大采高礦壓顯現(xiàn)規(guī)律頂板破裂分析

趙康帥 劉迪 嚴(yán)棟文 徐航

（黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150000）

我國(guó)有重點(diǎn)煤礦后,厚煤層產(chǎn)量就占到了45%以上,煤層的儲(chǔ)量占44%,厚煤層開(kāi)采的基礎(chǔ)必須是高產(chǎn)高效。我國(guó)厚煤層高產(chǎn)高效開(kāi)采的主要方法是綜放開(kāi)采。4 至8m 的穩(wěn)定煤層,綜采工作面開(kāi)采高度大,煤炭回收率高,生產(chǎn)能力大、巷道布置簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)[1]。大采高綜合采礦法,頂板穩(wěn)定性影響著安全和高效的生產(chǎn),是厚煤層高效高產(chǎn)采煤的基本條件,也是采礦工程技術(shù)人員的研究重點(diǎn)[2],以神東煤炭集團(tuán)上灣煤礦四盤區(qū)1-2 煤12401 工作面地質(zhì)條件為背景,對(duì)于不同采高條件下,工作面頂板變形情況及工作面前方情況的研究,對(duì)大采高綜合開(kāi)采方法在其他煤礦的開(kāi)采應(yīng)用具有指導(dǎo)性意義。

1 地質(zhì)條件

內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市額濟(jì)諾洛旗上灣煤礦是國(guó)家能源集團(tuán)神東煤業(yè)集團(tuán)現(xiàn)代化的主要生產(chǎn)礦井之一。3-1 為主要煤層。煤的特點(diǎn)是低硫、低灰、低磷、中高熱值。為不結(jié)塊煤和高揮發(fā)分長(zhǎng)焰煤。上灣煤礦四盤1-2 煤層厚度為7.93-9.68m,平均厚度約8.5m。主頂板為灰白色粉砂巖,厚6.81m,直接頂板為泥巖,厚1.26,底板為灰白色粉砂巖,厚9.08m。地質(zhì)詳情見(jiàn)圖1。

圖1 地質(zhì)詳情

2 數(shù)值模型建立

根據(jù)上灣礦井地質(zhì)資料,各類地質(zhì)經(jīng)簡(jiǎn)化后,各巖層數(shù)值模擬模型的一些力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

9m、6m、3m 厚煤層頂板破裂情況及特征的模擬計(jì)算均采用二維有限元數(shù)值計(jì)算軟件RFPA 軟件進(jìn)行。數(shù)值模擬所需巖層力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖層力學(xué)參數(shù)表

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 采高為3m

3.1.1 直接頂冒落

隨著重力作用下的彎曲,上覆巖層裸露,采場(chǎng)工作面推進(jìn),彎曲沉降發(fā)展到一定限度。巖石梁裂縫結(jié)束后,巖石梁懸空跨度達(dá)到一定值,當(dāng)工作面前進(jìn)至約30m 時(shí),在巖石梁中部開(kāi)裂,形成“假塑性巖梁”,如圖2 所示。當(dāng)巖梁的沉降值超過(guò)“假塑性巖梁”的容許沉降值時(shí),崩落形態(tài)是不對(duì)稱的,冒落高度為3m,直接頂隨采隨冒[3]。懸垂巖層自行下落,如圖3 所示。

圖2 巖層破裂的數(shù)值模擬圖（工作面推進(jìn)30m）

圖3 巖層破裂的數(shù)值模擬圖（工作面推進(jìn)60m）

3.1.2 老頂初次破斷

隨著主頂板在重力作用下的彎曲下沉,采場(chǎng)工作面進(jìn)一步推進(jìn)。如圖4 所示,當(dāng)工作面前進(jìn)到70m 時(shí),采空區(qū)前后壁上的基巖中上部出現(xiàn)拉伸裂紋。當(dāng)工作面推進(jìn)至90m 時(shí),主頂板失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)具有旋轉(zhuǎn)切割特征,橫向下降形狀呈不對(duì)稱,如圖5 所示。

圖4 巖層破裂的數(shù)值模擬圖（工作面推進(jìn)70m）

圖5 巖層破裂的數(shù)值模擬圖（工作面推進(jìn)90m）

3.1.3 老頂周期性破斷

主頂板破壞后,如圖6 所示,當(dāng)工作面推進(jìn)至100m 時(shí),上頂板出現(xiàn)分層下沉。當(dāng)工作面推進(jìn)至110m時(shí),上部頂板開(kāi)裂、下沉并開(kāi)始旋轉(zhuǎn),上部頂板的第一次周期性移動(dòng)結(jié)束。如圖7 所示。

圖6 巖層破裂的數(shù)值模擬圖（工作面推進(jìn)100m）

圖7 巖層破裂的數(shù)值模擬圖（工作面推進(jìn)110m）

3.2 采高為6m

3.2.1 直接頂冒落

當(dāng)在巖石梁中部形成“假塑性巖梁”時(shí),工作面前進(jìn)到約30m,如圖8 所示,崩落形狀不對(duì)稱,懸浮巖層自動(dòng)下落。當(dāng)“假塑性巖梁”巖梁的沉降值超過(guò)允許沉降值時(shí),崩落高度為6m。隨著工作面的不斷推進(jìn),直接頂板隨開(kāi)采而落下。如圖9 所示。

圖8 巖層破裂的數(shù)值模擬圖（工作面推進(jìn)30m）

圖9 巖層破裂的數(shù)值模擬圖（工作面推進(jìn)50m）

3.2.2 老頂初次破斷

當(dāng)工作面推進(jìn)至70m 時(shí),采空區(qū)前后煤壁上方的基巖中出現(xiàn)拉伸裂縫,如圖10 所示。當(dāng)工作面推進(jìn)至85m 時(shí),如圖11 所示,橫坡形狀不對(duì)稱,基巖主頂板首次坍塌。

圖10 巖層破裂的數(shù)值模擬圖（工作面推進(jìn)70m）

圖11 巖層破裂的數(shù)值模擬圖（工作面推進(jìn)85m）

3.2.3 老頂周期性破斷

如圖12 所示,上部屋頂斷裂。主頂板第一次破碎后,當(dāng)工作面推進(jìn)至95m 時(shí),當(dāng)工作面推進(jìn)至105m 時(shí),上頂板離開(kāi)該層并開(kāi)始旋轉(zhuǎn)下沉,上頂板第一次周期性移動(dòng)結(jié)束。如圖13 所示。

圖12 巖層破裂的數(shù)值模擬圖（工作面推進(jìn)95m）

圖13 巖層破裂的數(shù)值模擬圖（工作面推進(jìn)105m）

3.3 采高為9m

3.3.1 直接頂冒落

“假塑性巖梁”是由巖石梁中部開(kāi)裂形成的。當(dāng)工作面推進(jìn)到20m左右時(shí),裸露巖層將自行下落。當(dāng)巖梁的沉降值超過(guò)“假塑性巖梁”的容許沉降值時(shí),崩落形態(tài)是不對(duì)稱的,直接頂隨采隨冒。

3.3.2 老頂初次破斷

老主頂板發(fā)生大規(guī)模塑性變形,采空區(qū)前后煤壁上方基巖出現(xiàn)拉伸裂縫。當(dāng)工作面前進(jìn)到50m 時(shí)。當(dāng)工作面推進(jìn)到60m 時(shí),基巖老頂失穩(wěn)下沉。

3.3.3 老頂周期性破斷

當(dāng)工作面前進(jìn)到70m 時(shí),主頂板首次斷裂后,上頂板出現(xiàn)中間端的分離和斷裂,開(kāi)始旋轉(zhuǎn)和下沉,上部頂板的第一周期運(yùn)動(dòng)結(jié)束。

4 結(jié)論

4.1 通過(guò)數(shù)值的模擬結(jié)果分析可知,重力作用下巖梁懸空和巖層破碎的過(guò)程是：隨著工作面的推進(jìn),分層、彎曲和彎曲沉降發(fā)展到一定的極限,當(dāng)巖梁懸空達(dá)到一定的跨度時(shí),"假塑性巖梁"是在煤壁端部和中部開(kāi)裂形成的,當(dāng)其沉降值超過(guò)允許沉降值時(shí),"假塑性巖梁"懸移巖層將自行下落[4]。上述巖層破碎過(guò)程總體趨勢(shì)為自下而上。直接頂板隨開(kāi)采而破碎。當(dāng)工作面推進(jìn)到一定距離時(shí),隨著工作面推進(jìn),主頂板第一次斷裂,老頂呈現(xiàn)出周期性破斷。

4.2 通過(guò)分析3m、6m、9m 煤層一次采全高數(shù)值模擬,應(yīng)力集中程度隨煤厚的增大而增大,最大應(yīng)力數(shù)值隨煤厚的增大而增大,老頂破斷周期步距隨煤厚的增大而減小。