深部大采高綜放開采覆巖運動規律研究

于克梁+張貴銀+于濤

摘??要：龍堌煤礦1301工作面為深井大采高綜放工作面，為了分析大采高條件下綜放開采煤壁裂隙的發育特征，應用UDEC軟件研究了在深井復雜條件下，采場應力隨著工作面推進的分布特征和頂煤塑性破壞規律的影響，確定了1302工作面基本頂來壓時，超前支承壓力峰值點位置至煤壁距離由來壓前的8.5?m變為12.2?m（初次來壓），周期來壓步距為23?m。

關鍵詞：復雜深井;大采高綜放;覆巖運動;數值模擬

中圖分類號：TD323???????????????文獻標識碼：A???????????????DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.14.007

由國內外現有深井復雜條件下厚煤層開采覆巖運動規律的研究狀況可知，目前，深井綜放開采中存在一個明顯的不足，即在深井復雜地質條件下，覆巖運動規律研究與采煤工藝研究相分離，造成了設計環節與生產實際情況相脫節，給安全、高效生產帶來了一定的困難。綜放開采作為一種特殊的開采方法，其開采工藝有別于其他采煤工藝，所以，在頂煤破碎規律、工藝等方面存在很大的差異，而深井復雜條件下的礦山壓力與頂煤破碎之間的關系也需要作進一步的研究。鑒于此，針對龍固煤礦的實際開采情況和地質條件，利用UDEC模擬，分析了大采高條件下礦山壓力分布和煤矸放落的規律，確定了放煤步距、放煤方式等放煤工藝參數。

1??工程概況

龍堌煤礦區屬黃河沖積平原，地形平坦，地面平均標高為+43.26?m，主要開采煤層為3煤，煤層厚度為5.66～11.36?m，平均8.82?m，傾角為2°～5°，平均埋深850?m。1301工作面內3煤層頂底板情況如表1所示。

表1??3煤頂、底板特征

頂、底板

巖石名稱

厚度/m

特征

基本頂

粉砂巖互層

12.42

灰綠色，深灰色水平層理，有黃鐵礦薄膜和植物化石

直接頂

粉砂巖

2.35

深灰色，內有大量植物化石碎屑，層面見有黃鐵礦薄膜

直接底

粉砂巖

0.8

灰黑色，夾有細砂奪，硬度較大，內有萬解石

基本底

細砂巖

2.1

灰白綠色，夾有粉砂巖薄層，有萬解石薄膜和黃鐵礦晶體

2??深井綜放采場圍巖破壞運動規律研究

綜采放頂煤開采頂煤經過破碎和放出2個過程，頂煤破碎是支架與頂板壓力共同作用的結果，是放頂煤開采的關鍵。采用UDEC數值模擬，分析了不同采高條件下頂板覆巖應力分布規律和頂煤破壞特征，并確定了上覆巖層的破壞運動規律。

數值模擬模型的相關參數為：煤層厚度8.8?m，在綜放開采條件下，采3?m，放5?m。在模擬過程中，按水平煤層處理，模擬采深為800?m，模擬采用的煤巖體物理力學參數如表2所示。

表2??計算采用的煤巖體物理力學參數

放頂煤采場壓力拱的形成

分步開挖中的巖體應力矢量如圖1所示。

圖1??分步開挖中的巖體應力矢量

由圖1可知，采空區兩側煤壁受力比較大，而采空區上部覆巖受力比較小。應力曲線是將采場上部方向一致的應力矢量平滑連接起來形成的，覆巖應力曲線的特點是：應力曲線起于采空區后部煤壁，終止于煤壁前方，拱腳壓力比較大，拱頂處應力最高，即從拱頂到拱腳，軸向力逐漸遞增，體現出了應力拱的受力特性。由應力曲線的梯度可知，上方的應力拱承載應力大于下方應力拱（σM3>σM2>σM1），并且應力承載點位于煤壁前方煤體上。

此外，在工作面煤壁和采空區切眼處，煤體前方出現局部的超前支承壓力集中現象，頂煤在此超前應力作用下預先變形破壞，并最終通過支架放落下來。研究不同采高條件下的支承壓力分布規律，可以確定特定采厚條件下的工作面采高。

至此，開采導致的采場上覆巖層運動結構已經形成，在應力曲線M1拱梁線下，為垮落巖層，位于應力曲線M2、M3形成的壓力拱之間為梁式平衡拱結構。

2.2??梁式平衡拱下的頂板覆巖運動特征

2.2.1??直接頂垮落特征

在梁式平衡結構下，垮落帶一般能夠隨采隨冒，在水平方向沒有力的傳遞，而導水裂縫帶則處于鉸接平衡狀態。在煤壁前方，直接頂已經開始變形破壞，并且其垮落由上及下逐漸減小，直至全部垮落，跨落后散亂堆積在采空區內，如圖2所示。

圖2??直接頂垮落時壓力拱形態

2.2.2??基本頂運動特征

隨著工作面推進距離的增加，上覆巖層經歷彎曲、下沉、離層和失穩4個狀態，至基本頂應力重新分布平衡、穩定?；卷敵醮蝸韷簳r（來壓步距32.8?m），基本頂第一分層在采空區中心觸矸，但是，兩端處于鉸接狀態，仍能傳遞水平方向的力，同時，上分層巖體出現離層。離層后，基本頂處于半巖梁狀態，使基本頂初次來壓對支架上的載荷變小，如圖3所示。煤壁前方超前支撐壓力分布規律如圖4所示。

圖3??基本頂初次來壓垮落運動形態

圖4??基本頂初次來壓超前支承壓力分布曲線

由圖4可知，超前支承壓力峰值在基本頂初次來壓時會向煤壁前方推移約3.5?m，由超前煤壁8.5?m變為12.2?m，并且壓力峰值也會隨著超前支撐壓力的推移而增大至40?MPa。這是因為煤壁支架控頂區內頂板向下回轉，煤壁破碎，煤體—圍巖體系自承能力下降，導致超前支撐壓力峰值增加且向前方推移。

但是，基本頂初次來壓觸矸在采空區處于鉸接狀態，各分層巖體能夠傳遞水平方向的力，形成傳遞巖梁，并且從基本頂觸矸點到控頂區前半巖梁可以形成穩定的梁式平衡拱結構，所以，基本頂初次周期來壓作用在支架的動載小于平衡拱內上覆巖層的重量。由于頂板回彈，支架受力會進一步減小，周期來壓步距變為23?m，周期來壓時的垮落形態如圖5所示。

圖5??周期來壓時的垮落形態

由圖5可知，基本頂周期垮落的典型特征為：由于基本頂下分層巖體周期失穩垮落，導致其上位巖層彎曲、下沉、離層，甚至失穩垮落。

3??結束語

通過對深部大采高綜放開采直接頂、基本頂運動規律的數值模擬研究可知，直接頂隨采隨冒，在水平方向沒有力的傳遞，而頂煤相當于直接頂，所以，頂煤在直接與基本頂礦山壓力的共同作用下易破碎垮落，為放頂煤開采提供了理論依據。

確定3煤層周期來壓步距為23?m，并且超前支承壓力峰值前移至12.2?m，峰值壓力為40?MPa，因此，需要加強回采巷道的超前加固和工作面支架阻力監測。

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〔編輯：白潔〕

Study?on?the?Law?of?Overlying?Strata?Movement?in?Deep

Mining?and?High?Comprehensive?Caving?Mining

Yu?Keliang，?Zhang?Guiyin，?Yu?Tao

Abstract：?1301?working?face?in?Longgu?Coal?Mine?deep?well?mining?height?fully?mechanized?face?with?caving?working?face，?in?order?to?analyze?large?mining?high?under?the?condition?of?fully?mechanized?top?coal?caving?characteristics?of?the?development?of?the?coal?wall?fracture，?using?UDEC?software?was?studied?in?complicated?deep?well?conditions，?stope?stress?with?the?effect?of?elastoplastic?failure?law?of?working?face?advancing?distribution?characteristics?of?top?coal，?determined?the?1302?face?basic?top?pressing?ahead?for?12.2?meters?（initial?pressure?variable?pressure?of?abutment?pressure?peak?position?to?coal?wall?distance?origin?of?8.5?meters），?the?periodic?weighting?step?distance?is?23?meters.

Key?words：?complex?deep?well;?high?comprehensive?coal?mining;?overlying?rock?movement;?numerical?simulation