綜放工作面頂板運(yùn)移及垮落數(shù)值模擬研究

柳 軼(山西焦煤集團(tuán) 投資公司，山西 太原 030021)

礦山壓力控制是厚煤層綜放開采安全高效開采的重要前提。上覆巖層結(jié)構(gòu)運(yùn)動變化是影響采場礦壓顯現(xiàn)的主要原因[1]. 目前，針對頂板覆巖結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，國外主要有懸臂梁假說、壓力拱假說、鉸接巖塊假說，國內(nèi)則有傳遞巖梁理論、砌體梁理論、關(guān)鍵層理論以及薄板理論等，這些理論對上覆巖層結(jié)構(gòu)變化特征以及采場礦壓規(guī)律進(jìn)行了充分的研究，對掌握回采過程中工作面頂板覆巖結(jié)構(gòu)變化特征和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律具有重要的意義[2-3].

趙莊礦二號井1304工作面采用綜放開采技術(shù)，其相鄰的1305工作面采用綜采技術(shù)。對于普通綜采和大采高綜放開采，頂板巖層變化運(yùn)動特征不同，礦壓顯現(xiàn)特征也不相同。所以，正確掌握不同類型工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，對保障安全生產(chǎn)具有重要的意義。

1 工程概況

1304工作面煤層平均厚度為5.36 m，平均傾角約為6°，采用走向長壁采煤法，開采煤層為3#煤層，其中機(jī)采采高2.8 m，放頂煤厚度為2.56 m. 工作面長度145.8 m，自開切眼到停采線長度為538.6 m.

2 頂?shù)装迩闆r

1304工作面無偽頂，直接頂為泥巖和細(xì)粒砂巖，平均厚度1.8 m，節(jié)理裂隙不發(fā)育，普氏硬度f=3～4，自然狀態(tài)下單向抗壓強(qiáng)度為46.2～65.4 MPa；基本頂主要為粉砂巖，平均厚度1.6 m. 工作面的直接底主要為泥巖，平均厚度0.6 m. 基本底主要為粉砂巖，平均厚度為2.0 m，呈中厚層狀，層理均勻。

3 數(shù)值計算

3.1 數(shù)值計算軟件

本文采用UDEC數(shù)值模擬軟件，該軟件是以離散元為基礎(chǔ)的二維計算程序，主要應(yīng)用于非連續(xù)單元體在靜載或動載條件下的計算，通過模型中塊體組合變化形態(tài)展示變化過程[4-5]. 根據(jù)1304工作面的實(shí)際地質(zhì)條件，建立放頂煤工作面回采模型，模擬該工作面在回采過程中，上覆巖層運(yùn)動和變化規(guī)律。通過數(shù)值模擬結(jié)果，直觀了解上覆圍巖變化特征，并與1305綜采工作面進(jìn)行對比，進(jìn)一步掌握綜放工作面頂板及上覆巖層的垮落特征。

在數(shù)值模擬研究過程中，當(dāng)工作面老頂發(fā)生初次來壓和周期來壓時，上覆巖層運(yùn)移和垮落特征較為明顯。所以，本文對3#煤層開挖，模擬工作面推進(jìn)到48 m(老頂初次來壓)，68 m(第一次周期來壓)，88 m(第二次周期來壓)進(jìn)行計算，并與1305工作面回采過程中頂板運(yùn)移變化情況進(jìn)行對照比較。

3.2 數(shù)值模型建立

采用UDEC離散元軟件，根據(jù)1304工作面地質(zhì)情況建立二維計算模型，模型長為300 m，高為69.3 m. 由于煤層傾角較小，不考慮煤層傾角對模型的影響。按照表1實(shí)驗(yàn)得到煤巖物理性質(zhì)參數(shù)對模型各層進(jìn)行賦值。

對于模型邊界的處理，固定模型的左右邊界，限制在水平方向位移為零；固定模型的上下邊界，限制在垂直方向位移為零。由于模型未建立到地表，根據(jù)海姆假說及模型的埋深，在模型上部邊界施加均布載荷，模擬上部巖層自重應(yīng)力。為了提高計算精度，對3#煤層網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)分。主要煤巖層數(shù)值模擬力學(xué)參數(shù)表見表1. UDEC建立的開挖計算模型見圖1.

表1 主要煤巖層數(shù)值模擬力學(xué)參數(shù)表

圖1 UDEC建立的開挖計算模型圖

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果

使用放頂煤方法開采煤層時，由于頂煤起到了采場直接頂?shù)淖饔?，對上覆巖層起到了一定的支承作用，相比于綜采工作面，放頂煤上覆巖層運(yùn)移表現(xiàn)出其特有的特征。1304、1305綜放工作面老頂初次垮落模型圖分別見圖2,3.

圖2 1304綜放工作面老頂初次垮落模型圖

圖3 1305綜采工作面老頂初次垮落模型圖

根據(jù)圖2所示，當(dāng)1304工作面推進(jìn)至48 m時，發(fā)生老頂初次來壓，在工作面后方，上覆巖層冒落，矸石充滿采空區(qū)，老頂巖層形成了“砌體梁”的平衡結(jié)構(gòu)。對比圖2和圖3分析可知：1) 老頂初次來壓時，1304綜放工作面的老頂斷裂線位于煤壁后方，而1305綜采工作面老頂斷裂線位于煤壁前方位置。2) 1305綜采工作面老頂“砌體梁”結(jié)構(gòu)巖層結(jié)構(gòu)特征比1304綜放工作面的明顯，在綜采工作面上方并未形成類似的“橋拱”平衡結(jié)構(gòu)。1304、1305綜放工作面老頂?shù)谝淮沃芷诳迓淠Ｐ蛨D分別見圖4,5.

圖4 1304綜放工作面老頂?shù)谝淮沃芷诳迓淠Ｐ蛨D

圖5 1305綜采工作面老頂?shù)谝淮沃芷诳迓淠Ｐ蛨D

根據(jù)圖4，當(dāng)工作面推進(jìn)到68 m時，即工作面老頂?shù)谝淮沃芷趤韷?，采空區(qū)冒落的矸石在上覆巖層的作用下被完全壓實(shí)，隨著工作面的推進(jìn)，老頂巖層進(jìn)一步發(fā)生斷裂。對比圖4和圖5可知：1) 老頂?shù)谝淮沃芷趤韷簳r，1304綜放工作面的老頂斷裂線位于煤壁后方，而1305綜采工作面老頂斷裂線位于煤壁前方位置。2) 1304綜放工作面上覆巖層的垮落強(qiáng)度特征沒有1305綜采工作面明顯；1304綜放面垮落的上覆巖層在工作面控頂區(qū)位置處形成了一個小型的“橋拱”平衡結(jié)構(gòu)，而在1305綜采工作面上方巖層，沒有形成類似的結(jié)構(gòu)。1304、1305綜放工作面老頂?shù)诙沃芷诳迓淠Ｐ蛨D見圖6,7.

圖6 1304綜放工作面老頂?shù)诙沃芷诳迓淠Ｐ蛨D

圖7 1305綜采工作面老頂?shù)诙沃芷诳迓淠Ｐ蛨D

由圖6和圖7分析可知， 當(dāng)工作面推進(jìn)到88 m位置時，即老頂發(fā)生第二次周期來壓，1304綜放工作面和1305綜采工作面的老頂垮落特征區(qū)別仍然主要表現(xiàn)在老頂斷裂線位置以及上覆巖層的垮落強(qiáng)度和特征形成的“橋拱”結(jié)構(gòu)兩個方面，其基本結(jié)構(gòu)變化與第一次周期來壓變化基本相同。

模擬結(jié)果顯示，1304和1305工作面開采方式不同，其上覆巖層運(yùn)移變化規(guī)律情況不同，在綜放工作面上方，由于頂煤的作用，直接頂巖層變厚，為上覆巖層的垮落提供了支承和傳遞的作用，造成綜放工作面礦壓顯現(xiàn)緩和，變化特征不明顯。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)趙莊礦二號井1304和1305工作面的實(shí)際地質(zhì)條件建立數(shù)值模型。利用UDEC離散元軟件對1304綜放工作面及相鄰1305綜采工作面進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，根據(jù)其回采方式不同，模型中煤層開挖方式不同，對比了上覆巖層的垮落運(yùn)移特征，得到以下研究結(jié)果：

1) 1304綜放工作面老頂斷裂線出現(xiàn)在工作面煤壁的后方，而1305綜采工作面老頂?shù)臄嗔丫€位置出現(xiàn)在工作面煤壁前方位置；1304綜放工作面上覆巖層的斷裂垮落強(qiáng)度沒有1305綜采工作面劇烈，說明綜放工作面老頂來壓強(qiáng)度較綜采工作面小。

2) 在綜放工作面的開采過程中，工作面上方頂煤起到了直接頂?shù)淖饔?，為上位巖層的垮落提供了支承和傳遞作用，垮落的上覆巖層在工作面控頂區(qū)位置處形成了一個小型的“橋拱”平衡結(jié)構(gòu)，減緩了礦山壓力顯現(xiàn)。

[1] 吳 健，閏少宏.確定綜放面支架工作阻力的基本概念[J].采礦與安全工程學(xué)報，1995(Z1)：67-71.

[2] 陸明心，郝海金，吳 健.綜放開采上位巖層的平衡結(jié)構(gòu)及其對采場礦壓顯現(xiàn)的影響[J].煤炭學(xué)報，2002，27(6)：591-595.

[3] 王家臣，吳 健，李 報，等.特厚軟煤層綜放開采礦壓觀測與分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，1997(9)：2-5.

[4] 司榮軍，王春秋，譚云亮.采場支承壓力分布規(guī)律的數(shù)值模擬研究[J].巖土力學(xué)，2007，28(2)：351-353.

[5] 劉吉波，廉旭剛，戴華陽，等.基于UDEC的巖層與地表移動動態(tài)模擬研究[J].煤礦開采，2014，19(3)：104-107.