緩傾斜煤層綜采工作面覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律及礦壓特征分析

崔慧斌

（霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司團(tuán)柏煤礦，山西 霍州 031414）

0 引 言

隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采技術(shù)的逐漸發(fā)展，眾多學(xué)者為研究緩傾斜煤層煤巖體的受力情況及上覆巖層的運(yùn)動(dòng)情況，通過(guò)巖石力學(xué)彈塑性理論，通過(guò)觀察煤巖體受力過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變情況，分析上覆巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并在具體工程實(shí)踐中得到驗(yàn)證[1]。如賈喜榮教授[2-3]認(rèn)為巖層在受壓時(shí)，軟弱巖層會(huì)首先出現(xiàn)變形移動(dòng)，并提出了煤巖體的“薄板礦壓理論”，認(rèn)為軟弱巖層是導(dǎo)致覆巖產(chǎn)生變形破壞的主要原因；高云峰[4]運(yùn)用數(shù)值模擬軟件對(duì)棗泉煤業(yè)的緩傾斜煤層的圍巖變形情況進(jìn)行分析，得出錨索網(wǎng)等聯(lián)合支護(hù)形式下巷道會(huì)出現(xiàn)非對(duì)稱變形的情況，同時(shí)聯(lián)合支能夠有效的將破碎巖體與穩(wěn)定巖體連接起來(lái)，形成“壓縮拱”結(jié)構(gòu)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)得到驗(yàn)證；代沛[5]通過(guò)具體工程背景運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)礦壓實(shí)測(cè)等綜合的研究方法，將緩傾斜中厚煤層回采過(guò)程中采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行時(shí)空劃分，并得出上覆巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。本文主要對(duì)李雅莊煤礦2-611綜采工作面上覆巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析，通過(guò)建立數(shù)值模擬模型，得出工作面的初次來(lái)壓及周期來(lái)壓步距，來(lái)壓時(shí)的特征，并通過(guò)礦壓觀測(cè)得到驗(yàn)證。

1 工程概況

霍州煤電李雅莊煤礦2-611工作面走向長(zhǎng)度為1285m，傾斜長(zhǎng)度為205m，主采2#煤層，煤層厚度為2.85～3.70m，均厚 3.27m，煤層傾角為 5°～12°，平均傾角為7°，屬于緩傾斜煤層。工作面位于355水平，基巖厚度為583m，煤層為復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層，一般含1層夾矸，夾矸以泥巖或炭質(zhì)泥巖為主。煤層直接頂為細(xì)粉砂巖，均厚2.77m，基本頂為中砂巖，均厚為6.85m，直接底為粉砂巖，均厚為1.69m，老底為泥巖，均厚為3.54m，煤層頂?shù)装寤緸檐浫鯉r層，工作面采用綜采采煤方法，全部垮落法管理頂板。

2 工作面上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

2.1 數(shù)值模擬模型建立

根據(jù)2#煤層頂?shù)装鍘r性及賦存條件，通過(guò)UDEC數(shù)值模擬軟件建立2#煤層頂?shù)装辶W(xué)模型，模型長(zhǎng)200m，高78m，設(shè)計(jì)開(kāi)挖高度為2m，模型的左右邊界條件為均為固支，根據(jù)2-611工作面地質(zhì)資料，模擬使用的煤（巖）體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 2#煤層頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)

模型建立完后，工作面開(kāi)切眼的位置距離模型左側(cè)邊界的距離為45m，模擬過(guò)程共推進(jìn)85m，每次推進(jìn)距離為5m，分別對(duì)工作面推進(jìn)15m、25m、35m、45m時(shí)分別進(jìn)行出圖具體分析上覆巖層的運(yùn)動(dòng)情況。

圖1 2-611工作面回采過(guò)程中覆巖運(yùn)動(dòng)情況

根據(jù)圖1（a）能夠得出，在2-611工作面推進(jìn)15m后，直接頂與基本頂均已經(jīng)全部垮落，且?guī)r層破斷后已經(jīng)對(duì)基本頂以上的巖層產(chǎn)生影響，導(dǎo)致其彎曲變形，在直接頂全部垮落后，破碎巖體充填采空區(qū)，基本頂在中部發(fā)生切落，且基本頂巖層在破斷同時(shí)會(huì)相互擠壓，形成砌體梁咬合結(jié)構(gòu)，此時(shí)基本頂上覆巖層會(huì)彎曲向下變形，此時(shí)為工作面的初次來(lái)壓；從圖1(b)中能夠看出，當(dāng)工作面推進(jìn)25m時(shí)，基本頂及其上覆巖層會(huì)出現(xiàn)類似與圖1（a）所示的斷裂變形情況，裂隙在基本頂上覆巖層逐漸延伸，頂板懸露距離較短，則形成的短砌體梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)滑落失穩(wěn)，基本頂與直接頂一起充填采空區(qū)，上覆巖層至地表出現(xiàn)彎曲下沉現(xiàn)象，沉降約為0.25m，此時(shí)認(rèn)為工作面周期來(lái)壓，來(lái)壓步距約為15m；當(dāng)工作面推進(jìn)35m、45m時(shí)，由圖1(c)、(d)能夠看出上覆巖層明顯呈現(xiàn)“兩帶”式分布，且隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，上覆巖層會(huì)出現(xiàn)周期性的切落，彎曲下沉現(xiàn)象，故能夠得出2-611工作面上覆巖層隨著回采工作的進(jìn)行呈現(xiàn)出周期性運(yùn)動(dòng)，且從分析知工作面來(lái)壓步距較短。

在模型建立時(shí)，通過(guò)在基本頂深3m的位置處埋設(shè)測(cè)線，共布置10個(gè)測(cè)點(diǎn)，在進(jìn)行回采開(kāi)挖時(shí)，通過(guò)監(jiān)測(cè)基本頂垂直方向的應(yīng)力變化情況，得出工作面推進(jìn)不同距離時(shí)豎直方向應(yīng)力分布曲線圖如圖2所示。

圖2 工作面推進(jìn)不同距離時(shí)基本頂測(cè)點(diǎn)豎直方向應(yīng)力變化曲線

根據(jù)圖2能夠得出，在工作面推進(jìn)15m時(shí)，豎直方向應(yīng)力值變化較大，，在工作面推進(jìn)約15m時(shí)工作面出現(xiàn)初次來(lái)壓，初次來(lái)壓時(shí)豎直應(yīng)力的峰值出現(xiàn)在工作面前方5～7m的巖層內(nèi)，因?yàn)榛卷攷r層切落后，并未與上覆巖層形成結(jié)構(gòu)，故在工作面剛推進(jìn)一段距離時(shí)受到上覆巖層的沖擊荷載相對(duì)較?。辉诠ぷ髅嫱七M(jìn)25m后，應(yīng)力峰值在工作面前方7m左右，其豎直應(yīng)力值為4.97MPa，此時(shí)基本頂形成的砌體梁結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生滑落失穩(wěn)[6]，覆巖會(huì)隨著基本頂?shù)钠茢喽新?，此時(shí)會(huì)對(duì)工作面造成較大的沖擊荷載；在工作面推進(jìn)35m、45m及85m時(shí)垂直應(yīng)力的峰值基本均出現(xiàn)工作面前方10m，呈現(xiàn)出周期性變化，最大應(yīng)力峰值為5.0MPa。通過(guò)上述分析能夠得知上覆巖層滑落失穩(wěn)會(huì)造成工作面周期來(lái)壓較為強(qiáng)烈，因此可以根據(jù)短砌體梁結(jié)構(gòu)計(jì)算出合理的支架支護(hù)阻力，用以防止上覆短砌體梁發(fā)生滑落失穩(wěn)。

3 工作面礦壓實(shí)測(cè)及分析

2-611工作面采用一次采全高的采煤工藝，通過(guò)對(duì)工作面回采期間液壓支架工作阻力的來(lái)壓情況進(jìn)行分析，觀測(cè)支架位置主要在工作面的中部，主要對(duì)90#～140#支架回采時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測(cè)，同時(shí)以5個(gè)支架為一組，共設(shè)置11組進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)工作面向前推進(jìn)27m范圍內(nèi)進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)，將所得數(shù)據(jù)繪制成曲線圖如圖3所示。

通過(guò)對(duì)圖3進(jìn)行分析能夠得出，工作面在推進(jìn)約14.5m時(shí)，初次來(lái)壓，初次來(lái)壓持續(xù)約5～6m的距離，此時(shí)液壓支架的平均工作阻力為3.41MPa，最大工作阻力為4.65MPa，來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)1.38；當(dāng)工作面推進(jìn)約25時(shí)，為第一次周期來(lái)壓，來(lái)壓持續(xù)時(shí)間約為4～5m，此時(shí)液壓支架的平均工作阻力為3.56MPa，最大工作阻力為4.69MPa，來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)為1.65，周期來(lái)壓的持續(xù)距離約為4～5m，且應(yīng)力峰值大于初次來(lái)壓。具體工作面液壓支架的來(lái)壓步距情況如表2所示。根據(jù)回采過(guò)程中的觀測(cè)，在來(lái)壓時(shí)工作面煤壁片幫情況加劇，工作面與回采巷道的交叉處錨桿有明顯的變形，同時(shí)工作面的局部區(qū)域出現(xiàn)漏頂?shù)那闆r，便需對(duì)該部分區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。根據(jù)分析工作面回采過(guò)程中液壓支架的工作阻力得出的初次及周期來(lái)壓情況與數(shù)值模擬結(jié)果相同。

圖3 回采過(guò)程中支架工作阻力變化曲線

表2 工作面回采過(guò)程中來(lái)壓步距情況

4 結(jié) 論

1）通過(guò)對(duì)2-611工作面進(jìn)行數(shù)值模擬，得出工作面推進(jìn)約15m時(shí)工作面上方基本頂發(fā)生破斷，上覆巖層出現(xiàn)彎曲下沉及切落現(xiàn)象，此時(shí)代表著工作面初次來(lái)壓；在工作面推進(jìn)約25m時(shí)，工作面上覆巖層會(huì)出現(xiàn)類似于初次來(lái)壓時(shí)的情況，表明此時(shí)為周期來(lái)壓，模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)一致。

2）緩傾斜煤層工作面上覆巖層的運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)周期性的變化規(guī)律，且周期來(lái)壓時(shí)礦壓顯現(xiàn)劇烈，來(lái)壓步距較短，根據(jù)上覆巖層松軟的特性，形成的短砌體梁結(jié)構(gòu)發(fā)生滑落失穩(wěn)時(shí)，覆巖會(huì)發(fā)生切落，導(dǎo)致工作面來(lái)壓強(qiáng)烈，可通過(guò)分析短砌體梁結(jié)構(gòu)合理選擇液壓支架，保證工作面的安全回采。