李艷君，楊維帥，許力峰，郭文硯，李家倫，劉 建

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

淺埋深薄基巖工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

李艷君，楊維帥，許力峰，郭文硯，李家倫，劉 建

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

為了研究淺埋深薄基巖煤層工作面上覆巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，運(yùn)用UDEC數(shù)值模擬軟件對(duì)神華李家壕煤礦的上覆巖層的運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了模擬分析，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。結(jié)果表明，模擬所得的初次來(lái)壓步距為40m，實(shí)測(cè)值為36.4m;模擬周期來(lái)壓步距為20m，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的周期來(lái)壓平均為20.5m步距基本一致;關(guān)鍵層來(lái)壓時(shí)表現(xiàn)為動(dòng)載現(xiàn)象明顯，整個(gè)上覆巖層全厚度切落，地表出現(xiàn)急劇下沉，工作面覆巖將不存在“三帶”，基本上為垮落帶和裂隙帶“兩帶”。

淺埋煤層;礦壓顯現(xiàn);覆巖移動(dòng)規(guī)律;數(shù)值模擬

我國(guó)西部蘊(yùn)藏大量埋深在150m以?xún)?nèi)的煤層，其典型賦存特點(diǎn)是埋深淺、頂板基巖較薄。由于淺埋煤層具有基本頂斷裂直達(dá)地表出現(xiàn)上覆巖層全厚度切落，來(lái)壓強(qiáng)度大，持續(xù)時(shí)間短，對(duì)支架造成一定的沖擊載荷等特征［1－2］，所以在進(jìn)行長(zhǎng)壁回采過(guò)程中工作面呈現(xiàn)出全新的礦壓顯現(xiàn)特征及頂板活動(dòng)特點(diǎn)，對(duì)淺埋深薄基巖煤層工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究非常必要，且具有重要的意義。上世紀(jì)90年代初，我國(guó)學(xué)者開(kāi)始了淺埋煤層礦壓顯現(xiàn)與巖層控制方面的探索，了解了淺埋煤層長(zhǎng)壁工作面礦壓顯現(xiàn)的規(guī)律與頂板破斷基本特征，但目前研究尚處于初期階段［3－7］。為了能更加直觀地反映整個(gè)上覆巖層的移動(dòng)規(guī)律，本文通過(guò)采用UDEC二維離散元數(shù)值模擬分析的方法來(lái)模擬神華李家壕煤礦2號(hào)煤層開(kāi)挖后覆巖移動(dòng)破斷特征，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)加以分析研究，為該礦及同類(lèi)條件煤層工作面研究頂板運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律提供了一種依據(jù)。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 礦井概況

李家壕煤礦井田位于東勝煤田的中南部，其構(gòu)造形態(tài)與區(qū)域含煤地層構(gòu)造形態(tài)一致，地層傾角小于5°，2號(hào)主采煤層可采厚度0.80～4.75m，平均2m。頂板巖性主要為粉砂巖和細(xì)粒砂巖，底板巖性主要為砂質(zhì)泥巖及粉砂巖。直接頂為粉砂巖，平均厚度為5.10m;基本頂為中粒砂巖，近水平層理，層面含少量植物化石碎片，中等致密，力學(xué)強(qiáng)度不高，結(jié)構(gòu)松散，極易風(fēng)化破碎。直接底為細(xì)粒砂巖，成分以石英長(zhǎng)石為主，含白云母，分選性中等，次菱角狀，泥質(zhì)膠結(jié)，波狀層理。

1.2 幾何模型設(shè)計(jì)

根據(jù)煤層賦存條件，2號(hào)煤層工作面采用走向長(zhǎng)壁采煤法。由于采煤工作面是一個(gè)三維空間，而UDEC是二維平面軟件［8－9］，因此模擬對(duì)工作面的情況簡(jiǎn)化，采用沿工作面的走向剖面進(jìn)行數(shù)值模擬方法，研究回采期間上覆巖層的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。本次數(shù)值模擬建立的模型尺寸為長(zhǎng)260m，高100m，巖層角度為水平，底面以及左右兩面均為固定邊界條件，然后進(jìn)行單元格的劃分并賦巖層物理力學(xué)參數(shù)，模型及塊體劃分如圖1所示。根據(jù)煤巖層綜合柱狀圖，工作面由地表到煤層底板巖層主要力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 模型網(wǎng)格劃分

表1 煤巖層塊體物理力學(xué)參數(shù)

2 模擬結(jié)果分析

2.1 上覆巖層破壞規(guī)律分析

對(duì)所建立的模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，工作面采空區(qū)采用全部垮落法控制頂板，為了消除邊界影響，工作面的開(kāi)切眼選取在距左邊界60m處，每次開(kāi)挖10m，共開(kāi)挖100m，從而實(shí)現(xiàn)煤層的充分采動(dòng)。工作面推進(jìn)過(guò)程中上覆巖層移動(dòng)變化如圖2。

圖2(a)是模擬工作面推進(jìn)20m時(shí)上覆巖層的垮落過(guò)程和移動(dòng)狀態(tài)，從圖中可以看出，隨著工作面的推進(jìn)直接頂懸露的長(zhǎng)度會(huì)逐漸地增加，粉砂巖頂板垮落后充填采空區(qū)，垮落的巖塊與基本頂之間存在較大的空間，此時(shí)薄基巖并沒(méi)有垮落，只是其下位的直接頂垮落了。

圖2(b)是工作面推進(jìn)40m時(shí)上覆巖層移動(dòng)變化情況，此時(shí)直接頂在上覆載荷的作用下從中間斷裂，出現(xiàn)臺(tái)階式下沉，導(dǎo)致工作面初次來(lái)壓。

圖2(c)是工作面推進(jìn)60m時(shí)上覆巖層的移動(dòng)變化情況，此時(shí)梁結(jié)構(gòu)變?yōu)閼冶凼匠袚?dān)上覆巖層的載荷，懸臂梁在工作面前方產(chǎn)生的拉應(yīng)力裂隙逐漸貫通薄基巖，由于煤層埋深較淺，薄基巖沒(méi)有形成深部煤層應(yīng)有的鉸接結(jié)構(gòu)，所以在上覆動(dòng)壓載荷的作用下導(dǎo)致薄基巖全厚度切落，從而形成工作面的周期來(lái)壓。

圖2 工作面推進(jìn)工程中上覆巖層移動(dòng)變化

圖2(d)是工作面推進(jìn)100m時(shí)上覆巖層的移動(dòng)變化情況，從圖中可以看出，由于煤層埋藏較淺及基巖厚度較薄的影響，基本頂不能形成穩(wěn)定的“砌體梁”結(jié)構(gòu)，頂板基巖呈整體運(yùn)動(dòng)沿煤壁全厚度切落。以后每次周期來(lái)壓都是工作面前方出現(xiàn)裂隙形成到地表的整體巖柱—巖柱發(fā)生整體切落—后方壓實(shí)的運(yùn)動(dòng)。從圖中可以看出，在工作面推進(jìn)過(guò)程中，基本上為垮落帶和裂隙帶“兩帶”，不存在彎曲下沉帶。

2.2 上覆巖層垂直應(yīng)力分布規(guī)律

模擬過(guò)程中在煤層及薄基巖內(nèi)布置了2條測(cè)線，并每隔5m設(shè)置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)工作面推進(jìn)過(guò)程中煤層及覆巖垂直應(yīng)力變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄，并整理繪制出垂直應(yīng)力分布曲線，如圖3。由圖可知:

(1)當(dāng)工作面推進(jìn)40m時(shí)，基本頂發(fā)生初次來(lái)壓，關(guān)鍵層及上覆松散載荷層完全垮落，此時(shí)基巖未發(fā)生整體切落，故來(lái)壓后從圖中看到工作面前方出現(xiàn)了應(yīng)力集中。

(2)當(dāng)工作面推進(jìn)60m時(shí)，此時(shí)基巖發(fā)生初次整體切落，工作面前方未出現(xiàn)應(yīng)力集中。從圖中可以看出，工作面前方的應(yīng)力影響區(qū)域并不大，這與關(guān)鍵層出現(xiàn)滑動(dòng)失穩(wěn)破壞有關(guān)。

(3)從整個(gè)推進(jìn)100m的垂直應(yīng)力來(lái)看，隨著工作面的推進(jìn)上覆巖層每隔20m都會(huì)出現(xiàn)周期式切落。

2.3 關(guān)鍵層滑落失穩(wěn)下沉移動(dòng)規(guī)律

圖3 工作面推進(jìn)過(guò)程中圍巖垂直應(yīng)力分布

隨著工作面的推進(jìn)，記錄了關(guān)鍵層內(nèi)觀測(cè)線垂直方向上的位移變化情況。分析初次來(lái)壓與周期來(lái)壓時(shí)關(guān)鍵層在垂直方向的位移變化情況，總結(jié)當(dāng)關(guān)鍵層發(fā)生滑動(dòng)失穩(wěn)時(shí)其破壞方式。

工作面推進(jìn)過(guò)程中關(guān)鍵層在豎直方向上的位移變化曲線如圖4所示，當(dāng)關(guān)鍵層第1次發(fā)生破斷時(shí)，其從中間斷裂，最大下沉位移量達(dá)到1.6m，當(dāng)工作面推進(jìn)60m時(shí)，從下沉曲線上看到關(guān)鍵層先是因?yàn)榛鶐r的回轉(zhuǎn)產(chǎn)生一小段位移，當(dāng)回轉(zhuǎn)到一定程度時(shí)整個(gè)關(guān)鍵層斷裂，形成臺(tái)階下沉曲線，說(shuō)明在淺埋深煤層工作面薄基巖條件下，關(guān)鍵層的破壞呈臺(tái)階式斷裂，斷裂寬度與周期來(lái)壓步距有關(guān)。

圖4 關(guān)鍵層豎直方向位移變化曲線

3 模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)對(duì)比

3.1 礦壓觀測(cè)分析

從工作面開(kāi)始采煤，在李家壕礦進(jìn)行了為期60d的礦壓觀測(cè)，觀測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。在工作面布置了3個(gè)觀測(cè)站，每個(gè)觀測(cè)站選取3個(gè)具有代表性的支架，對(duì)所觀測(cè)的數(shù)據(jù)，如基本頂?shù)某醮蝸?lái)壓、周期來(lái)壓，以及支架工作阻力和動(dòng)壓系數(shù)進(jìn)行整理分析。具體觀測(cè)結(jié)果如表2所示。

圖5 測(cè)點(diǎn)布置

表2 李家壕煤礦11208工作面來(lái)壓觀測(cè)結(jié)果

根據(jù)礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)分析可知:

(1)工作面初次來(lái)壓步距為37m，主要特征是頂板沿煤壁切落，形成臺(tái)階下沉，來(lái)壓猛烈，頂板下沉量350～1400mm。

(2)周期來(lái)壓步距為15.5～24m，平均為20.5m，來(lái)壓歷時(shí)較短;來(lái)壓時(shí)由于覆巖重力直接作用于支架，支架動(dòng)載明顯，動(dòng)壓系數(shù)最大達(dá)到2.2。

3.2 模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)對(duì)比分析

(1)數(shù)值模擬結(jié)果顯示工作面初次來(lái)壓步距為40m，隨著工作面推進(jìn)60m后上覆巖層呈現(xiàn)周期性切落，形成周期來(lái)壓，來(lái)壓步距為20m。通過(guò)監(jiān)測(cè)上覆巖層垂直應(yīng)力分布情況，得出由于基巖的周期性切落，工作面前方不會(huì)再出現(xiàn)應(yīng)力集中，呈現(xiàn)出薄基巖條件下淺埋煤層工作面獨(dú)特特點(diǎn)。

(2)在工作面推進(jìn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)了關(guān)鍵層在豎直方向上的位移變化，最大位移量達(dá)到1.6m，淺埋深煤層工作面薄基巖條件下，關(guān)鍵層的破壞呈臺(tái)階式斷裂，斷裂寬度與周期來(lái)壓步距有關(guān)。

(3)模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的工作面初次來(lái)壓步距 37m，周期來(lái)壓步距 15.5～24m，平均為20.5m;工作面礦壓顯現(xiàn)的最大特點(diǎn)是來(lái)壓猛烈，歷時(shí)較短，支架動(dòng)載明顯，動(dòng)壓系數(shù)最大達(dá)到2.2。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)數(shù)值模擬和地表巖移觀測(cè)，淺埋煤層基巖頂板破斷失穩(wěn)導(dǎo)致整個(gè)上覆巖層全厚度切落，表現(xiàn)出單一關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)特征，工作面將不存在“三帶”，基本上為垮落帶和裂隙帶“兩帶”。此結(jié)論為該礦及類(lèi)似條件淺埋深薄基巖礦井工作面安全高效開(kāi)采提供了依據(jù)。

［1］黃慶享.淺埋煤層的礦壓特征與淺埋煤層定義 ［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào).2002，21(8):1174－1177.

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［3］呂 軍，侯忠杰.影響淺埋煤層礦壓顯現(xiàn)的因素［J］.礦山壓力與頂板管理.2000(2):39－40.

［4］李新元，陳培華.淺埋深極松軟頂板采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào).2004.23(19):3305－3309.

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Underground Pressure Behavior Rule of Shallow-buried Mining Face under Thin Base Rock

LI Yan-jun，YANG Wei-shuai，XU Li-feng，GUO Wen-yan，LI Jia-lun，LIU Jian
(Resources＆ Safety Engineering School，China University of Mining＆ Technology(Beijing)，Beijing 100083，China)

Applying UDEC to simulating movement rule of overlying strata in Lijiahao Colliery and combining on-site observation，this paper researched underground pressure behavior rule of shallow-buried mining face under thin base rock.First weighting pace by simulation was 40m，observation value was 36.4m.Periodical weighting pace by simulation was 20m and observation value was 20.5m.Dynamic load was obvious at time of key strata weighting，whole overlying strata fell down and surface sharp subsidence occurred.There was only caving-zone and crack-zone in overlying strata.

shallow-buried coalseam;underground pressure behavior;movement rule of overlying strata;numerical simulation

TD325.1

A

1006-6225(2012)03-0086-03

2012－03－09

國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)與神華集團(tuán)有限公司聯(lián)合資助項(xiàng)目:淺埋深薄基巖采動(dòng)巖體破斷及滲流基礎(chǔ) (51134018);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目 (2011Y205)

李艷君 (1987－)，男，黑龍江鶴崗人，在讀碩士研究生，主要從事礦壓及放頂煤方面的研究。

［責(zé)任編輯潘俊峰］

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