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)。
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
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。
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)
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。
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。