大采高綜采工作面上覆巖層運移規(guī)律研究

攸志剛

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝礦， 山西 興縣 033600）

煤炭資源存量位居世界前列，煤炭資源的消耗也是極為嚴重。隨著開采年限的增加，一些易開采煤層已經(jīng)開采完畢，為了繼續(xù)為我國國民生活提供一定的保障，我國的煤層開采已經(jīng)朝著難開采煤層進發(fā)。大采高煤層的開采一只是我國研究的熱門話題，其主要呈現(xiàn)出如下特點：機采的高度增加，頂板的控制較為艱難，頂板發(fā)生壓架的事故頻繁。圍巖受采動影響較大，圍巖變形嚴重等。為了解決此類問題，謝福星[1]為了解決大采高工作面的回撤巷道頂板的變形等問題，通過數(shù)值模擬結(jié)合理論分析的研究方法對頂板的破斷形式進行分析，推導出了支架的臨阻公式，為大型綜采設備的搬家作出指導。賀雁鵬[2]在彈性力學及巖石力學的基礎上對淺埋煤層大采高頂板的破斷角進行研究，根據(jù)現(xiàn)場的監(jiān)測給出了大采高頂板的破斷角與計算公式結(jié)果進行比對，驗證了公式的可行性及可靠性。楊勝利[3]為了解決大采高采場的圍巖變形大的問題，通過相似模擬及理論計算的方法對大采高采場的周期來壓頂板的穩(wěn)定性及動載進行分析，給出了頂板不同失穩(wěn)下的沖擊載荷的表達式，解釋了動載產(chǎn)生的機理。張夏歡[4]通過FLAC-3D 數(shù)值軟件對頂板的下沉，煤壁的變形，圍巖的變形情況進行模擬，分析不同支護阻力支架的支護效果，得出了最合理的開采高度及合理的支架阻力，較好的控制了圍巖的變形。本文對特厚煤層綜采工作面的上覆巖層運移規(guī)律及支架與圍巖的相互關(guān)系進行研究，為大采高煤層的安全開采作出了一定的貢獻。

1 覆巖垮落理論計算

山西西山晉興能源有限責任公司斜溝礦（全文簡稱斜溝礦）的13 號煤層厚度約為15 m，選用大采高綜放開采的方法進行開采，在進行8 號煤層的回采時，礦區(qū)由于煤層開采后覆巖的擾動較大的問題發(fā)生大面積的塌陷，所以對斜溝礦8 號及13 號煤層開采過程中覆巖的運動規(guī)律進行研究時十分必要的。

采空區(qū)的頂板巖層可以劃分為垮落帶、彎曲下沉帶及裂隙帶。隨著工作面的推進，采空區(qū)的懸頂長度增加，載礦壓的作用下，頂板會發(fā)生彎曲下沉，當彎曲達到極限時巖石發(fā)生斷裂垮落。將巖層按照其厚度及巖性進行分層，其第i層的載荷可以表示為：

式中：（qn）i表示為第i層上覆巖層對其載荷；Ei到Ei+n為對應層的彈性模量；hi到hi+n為各對應層的厚度；γi到γi+n為對應層的容重。

斜溝礦8 號煤層頂板巖性從上至下依次為粗砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖等。冒落帶的最大高度為：

式中：Hm為冒落帶最大高度，m；α 為煤層的傾角，（°）；Kp為冒落帶巖層碎脹系數(shù)；M為采高，m。根據(jù)查找可得出巖石的碎脹系數(shù)可以表示為表1。

表1 巖石的碎脹系數(shù)參考表

將8 號煤層的地質(zhì)質(zhì)料進行代入，8 號煤層厚度5.7 m，煤層的平均傾角為10°，由于其頂板的分布不均勻性，選定巖石的碎脹系數(shù)為1.2 和1.3?？傻卯攷r石的碎脹系數(shù)為1.2 時，冒落帶的最大高度為28.9 m，當巖石的碎脹系數(shù)選定為1.3 m 時，冒落帶的最大高度為19.3。所以可以推出8 號煤層的冒落帶最大高度在19.3~28.9 m 之間。斜溝礦13 號煤層頂板從上至下依次為砂巖、泥巖、啥質(zhì)泥巖等。13 號煤層的平均厚度為15 m，煤層的平均傾角為10°，同樣代入公式可以得出冒落帶最大高度在50.1~75.1 m。在實際的生產(chǎn)中將裂隙帶及冒落帶的高度統(tǒng)稱為導水裂隙帶，導水裂縫帶的高度可以表示為：

式中：Hli為導水裂縫帶高度，m；M為采高，m。

所以根據(jù)兩者做差可以得出煤層頂板的裂隙帶。計算得出8 號及13 號煤層的裂隙帶高度分別為57.7 m 及87.5 m。8 號煤層及13 號煤上覆巖層垮落及運移規(guī)律如圖1 所示。

圖1 煤層開采上覆巖層運移規(guī)律示意圖

2 覆巖垮落數(shù)值模擬研究

本文為了對覆巖的跨落及裂隙發(fā)育進行研究，選用3DEC 數(shù)值軟件對其進行模擬研究。在進行模擬計算前需要對其進行模型建立，長寬高分別選定為300 m、5 m 及395 m。根據(jù)實際斜溝礦的地質(zhì)條件進行物理參數(shù)的設定，在模型的左右及前后分別設置水平方向的約束，在模型的下底段進行固定約束設置，避免模型產(chǎn)生滑動。由于煤層的頂板巖層完全建立所以無需再頂端施加固定載荷。根據(jù)實際情況對模型圍巖進行施加，每下降1m 圍壓增加0.025MPa。斜溝礦的地層數(shù)值模型如圖2 所示。

由圖2 可知，模型中8 號煤層厚度為5 m，煤層頂部分別為15 m 的砂質(zhì)泥巖，15 m 的泥巖，40 m 的中砂巖層構(gòu)成煤層頂板的基本頂，在距離8 號煤層85 m 至125 m 的位置為頂板的副關(guān)鍵層，距離8 號煤305 m 至335 m 為主關(guān)鍵層，由于直接頂較厚所以開采時周期來壓并不明顯。為了監(jiān)測在8 號煤層進行開采時巖層的下沉情況，本文在推進方向100 m、155 m 及210 m 的位置分別布置監(jiān)測線，用于煤層頂板各巖層的變化情況。如圖3 所示分別為三個測點處巖層的下沉曲線圖。

圖2 斜溝礦地層模型示意圖

圖3 8 號煤層開采時上覆巖層下沉曲線

由圖3-1 可以看出，在100 m 的測點處煤層的下位直接頂在工作面僅推進30 m 的位置時就已經(jīng)完全垮落，而相對于下位直接頂，上位直接頂在工作面推進20 m 的時候發(fā)生下沉，在工作面推進至110的位置時上位直接頂?shù)南鲁了俣却蠓仍黾?，當工作面推?20 m 時，此時的上位直接頂被徹底壓實，此時的下沉量為2.58 m。8 號煤的基本頂在工作面推進40 m 時產(chǎn)生一定的下沉，當工作面推進至110 m時此時的下降速度明顯加快，當工作面推進至130 m時，此時基本頂被壓實，基本頂?shù)南鲁亮窟_到2.1 m，在距離8 號煤層頂板85 m 處的下沉量達到1.37 m。模型的上部土層共下沉了0.66 m。

圖3-2 為8 號煤層開采155 m 測點監(jiān)測到的覆巖下沉曲線，此測點位于8 號煤采空區(qū)中部，根據(jù)圖中所示可知，下位直接頂隨著開采逐步下落，在工作面推進至20 m 的位置時下位直接頂完全垮落，上為直接頂在工作面推至20 m 時開始垮落，當工作面推進至55 m 至60 m 的位置時垮落速度加快，總的下沉量達到4.5 m。在距離煤層頂板150 m 以上的巖層下沉量較小。模型的上部土層共下沉了1.76 m，較100 m 時的測點增加了1.1 m。

圖3-3 為8 號煤層開采210 m 測點監(jiān)測到的覆巖下沉曲線，在距離8 號煤層頂板15 m 的位置下沉量較大，隨著工作面的推進在距離工作面30 m 的位置時下沉量達到最大值4.76 m，在距離8 號煤層頂板30 m 以上的巖層隨著工作面推進都緩慢增加。此測點的巖層累積下沉量與100 m 測點巖層的下沉相差較小，倆側(cè)點距離煤壁均為30 m，但相較100 m 測點的下沉速度有了一定的增加，這是因為100 m 測點的位置處于基本頂及各巖層初次來壓之前，而相應的210 m 測點處于其之后，所以步距較小。

3 結(jié)論

1）本文利用經(jīng)驗公式得出了斜溝礦8 號煤層采后冒落帶的最大高度為28.9 m，裂隙帶的高度約為51 m；13 號煤層的冒落帶高度為75 m，裂隙帶寬度為125 m。

2）利用3DEC 模擬軟件對煤層的地質(zhì)進行建模，通過斜溝礦的實際地質(zhì)條件給出斜溝礦地質(zhì)模型的示意圖。

3）在推進方向100 m、155 m 及210 m 的位置分別布置監(jiān)測線觀察煤層頂板上覆巖層下沉情況，發(fā)現(xiàn)在煤層開采時155 m 測點的上覆巖層總下沉量最大約為1.76 m。