新元礦綜采工作面覆巖破壞特征研究

王美軍

(潞安化工集團 新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 晉中 030600)

隨著工作面煤層的開采，采空區(qū)上覆巖層由三向受壓變?yōu)殡p向受壓，失去煤層的支撐作用極易折斷、垮落，對作業(yè)人員的生命安全以及礦井的生產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅[1-2]；此外，由于巖石的碎脹特性，覆巖垮落后會對采空區(qū)間產(chǎn)生一定的充填作用，但不會完全充滿采空區(qū)，上覆巖層由下級上逐步形成“上三帶”，即冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶[3-5]。

關(guān)于“上三帶”發(fā)育高度研究，眾多專家學(xué)者進行了深入研究，并取得了較為顯著的成果。錢鳴高院士[6]構(gòu)建了覆巖破斷的“砌體梁”力學(xué)模型以及“關(guān)鍵層”理論；宋振騏院士[7]則提出了“傳遞巖梁”理論；黃慶享[8]、林海飛[9]等采用理論分析計方法，構(gòu)建了覆巖破壞特征的力學(xué)模型。

上述學(xué)者對于覆巖破壞特征的研究多集中于理論分析，對“上三帶”發(fā)育高度未給出發(fā)育范圍，因此，本文基于新元煤礦特殊地質(zhì)條件，即瓦斯賦存含量較高，具有突出傾向性，且該礦以高抽巷對瓦斯進行抽采，避免工作面瓦斯突出的重中之重，而高抽巷的層位布置，與上覆巖層“三帶”位置分布密切相關(guān)。為此，亟需對新元礦覆巖破壞特征進行深入研究，以此作為高抽巷合理布置的理論依據(jù)。

1 新元煤礦31006工作面概況

新元煤礦31006工作面主采3號煤層賦存穩(wěn)定， 31006工作面走向長度(可采長度)為3 035 m，傾斜長度為265 m，停采線距南區(qū)新集中輔運大巷120 m，煤層平均厚度為4.8 m，煤層平均傾角為3°，工業(yè)儲量：3 299 136 t。根據(jù)31006工作面本煤層抽采數(shù)據(jù)，抽放純量預(yù)計在15 m3/min以上，煤層頂?shù)装逯鶢顖D如圖1所示。

圖1 煤層頂?shù)装寰C合柱狀圖

2 覆巖裂隙帶高度理論計算研究

查閱資料得出對覆巖裂隙帶高度的計算[10-11]，可以根據(jù)上覆巖層的軟硬程度選擇對應(yīng)的計算公式進行計算，某礦31006工作面主采的3號煤層平均厚度4.8 m，頂板巖層為硬質(zhì)粉砂巖、細砂巖為中硬巖石，故采用公式(1)、公式(2)。

(1)

(2)

式中：Hmld、Hlxd分別為采空區(qū)冒落帶、裂隙帶高度，m；k為巖石碎脹系數(shù)，取1.25；α為煤層傾角，取5°；M為采厚，取4.8 m。

計算得出冒落帶高度為19.2 m，裂隙帶高度為42.55±5.6 m。由于地質(zhì)條件錯綜復(fù)雜，故實際的裂隙帶高度還需結(jié)合數(shù)值模擬計算結(jié)果對比得出。

3 覆巖裂隙帶高度模擬分析

3.1 模型的建立

根據(jù)新元礦31006工作面實際地質(zhì)條件，采用UDEC軟件對覆巖裂隙發(fā)育高度進行模擬分析，建立如圖2所示的計算模型，模型尺寸為長×高=400 m×300 m，為重點研究覆巖裂隙發(fā)育特征，對鄰近煤層的上覆巖層網(wǎng)格加密，模型如圖2所示，工作面各巖層實測物理力學(xué)參數(shù)如表1、表2所示。

圖2 數(shù)值計算模型圖

表1 模型力學(xué)參數(shù)

表2 模型覆巖節(jié)理面力學(xué)參數(shù)

3.2 模擬結(jié)果分析

1) 頂板垮落特征及裂隙發(fā)育特征分析。對工作面推進不同距離時的頂板垮落特征及裂隙發(fā)育特征進行分析，得到不同推進步距時的頂板破壞狀態(tài)情況，如圖3所示。由圖3可知：煤層開切眼后造成上覆巖層懸露，受采動影響直接頂卸載，發(fā)生膨脹變形，當(dāng)工作面推進到20 m左右，由于覆巖自重影響，直接頂發(fā)生彎曲變形，砂質(zhì)泥巖直接頂具有良好的穩(wěn)定性，不易垮落至采空區(qū)，但頂板出現(xiàn)微小變形，并且伴隨有少量微小的裂隙發(fā)育產(chǎn)生；當(dāng)工作面推進30 m(如圖3 (a)所示)時，上覆巖層發(fā)生拉彎變形，并開始垮落充填采空區(qū)，頂板冒落帶高度為7.5 m，裂隙帶高度為22 m；隨著工作面的繼續(xù)推進，覆巖采動影響范圍擴大，采動裂隙繼續(xù)向更高的巖層發(fā)育，引起上覆巖層的彎曲變形，且垂直裂隙不斷向上發(fā)展，冒落高度逐漸向上延伸當(dāng)工作面推進至90 m時，如圖3 (b)所示，隨工作面推進，覆巖繼續(xù)呈現(xiàn)周期運動的特征，頂板冒落帶高度為15 m，裂隙帶高度為37 m；當(dāng)開采至150 m時，頂板冒落帶高度為18 m，裂隙帶高度為44.5 m，如圖3(c)所示；之后隨著工作面的繼續(xù)推進，覆巖裂隙發(fā)育基本趨于穩(wěn)定，早期形成的采動裂隙受上覆巖層的壓實作用，散落塊體的密度逐漸增大，且塊體間的孔隙度逐漸減??；裂隙逐漸閉合，裂隙密度降低；之后的開采過程中，覆巖裂隙隨著工作面的推進向前遞進，裂隙的產(chǎn)生，造成頂板孔隙率增加，透氣性也大幅度提高，最終裂隙帶發(fā)育高度為48.6 m。

2) 頂板采動應(yīng)力演化規(guī)律。提取應(yīng)力監(jiān)測測點所監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)，并進行處理、出圖，得到工作面推進過程中頂板應(yīng)力傳遞演化規(guī)律曲線圖，如圖4所示。

圖4 不同推進距離時支承壓力演化規(guī)律

由圖4可知，工作面推進不同距離時，上覆巖層應(yīng)力運移規(guī)律基本一致，且峰值隨著工作面的推進不斷向前推移。當(dāng)工作面推進30 m時，支承壓力峰值約為14.9 MPa，且出現(xiàn)位置在煤壁前方10～15 m范圍內(nèi)，應(yīng)力集中系數(shù)為1.295 4；當(dāng)工作面推進90 m時，支承壓力峰值約為16.8 MPa，最大支承壓力分布在距離煤壁前方15 m位置處；當(dāng)工作面推進120 m時，最大支承壓力分布在距離煤壁前方10 m左右；之后隨著工作面的不斷推進，支承壓力峰值逐漸增大，這是由于隨著工作面的推進，頂板的懸露面積逐漸增大，切眼及煤壁處所受的支承壓力逐步增大；當(dāng)工作面推進至270 m時，支撐壓力達到最大值，分析原因為此時的工作面推進長度與工作面斜長基本一致，即工作面推進至第一次“見方”的位置，此時頂板破壞最為嚴(yán)重。

4 結(jié) 語

1) 隨著工作面推進，應(yīng)力峰值也在向前不斷遷移，且在采空區(qū)中部位置會出現(xiàn)應(yīng)力回彈現(xiàn)象，這是由于采動過程中，采空區(qū)中部頂板垮落，且率先觸底，底板對其產(chǎn)生一定的支撐作用，最終頂板裂隙帶發(fā)育高度為48.6 m，與理論計算結(jié)果接近，具有較大的準(zhǔn)確性。

2) 工作面推進過程中，受煤層開挖擾動影響，采空區(qū)頂板的原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，致使采空區(qū)頂板形成卸壓區(qū)，應(yīng)力也急劇下降；為了維持應(yīng)力平衡狀態(tài)，在超前工作面10～15 m范圍內(nèi)會出現(xiàn)應(yīng)力升高、集中現(xiàn)象，且在工作面第一次“見方”時，覆巖破壞最為嚴(yán)重，切眼及煤壁兩端支承壓力達到最大值。