孫學篤

(神華新疆能源有限責任公司)

厚基巖淺埋煤層開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

孫學篤

(神華新疆能源有限責任公司)

以6-2101工作面為工程背景，通過理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測，對厚基巖淺埋煤層開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行研究。結(jié)果表明，在煤層埋藏淺及厚松散層等條件下，巖層以后的周期來壓表現(xiàn)為工作面前方出現(xiàn)裂隙,形成整體巖柱,巖柱發(fā)生回轉(zhuǎn),后方壓實的運動，基本頂呈整體運動，基巖沿煤壁整體切落，隨著煤層埋藏深度的增加，中部支架支撐壓力變化較大，兩端支架支撐壓力變化較小，為地壓控制和管理提供了現(xiàn)場依據(jù)。

厚基巖 淺埋煤層 礦壓顯現(xiàn)

煤層埋藏淺并不意味著礦壓小，長壁工作面普遍出現(xiàn)有臺階下沉現(xiàn)象，礦壓顯現(xiàn)劇烈，淺埋煤層工作面頂板破斷運動具有特殊性[1]。根據(jù)觀測認識淺埋煤層頂板礦壓基本特征與規(guī)律，為正確進行頂板控制提供依據(jù)。以納林廟2#井6-2101綜采工作面覆巖為研究對象，研究厚基巖淺埋煤層開采工作面上覆巖層移動破斷規(guī)律，控制其運動，實現(xiàn)安全開采。

1 工程背景

6-2101綜采工作面位于納林廟煤礦2#井一采區(qū)最東部，是一采區(qū)首采工作面，南起切眼(位于礦井東南角邊界處)，北至設(shè)計停采線(位于風井以南249 m處)，西鄰6-2102綜采工作面(該面未采)，東鄰2#井二、四采區(qū)；煤厚為6.18～7.50 m，平均為6.69 m；可采煤層厚6.18～6.90 m，平均為6.38 m；煤層結(jié)構(gòu)簡單，不含夾矸或含1～2層夾矸，一般為泥巖和炭質(zhì)泥巖；全井田可采面積為11.45 km2；煤層頂板巖性為砂質(zhì)泥巖、泥巖、細砂巖、粉砂巖，底板巖性為粉砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖。

2 理論分析

隨著工作面的不斷推進，上覆巖層懸露面積不斷增大，在上覆載荷及其重力的作用下，覆巖開始彎曲下沉。在頂板破裂的過程中，懸露的頂板先從兩端開裂，而后中部開裂，形成假塑性巖梁結(jié)構(gòu)，當頂板沉降值超過假塑性梁的允許值時，頂板發(fā)生破斷冒落，見圖1。

當基巖厚度較大時，頂板上位基巖下部基本頂巖梁由于荷載的作用，兩端首先出現(xiàn)拉裂隙，后梁中部發(fā)生破斷，此時，基本頂初次來壓[2-4]。在厚松散層作用下，上覆巖層不斷垮落，直至地表。在工作面前方，頂板的上覆自基巖出現(xiàn)拉裂隙，形成較大厚度的整體巖柱，隨著開采的繼續(xù)進行，該巨厚巖柱與采空區(qū)后方的矸石接觸，未出現(xiàn)剪切破壞的巖石則以抗剪力阻止基巖的垮落破壞。

圖1 上覆巖層彎曲破壞發(fā)展過程

3 數(shù)值模擬

UDEC程序不僅能較好地模擬材料屈服、塑性流動、軟化直至大變形問題，而且能對材料的漸進破壞進行跟蹤，很好地應(yīng)用于采礦研究。

按照6-2101工作面實際情況建立模型，忽略傾角對巷道穩(wěn)定性的影響，巖層及巷道取為水平狀態(tài)。在模擬過程中將巖性相近的巖層合并，模擬的巖石物理力學參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場實際情況選取，見表1。

表1 模型巖層物理力學參數(shù)

在模擬過程中，工作面回采12步，每步開采10 m，待上一次運算平衡后再進行下一次開挖。不同開挖距離時上覆巖層變形情況見圖2。

圖2 工作面開挖不同距離時上覆巖層垮落情況

由圖2可知，在工作面推采到20 m時，直接頂發(fā)生冒落，基本頂沒有變化；隨著工作面的繼續(xù)推進，基本頂巖層開始出現(xiàn)拉裂隙，仍沒有破斷冒落，

但基本頂?shù)膽衣睹娣e增大，致使采空區(qū)兩側(cè)煤壁壓力急劇增大；當工作面推進到80 m時，基本頂達到其破斷步距，沿裂隙處開始破斷冒落，此時，工作面發(fā)生初次來壓，說明工作面初次來壓步距在60～80 m；隨著開采的繼續(xù)進行，開挖100 m時，基本頂繼續(xù)發(fā)生冒落破壞，拉裂隙繼續(xù)往上延伸，直至地表；當工作面推進到120 m時，頂板的垮落加劇，破壞劇烈，發(fā)生來壓破壞，通過分析得出工作面的周期來壓步距為20 m左右。

綜上所述，在厚松散層條件下的煤層開采，工作面頂板極易出現(xiàn)整體運動，基巖沿煤壁整體切落。巖層的周期來壓表現(xiàn)為工作面前方出現(xiàn)裂隙,形成整體巖柱,巖柱發(fā)生回轉(zhuǎn),后方壓實的運動。

4 現(xiàn)場實測

通過礦壓檢測儀對工作面4個測區(qū)的礦壓進行觀測，分析礦壓數(shù)據(jù)，得出工作面頂板來壓規(guī)律。工作面在100～140 m基巖厚度、0～80 m上覆基巖層厚度、埋深僅為100～200 m的賦存條件下，周期來壓步距在25 m左右，與數(shù)值模擬的結(jié)果基本吻合。

在分析礦壓數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)在煤層埋深不同的情況下，工作面的礦壓顯現(xiàn)情況也不同，工作面支架阻力情況見圖3。

圖3 不同埋深各支架工作阻力分布

通過分析支架的初撐力、末阻力發(fā)現(xiàn)，隨著煤層埋藏深度的增加，中部支架支撐壓力變化較大，兩端支架支撐壓力變化較小。在未來壓時，埋深為185 m的中部支架支撐壓力比埋深為110 m時中部支架支撐壓力大488～2 569 kN，平均為1 460 kN(7 MPa)左右；在工作面來壓時，埋深為185 m的中部支架支撐壓力比埋深為110 m時中部支架支撐壓力大108～1 269 kN，平均為653 kN(3 MPa)左右。這種情況符合淺埋煤層的礦壓特征，隨著煤層埋深的加大，支架的支撐壓力也變大。

5 結(jié) 論

(1)在煤層埋藏淺及厚松散層等條件下，巖層以后的周期來壓表現(xiàn)為工作面前方出現(xiàn)裂隙,形成整體巖柱,巖柱發(fā)生回轉(zhuǎn),后方壓實的運動，基本頂呈整體運動，基巖沿煤壁整體切落。

(2)工作面來壓時具有不同步性，先中部來壓，后兩端來壓，表明頂板呈弧形破斷。直接頂?shù)暮穸仍酱?，工作面來壓越大，但超過一定范圍后，這種變化不明顯。

(3)隨著煤層埋藏深度的增加，中部支架支撐壓力變化較大，兩端支架支撐壓力變化較小。

[1] 錢鳴高，繆協(xié)興．采場“砌體梁”結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵塊分析[J]．煤炭學報，1994，19(6)：557-563.

[2] 錢鳴高，石平五，許家林．礦山壓力與巖層控制[M]．徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2010.

[3] 潘立友，王彥倫，王春秋，等．采場支架圍巖關(guān)系及應(yīng)用[M]．徐州：中國礦業(yè)大學出版社,2008.

[4] 錢鳴高，李鴻昌．采場上覆巖層活動規(guī)律及其對礦山壓力的影響[J]．煤炭學報，1982(1)：1-12.

2014-08-29)

孫學篤(1966—)，男，高級工程師，碩士，830000 新疆烏魯木齊市。