育、裂隙演化程度高，造成頂板突然失穩(wěn)，形成強礦壓。

2 模型建立

工作面類型分別為首采、沿空開采、孤島開采。沿空開采下不同埋深的巖層作用工作面圍巖的力，是引發(fā)工作面動力災(zāi)害的根本原因。覆巖運動自下往上的運動依次為垮落層Mk(Ⅰ)、加載層Mj(Ⅱ)、遠場層My(Ⅲ)，如圖2所示。

圖2 采場更迭演化示意

根據(jù)巖層賦存特點，建立如圖3所示的FLAC3D三維數(shù)值模型。模型尺寸為1 500 m×550 m×570 m，四周及底部固定，工作面模擬至平均地表。模型設(shè)計三個工作面，邊界煤柱分別為200 m、320 m，工作面安保煤柱35 m；根據(jù)深部“三層”對模型進行劃分，采用Mohr-Coulomb計算準則，圍巖力學(xué)參數(shù)見表2。

圖3 數(shù)值計算模型

表2 圍巖力學(xué)參數(shù)

依次開挖模擬414、416、418工作面，分析深部大采高沿空采場覆巖運動規(guī)律。沿計算模型Y方向260 m取切片，分析受工作面不斷更迭下覆巖運動規(guī)律。

3 覆巖運動規(guī)律分析

3.1 416工作面開采特征

416工作面回采達到穩(wěn)定后，覆巖整體的塑性破壞如圖4所示。受414工作面影響，416工作面形成“拱”結(jié)構(gòu)偏向工作面后端；不斷向上演化。工作面兩端及其覆巖以剪切破壞為主；工作面上部巖層及My層160 m處為屈服破壞；工作面兩端的覆巖演化邊界約60°。

圖4 416工作面回采特征

分別提取深部“三層”對應(yīng)的應(yīng)力分布特征，分析“Mk、Mj、My”各類巖層的應(yīng)力分布情況，如圖5～7所示。隨著巖層的垮落，“Mk”之前承載的力向煤層方向發(fā)生轉(zhuǎn)移，并且煤層聚集了大量的能量。側(cè)向應(yīng)力峰值距工作面約40 m，工作面末端相對擾動應(yīng)力較大、儲能較高，如圖5所示?！癕j”的原巖應(yīng)力和擾動應(yīng)力均小于“Mk”。隨著“Mk”層的垮落后“Mj”巖層失去支撐，在自重和“My”的作用下，發(fā)生撓曲變形。95 m、185 m細砂巖的原巖應(yīng)力分別約為9.8 MPa、7.5 MPa，支承應(yīng)力邊界分別約為10.29 MPa和7.875 MPa。

圖5 “Mk”粉砂巖擾動應(yīng)力分布特征

受采動影響，如圖6所示。95 m處細砂巖兩工作面靠煤柱側(cè)約30 m處進入應(yīng)力釋放最低區(qū)；185 m處細砂巖卸壓區(qū)應(yīng)力值均大于0 MPa。深部大采高工作面擾動應(yīng)力的變化特征見表3，95 m處的細砂巖受“Mk”層的垮落影響明顯劇烈。

圖6 “Mj”擾動應(yīng)力分布特征

表3 擾動應(yīng)力變化特征

“My”相對其他巖層的厚度大、穩(wěn)定性高。此處原巖應(yīng)力約為3.9 MPa，支承應(yīng)力邊界約為4.095 MPa。煤層采出后的巖層由下向上受到擾動，如圖7所示?！癕y”中砂巖呈現(xiàn)緩“V”型分布特征，擾動范圍在4.6～1.55 MPa，相差3.05 MPa。由此表明，“My”層將自重平均作用在“Mj”層上，并具有穩(wěn)定性；同時有效遏制應(yīng)力傳遞，阻止地表運動。

圖7 “My”砂巖擾動應(yīng)力分布特征

3.2 418工作面開采特征

隨著盤區(qū)開采范圍增大，覆巖運動進一步加劇。418工作面回采達到穩(wěn)定后，其開采特征與工作面416相似，覆巖整體的塑性破壞如圖8所示。工作面更迭加劇，覆巖整體呈現(xiàn)對稱的“拱”形塑性破壞，現(xiàn)工作面及已開采煤層兩端依舊是以剪切破壞為主。418工作面開采穩(wěn)定后，414、416、418工作面覆巖分別向工作面更迭方向、工作面中部、工作面末端運動，整個覆巖擾動更劇烈；工作面兩端的覆巖演化邊界約60°。“Mk、Mj、My”的運動方式與416工作面開采后相似。

圖8 418工作面回采特征

418工作面開采穩(wěn)定后，應(yīng)力峰值大于40 MPa；工作面中部約240 m范圍內(nèi)均處于卸壓區(qū)。工作面上部185 m擾動應(yīng)力整體呈現(xiàn)“凹”型的對稱分布，從工作面215～1 135 m處于卸壓區(qū)，應(yīng)力值基本在0 MPa附近?！癕y”層的擾動應(yīng)力分布完全起到調(diào)控下部巖層運動和保證工作面應(yīng)力釋放位置的保障。

4 現(xiàn)場驗證

4.1 鉆孔窺視檢測

現(xiàn)場選用YZT-Ⅱ型巖層鉆孔探測儀，在418工作面上隅角前方5 m處垂直向上進行探測，有效探測高度35 m。分別截取探測深度1 m、5 m、10 m、15 m、23 m、30 m處的圖像，如圖9所示。頂板10 m范圍內(nèi)裂隙發(fā)育，頂板巖層較為破碎，15 m、23 m處出現(xiàn)小離層和貫通裂隙現(xiàn)象，30 m處巖層裂隙繼續(xù)向上部演化。由此可知：受煤層開采擾動，頂板運動劇烈，直接為工作面來壓提供力源；在“Mj”巖層的作用下，加劇頂板裂隙向上演化，作用在“Mk”層上，造成工作面動力災(zāi)害發(fā)生。

圖9 工作面頂板擾動情況

4.2 支架壓力檢測

支架利用SAC液壓電液控系統(tǒng)自動監(jiān)測工作面推進過程中支架的工況。支架初撐力設(shè)定為27.5 MPa。分別統(tǒng)計416工作面1～2月和418工作面1月的支架工作阻力。受414工作面影響，416工作面1～2月工作面壓力分布如圖10所示。

圖10 416工作面礦壓分布概況

416工作面來壓范圍主要在工作面中部位置(45#～100#)，其中70#～90#為持續(xù)來壓位置，壓力值在43.6～52.1 MPa；持續(xù)的推采35 d后，115#～132#出現(xiàn)壓力集中現(xiàn)象，壓力值在41.7～47.8 MPa。壓力分布位置：中部>機尾>機頭。受416工作面大采高采空區(qū)影響，418工作面在持續(xù)的推采過程中，支架工作阻力如圖11所示。明顯可以看出工作面整體壓力較大，主要集中在55#～155#之間，其中110#～155#(1區(qū))、55#～100#(2區(qū))，工作面出現(xiàn)整體來壓現(xiàn)象。工作面壓力分布位置：機尾>中部>機頭；機尾處的壓力大且較為連續(xù)。7#～12#來壓時間較長，壓力值在45.3～55.7 MPa。

圖11 418工作面壓力分布概況

由此可知，“Mk”層是給工作面提供正常來壓的力源；“Mj”控制工作面“Mk”層撓曲程度，調(diào)控應(yīng)力分布情況，造成工作面強礦壓。

5 結(jié)論

(1)通過對工作面覆巖賦存條件分析，根據(jù)各巖層的空間位置、層厚及其礦壓作用特征等，確定深部“三層”的判別方法及高度的確定。

(2)沿空開采形成的大空間，造成工作面形成“拱”結(jié)構(gòu)向工作面中后部偏移；此過程中覆巖的不斷向上演化并與其余工作面形成的“拱”結(jié)構(gòu)融合，最終形成對稱的“拱”結(jié)構(gòu)。

(3)工作面傾向壓力分布，“Mk”為工作面來壓提供力源；“Mj”控制工作面“Mk”層撓曲變形程度，改變工作面應(yīng)力釋放向中-后位置偏移；“My”保證工作面應(yīng)力釋放的位置。經(jīng)過現(xiàn)場監(jiān)測，418大采高工作面的擾動范圍及擾動應(yīng)力值均大于416工作面；整個工作面壓力釋放的位置變化為機尾>中部>機頭。