王金安 高治國 王 利 劉 騰

(北京科技大學土木與環(huán)境工程學院)

近年來，隨著綜采放頂煤技術(shù)的不斷提高與進步，綜采放頂煤成為我國煤炭行業(yè)實現(xiàn)礦井高效高產(chǎn)的主要方式之一。成功地進行綜放開采的重要標志是能對采場及巷道圍巖進行有效控制，所以安全、經(jīng)濟和最大限度地提高回采率成為一個非常重要的問題。國內(nèi)學者和技術(shù)專家對綜放開采的頂煤動移規(guī)律、覆巖運動及破壞、礦壓顯現(xiàn)等問題開展了大量的現(xiàn)場實測和理論分析研究，取得了較豐富的科研成果。然而對不同采放比下的覆巖結(jié)構(gòu)破壞方式、周期來壓強度變化、支撐壓力分布規(guī)律等缺乏統(tǒng)一有效的綜合分析，單一的工況研究難以反映和揭示綜放采場在最優(yōu)回采率下的圍巖應(yīng)力分布本質(zhì)?？梢?，針對不同采放比下的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行研究，不僅具有重要的理論價值，而且具有推廣應(yīng)用價值。

1 計算模型與計算參數(shù)

計算模型長1 000 m，模擬深度550 m，煤層埋深420 m，煤層厚30 m，屬于特厚煤層，頂板以薄層狀砂質(zhì)泥巖、泥巖為主，局部為粉砂巖及炭質(zhì)泥巖，水平層理發(fā)育，底板為10 m厚的細砂巖質(zhì)地堅硬。所模擬工作面屬于華亭煤田，華亭煤田位于華北地層區(qū)的西南緣，屬陜甘寧盆地盆緣地層分區(qū)平?jīng)觥缐鄣貙拥谋辈?。其總的特征與華北地層區(qū)相似，缺失上奧陶統(tǒng)、志留系、泥盆系和石炭系地層。本區(qū)地層從老到新有薊縣系、寒武系、奧陶系中下系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系下統(tǒng)、上第三系和第四系等，煤層分布在侏羅系延安組。巖石基本力學參數(shù)采用華亭實測鉆孔綜合數(shù)據(jù)，見表1;巖層節(jié)理基本力學參數(shù)見表2。模型塊體的本構(gòu)關(guān)系采用摩爾－庫倫準則，節(jié)理面的本構(gòu)模型采用面接觸的庫倫滑移模型，距左邊界處150 m開切眼，放煤工藝為一采一放。

按照不同采放比進行工況劃分。工況1:在煤層上部采3 m，不放頂，采放比為1∶0。工況2:在煤層上部采3 m放3 m，采放比為1∶1。工況3:在煤層上部采3 m放4.5 m，采放比為1∶1.5。工況4:在煤層上部采3 m放6 m，采放比為1∶2。工況5:在煤層上部采3 m放7.5 m，采放比為1∶2.5。工況6:在煤層上部采3 m放9 m，采放比為1∶3。工況7:在煤層上部采3 m放12 m，采放比為1∶4。

表1 巖石基本力學參數(shù)

表2 巖層節(jié)理基本力學參數(shù)

2 綜放工作面煤層力學場特征

在工作面前方布置3條監(jiān)測線，監(jiān)測線位置如圖1所示，沿采空區(qū)前方的頂板、正前方、底板布置，監(jiān)測在不同工況下煤層內(nèi)的應(yīng)力變化。研究在相同推進距離情況下，不同采放比對支撐壓力峰值大小及峰值距工作面距離的影響。

圖1 煤層內(nèi)監(jiān)測線分布

計算結(jié)果表明，工作面前方的支撐壓力峰值隨采放比的提高而逐漸減小，存在著呈反比的規(guī)律。由圖2可見，在工作面推進100 m時，隨著采放比的提高，支撐壓力峰值由14 MPa逐漸降低到11.7 MPa。由圖3可見，在工作面推進300 m時，隨著采放比的提高，峰值距工作面的距離由15 m逐漸提高到42 m，可見峰值距工作面的距離與采放比有著呈正比的規(guī)律。

圖2 支承壓力峰值與采放比的關(guān)系

圖3 峰值距工作面距離與采放比關(guān)系

3 采場覆巖裂隙場、垮落帶分析

研究礦壓與采放比的關(guān)系前，要先深入剖析采場的覆巖變化規(guī)律、破壞規(guī)律、運動規(guī)律，覆巖的運動是引發(fā)礦壓的根本原因。因此對采場的塑性場、裂隙場進行深入分析和探討，研究不同采放比對兩場的影響規(guī)律。小采放比裂隙帶分布特點見圖4，大采放比裂隙帶分布特點見圖5，采放比與裂隙場關(guān)系見圖6。小采放比垮落帶分布形態(tài)見圖7，大采放比垮落帶分布形態(tài)見圖8，采放比與垮落帶關(guān)系見圖9。

圖4 小采放比裂隙帶分布特點

計算結(jié)果表示，工作面推進200 m時在不同工況下裂隙場分布不同，采放比與裂隙帶分布高度呈正比關(guān)系。觀察圖6可知，從工況1到工況5的過程雖然高度不斷升高，但是裂隙發(fā)育的密度增長速率很慢，但到了工況6，裂隙場發(fā)育密度猛然增加，表明采場在采放比在1∶2.5與1∶3的采放比有明顯差距，裂隙場存在質(zhì)的變化，這同時也說明了，工況6和工況7的覆巖運動和礦壓顯現(xiàn)和工況1～5有著明顯差距。同時也符合塑性區(qū)垮落帶的分析，也與下面的礦壓分析的結(jié)果相一致。

圖5 大采放比裂隙帶分布特點

圖6 推進200 m采放比與裂隙場關(guān)系

圖7 小采放比垮落帶分布特點

圖8 大采放比垮落帶分布特點

4 礦壓分析

圖9 推進200 m采放比與垮落帶關(guān)系推進200 m

在不同采放比下，工作面回采期間所受到的周期來壓大小、來壓步距及動載系數(shù)均不同，利用回填單元模擬液壓支架，在回填單元中布置監(jiān)測點，監(jiān)測到了支架工作阻力，在迭代過程中覆巖運動引起的的支架響應(yīng)具體見表3、圖10。

表3 各工況礦壓規(guī)律對比

圖10 工況與支架最大工作阻力關(guān)系

綜合表3和圖10分析，工況1的平均來壓步距是29.47 m，工況2的平均來壓步距是28 m，發(fā)展到工況7平均來壓步距是14.2 m，可見隨著采放比的增大來壓步距逐漸縮小，表明增大采放比提高了周期來壓頻率。接著分析來壓大小。工況1的平均動載系數(shù)是1.41，發(fā)展到工況7平均動載系數(shù)是1.45，可見隨著采放比的逐漸增大，支架的周期來壓系數(shù)越大，周期來壓越明顯，并且結(jié)合最大支架工作阻力，在柱狀圖中也可發(fā)現(xiàn)，工況5的最大來壓工作阻力是13 598 kN/架，到了工況7的最大來壓工作阻力是14 400 kN/架，相差較大?？梢娫谥芷趤韷簞×页潭壬?，采放比為1∶2.5與1∶3存在著本質(zhì)差別，采放比越大，來壓頻率越高，來壓次數(shù)越多，來壓越劇烈、越明顯。

5 結(jié)論

(1)在回采期間，工作面前方煤層內(nèi)的支撐壓力隨采放比提高而減小，支撐壓力峰值點距工作面的距離變長。

(2)根據(jù)裂隙場、塑性場、位移場的三場分析，回采長度一致時，采放比越大，裂隙場發(fā)育深度越深。采放比越大，垮落帶高度越大，這也是動載系數(shù)加大的根本原因。采放比越大，位移場冒落帶越大，與垮落帶情形一致。同時來壓頻率越大，周期來壓步距越小。支架所受的最大工作阻力越大，動載系數(shù)越大，來壓越猛烈。

(3)不同采放比的工作面穩(wěn)定性可以分為3級，工況1到工況3為一級，工況4、工況5為二級，工況6、工況7為三級，一級表明回采階段來壓頻率低，動載系數(shù)小，來壓不劇烈。二級表明回采階段來壓頻率中等，動載系數(shù)中等，來壓不明顯，工作面總體穩(wěn)定性較可靠。三級表明來壓頻率高，來壓劇烈，支架所受工作阻力大，工作面安全系數(shù)較低。綜合分析，在華亭礦區(qū)，既經(jīng)濟又安全的最優(yōu)回采率為1∶2.5。

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