特厚煤層綜放工作面開采采厚效應(yīng)研究

郎明輝

(山西省晉能控股集團(tuán)晉城煤炭事業(yè)部 億欣煤業(yè)，山西 晉城 048200)

隨著國內(nèi)煤炭開采技術(shù)及裝備水平的提高，煤層開采厚度也在不斷增加。煤層開采厚度增加使得采場覆巖結(jié)構(gòu)、應(yīng)力分布表現(xiàn)出了不同的特征。這些新的特征，如果不能及時(shí)掌握并加以控制，有時(shí)會(huì)造成頂板災(zāi)害[1-3]。呂嘉錕等[4]通過數(shù)值模擬及理論分析研究了采厚變化條件下，采場支承應(yīng)力分布特征；馬月連等[5]通過相似模擬試驗(yàn)對6～12 m采高變化時(shí)，覆巖三帶變化及礦壓特征進(jìn)行了研究。國內(nèi)學(xué)者對于采厚變化后覆巖結(jié)構(gòu)、應(yīng)力分布進(jìn)行了大量的研究，取得了豐碩的成果，但是采厚較多局限于12 m以下，對于特厚煤層采厚效應(yīng)的研究成果較少。因此研究特厚煤層綜放工作面采厚效應(yīng)對于采場圍巖控制、保證回采巷道圍巖穩(wěn)定性具有極其重要的意義。

1 工程概況

山西某礦主采3～5號(hào)煤層，煤層厚度為8.36～29.21 m，平均17.52 m；傾角為2～6°，平均3°。3～5號(hào)煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多見分岔合并現(xiàn)象，沉積環(huán)境不穩(wěn)定。煤層節(jié)理較發(fā)育，中等以上硬度；煤體抗壓強(qiáng)度27～37 MPa，平均32 MPa；煤層基本頂為灰白色中粒砂巖，厚度2.30～14.15 m，平均7.40 m；直接頂為黃白色、灰色煌斑巖，厚度4.77～39.44 m，平均17.72 m；直接底為灰褐色高嶺巖，厚度1.66～3.25 m，平均2.51 m；煤層采用綜采放頂煤一次采全高的采煤方法開采，放煤方式采用一刀一放雙輪順序放煤的方式。

2 特厚煤層綜放開采覆巖結(jié)構(gòu)

特厚煤層綜放開采采出的煤層厚度較大，隨著煤層不斷開采形成了大尺度的采空區(qū)，使得覆巖結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了新的變化，對比普通厚度的煤層，更高的層位才能形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)[4]。

隨著特厚煤層采厚增加，覆巖垮落帶也隨之增加，然而煤層開采后形成的大尺度采空區(qū)，直接頂巖石無法完全充滿，難以形成有效的支撐，直接導(dǎo)致基本頂巖層破斷并發(fā)生大幅度的回轉(zhuǎn)變形。因此，對于特厚煤層綜放開采條件下，煤層頂板中的中、低位關(guān)鍵層多以懸臂梁形式破斷，高位關(guān)鍵層由于所處的層位較高，其回轉(zhuǎn)變形量逐漸減小，最終形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，即形成“低位懸臂梁+高位砌體梁”的結(jié)構(gòu)特征。所以，在同等條件下，特厚煤層綜放開采比一般厚度煤層覆巖破斷規(guī)模大、穩(wěn)定結(jié)構(gòu)所處層位高、頂板回轉(zhuǎn)變形幅度大，如圖1所示。

圖1 特厚煤層采場覆巖結(jié)構(gòu)模型

3 數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

采用CDEM數(shù)值模擬軟件建立xy二維數(shù)值模型，數(shù)值模型包含煤層底板24 m，煤層及頂板146 m范圍。長度x為500 m，高度y為170 m。模型邊界條件：x方向兩側(cè)位移約束，y方向底面位移約束，y方向頂面施加8.75 MPa的垂直面力，模擬上覆350 m左右的巖層自重壓力。模型采用四邊形網(wǎng)絡(luò)，共分為8層，煤巖物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，其中從下向上第5層和第7層為關(guān)鍵層，如圖2所示。

表1 模型煤巖物理力學(xué)參數(shù)

針對現(xiàn)場工作面開采條件，不改變巖層層序，分別選取綜放面釆厚3.5 m、6 m、9 m、12 m、15 m、18 m進(jìn)行數(shù)值模擬，分析3～5號(hào)煤覆巖隨采厚變化的演化過程及側(cè)向應(yīng)力場演化規(guī)律。

圖2 數(shù)值模型

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1 不同采厚覆巖結(jié)構(gòu)演化特征

工作面開采過程中不同采厚采場覆巖結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出不同的特征，圖3為采厚為3.5 m、6 m、9 m、12 m、15 m、18 m條件下采場覆巖的結(jié)構(gòu)特征。

圖3 不同采厚條件下覆巖結(jié)構(gòu)特征

由圖3可知，不同采厚條件下覆巖結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出不同的特征，在采厚小于6 m之前，低位關(guān)鍵層可以形成穩(wěn)定的鉸接結(jié)構(gòu)，煤層回采影響對于關(guān)鍵層以上巖層影響有限，原因主要是在該采厚條件下，直接頂巖層能夠充滿采空區(qū)；當(dāng)采厚增大到9 m時(shí)，低位關(guān)鍵層出現(xiàn)了明顯裂隙，且端部出現(xiàn)了明顯的滑移現(xiàn)象，此時(shí)高位關(guān)鍵層受到影響，出現(xiàn)了裂隙變形；當(dāng)采厚增加至15 m時(shí)，低位關(guān)鍵層已經(jīng)形成了明顯的懸臂梁結(jié)構(gòu)，高位關(guān)鍵層形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，控制著其以上的巖體，但是高位關(guān)鍵層以下巖體出現(xiàn)了明顯的滑動(dòng)現(xiàn)象。可見隨著采厚的逐漸增加，煤層回采導(dǎo)致的影響逐漸向高位發(fā)展，低位關(guān)鍵層形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，高位關(guān)鍵層形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，當(dāng)采厚增加到一定程度時(shí)，煤層覆巖會(huì)出現(xiàn)整體的滑移現(xiàn)象。

3.2.2 不同采厚支承應(yīng)力演化特征

工作面開采過程中不同采厚采場支承應(yīng)力表現(xiàn)出不同的特征，圖4為采厚為3.5 m、6 m、9 m、12 m、15 m、18 m條件下采場支承壓力演化規(guī)律。

圖4 不同釆厚支承壓力演化規(guī)律

從圖4可以看出，隨著采厚增加，側(cè)向應(yīng)力峰值逐漸降低，峰值距煤壁距離逐漸增加，應(yīng)力影響范圍逐漸增加，應(yīng)力降低區(qū)范圍逐漸增加。采厚由3.5 m增加到18 m后，傾向支承壓力峰值分別為34.95 MPa、33.87 MPa、33.23 MPa、32.47 MPa、32.09 MPa、31.52 MPa；傾向支承壓力峰值距煤壁的距離分別為20 m、23 m、26 m、30 m、34 m、38 m；傾向支承壓力影響范圍分別距煤壁75 m、80 m、86 m、93 m、99 m、107 m。傾向支承壓力降低區(qū)分別為0～11 m、0～12 m、0～14 m、0～16 m、0～17 m、0～18 m。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，在開采特厚煤層時(shí)，必須要加強(qiáng)工作面頂板管理，防止大面積切頂事故發(fā)生，日常要加強(qiáng)超前工作面107 m范圍內(nèi)巷道的檢查和維護(hù)。在回采巷道保護(hù)煤柱選擇時(shí)，根據(jù)巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)的理論，巷道煤柱選擇不易超過18 m。

4 結(jié) 語

1) 通過理論分析建立了特厚煤層綜放開采覆巖結(jié)構(gòu)模型，分析了煤層回采過程中覆巖結(jié)構(gòu)特征，提出了“低位懸臂梁+高位砌體梁”的結(jié)構(gòu)特征，并在數(shù)值模擬過程中得到了驗(yàn)證。

2) 通過數(shù)值模擬研究，明確了采厚變化時(shí)，覆巖結(jié)構(gòu)演化特征，當(dāng)采厚增加到9 m以后，覆巖會(huì)出現(xiàn)明顯的整體滑移現(xiàn)象。

3) 通過數(shù)值模擬研究，得出了隨著煤層采厚的增加，側(cè)向應(yīng)力峰值逐漸降低，峰值距煤壁距離逐漸增加，應(yīng)力影響范圍逐漸增加，應(yīng)力降低區(qū)范圍逐漸增加的應(yīng)力特征。