“三軟”煤層采場覆巖運(yùn)動(dòng)及應(yīng)力分布規(guī)律

李春杰1，劉銀先2，高紅彬1，許躍強(qiáng)1，喬卿付2,侯志強(qiáng)2

(1.國投新登鄭州煤業(yè)有限公司，河南 登封 452477；2.河南理工大學(xué) 能源學(xué)院，河南 焦作 454000)

摘要：新登礦區(qū)屬于典型的豫西“三軟”煤層，31061工作面采用綜采放頂煤開采工藝，采高大，圍巖擾動(dòng)范圍大，礦山壓力顯現(xiàn)與普通綜采區(qū)別明顯。為了掌握在上述條件下沿空留巷圍巖應(yīng)力及變形規(guī)律，通過數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方法，分析了避開動(dòng)壓沿空留巷方案的可行性，對31061工作面采場的覆巖運(yùn)動(dòng)及應(yīng)力分布進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明：工作面后方的30 m內(nèi)應(yīng)力處于原巖應(yīng)力范圍內(nèi)，后方30 m到70 m之間的巷道應(yīng)力迅速增加，工作面后方70 m左右是覆巖垮落和應(yīng)力分布穩(wěn)定的區(qū)域。研究的結(jié)果對類似“三軟”煤層采用避開動(dòng)壓沿空留巷的方案提供了寶貴的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：三軟煤層；數(shù)值模擬；動(dòng)壓；沿空留巷

DOI:10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0209

文章編號(hào)：1672-9315(2015)02-0187-05

收稿日期：*2014-12-20責(zé)任編輯：劉潔

通訊作者：李春杰(1965-)，男，河南登封人，工程師，E-mail：13838343188@163.com

中圖分類號(hào)：TD 323文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Overlying strata movement and stress distribution law in the“three-soft”coal seam

LI Chun-jie1，LIU Yin-xian2，GAO Hong-bin1，XU Yue-qiang1，QIAO Qing-fu2，HOU Zhi-qiang2

(1.SDICXindengZhengzhouCoalCo.,Ltd.，Zhengzhou452477，China；

2.SchoolofEnergyScienceandTechnology，HenanPolytechnicUniversity，Jiaozuo454000，China)

Abstract：To study the surrounding rock deformation and the stress distribution of the gob-side entry，the first important thing is to master the overlying strata movement and stress distribution laws，which is the precondition of keeping the layout stable.To study the fesibility of preserving layout by avoiding dynamic pressure with large mining height of fully-mechanized top coal caving,the Layout 31061 at Xindeng Coal Mine was selected to the in-sit object，numerical simulation and theorical analysis were applied to study the whole process of the three-soft coal seam overlying strata’s movement and stress.The result showed that original stress zone is 30 m behind the layout，while in the zone 30 m to 70 m behind the layout，the roadway near the goaf is seriously deformed because of the increasing stress.The most stable zone of the strata caving and stress distribution is 70 m behind the layout.

Keywords：three-softcoalseam；numericalsimulation；dynamicpressure；gob-sideentryretaining

0引言

在采用留煤柱開采時(shí)，工作面往往采用跳采的方式，這樣就不可避免的形成了應(yīng)力集中的孤島工作面，大大提高了沖擊地壓等井下動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的可能性，給安全生產(chǎn)帶來了不小的困擾。沿空留巷實(shí)現(xiàn)了連續(xù)卸壓開采，避免了由于跳采形成的孤島工作面，大大減小了動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的可能。另外，無煤柱護(hù)巷形式在很多方面還具有明顯的優(yōu)越性，例如能改善工作面的通風(fēng)條件，防止瓦斯積聚，尤其是在大采高條件下，能大大提高煤炭的回采率。

新登礦已有六十多年的開采歷史，剩余可采煤炭資源越來越少，采用沿空留巷技術(shù)有利于回收更多資料。31061綜放工作面所采煤層為“三軟”煤層，由于留巷前后受2次采動(dòng)影響，巷道變形嚴(yán)重、維護(hù)困難。加之采高大，煤層及圍巖軟弱的條件，使得留巷的難度加大，巷旁支護(hù)方式選擇困難，如使用高強(qiáng)度固體砌筑，較高強(qiáng)度的巷旁支護(hù)必定要承擔(dān)較多的覆巖壓力，支護(hù)體對軟弱底板的擠壓也會(huì)使巷道出現(xiàn)強(qiáng)烈的底膨。如使用膏體充填巷旁支護(hù)，工藝復(fù)雜，成本高，動(dòng)壓作用下的巷道變形問題仍會(huì)存在。從經(jīng)濟(jì)及生產(chǎn)角度方面，“三軟”煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，產(chǎn)量不大，工作面推進(jìn)速度慢。因此，選擇沿空留巷方案即要能夠采用沿空留巷的優(yōu)點(diǎn)如提高資源回收率、減少巷道掘進(jìn)率、緩解采掘接替緊張，又要盡量降低成本。因此要采用簡單實(shí)用的工藝方法，同時(shí)又滿足安全生產(chǎn)的條件。通過結(jié)合現(xiàn)場的理論分析以及基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的離散元方法(CDEM)對31061工作面采場覆巖應(yīng)力規(guī)律進(jìn)行的研究，為研究動(dòng)壓沿空留巷的方案提供理論基礎(chǔ)。

1工程背景

新登煤礦進(jìn)行綜放沿空留巷的工程條件具有以下特點(diǎn)：工作面綜放開采，采高大(采2m，放4m)，推進(jìn)速度較慢。煤層松軟，承載能力低，不宜使用錨桿支護(hù)，煤層埋藏不深，在300～350m之間，直接頂強(qiáng)度弱，厚度大，約15m.底板強(qiáng)度弱。煤層無自燃發(fā)火傾向，瓦斯含量不高，相對瓦斯涌出量為4.96m3/t.“三軟”煤層，綜放開采，留巷大變形難以避免。31061綜放面，采高大，煤層及圍巖軟弱的條件，使得留巷的難度加大，巷旁支護(hù)方式選擇困難，如使用高強(qiáng)度固體砌筑，較高強(qiáng)度的巷旁支護(hù)必定要承擔(dān)較多的覆巖壓力，支護(hù)體對軟弱底板的擠壓也會(huì)使巷道出現(xiàn)強(qiáng)烈的底膨。如使用膏體充填巷旁支護(hù)，工藝復(fù)雜，成本高，動(dòng)壓作用下的巷道變形問題仍會(huì)存在。

31061采用工字鋼對棚支護(hù)，在超前支護(hù)段替換為單體支柱+π型鋼梁，在工作面后方，由于超前支承壓力影響，巷道已有明顯變形，對巷道進(jìn)行第1次維修并將超前支護(hù)替換為臨時(shí)支護(hù)，在工作面推進(jìn)一段距離以后，受動(dòng)壓影響巷道又出現(xiàn)明顯變形，在距工作距離L處對留巷進(jìn)行第2次維護(hù)，將臨時(shí)支護(hù)替換成正常支護(hù)。

2留巷分析

與現(xiàn)行沿空留巷方法的最大區(qū)別在于巷旁支護(hù)體砌筑位置不是緊鄰工作面后方，而是距工作面一定距離(避壓距離)，此距離使巷旁支護(hù)體能夠避開開采覆巖垮落時(shí)的影響范圍。避壓距離內(nèi)巷道一幫無支護(hù)體，因此需要在工作面后方對巷道進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，支護(hù)方式一般采用工字鋼棚支護(hù)，用單體支柱加強(qiáng)支護(hù)。在覆巖垮落作用下，避壓距離范圍內(nèi)的巷道會(huì)出現(xiàn)劇烈變形，因此，要選擇合適位置(覆巖垮落穩(wěn)定位置)對巷道進(jìn)行二次維修，并進(jìn)行巷旁支護(hù)。所以，避開動(dòng)壓沿空留巷方法巷道和巷旁支護(hù)位置總是距離工作一定距離。

為了檢驗(yàn)避開動(dòng)壓的沿空留巷方案是否可行，以該工作面為原型，對采場的覆巖運(yùn)動(dòng)、位移及應(yīng)力情況進(jìn)行了數(shù)值模擬。

3采場覆巖的數(shù)值模擬研究

3.1數(shù)值模型建立

由于在分析采場周圍的覆巖運(yùn)動(dòng)及應(yīng)力分布變化，所以模型范圍應(yīng)足夠大，模型X，Y，Z方向尺寸分別為200，400，140m.模型垂直方向巖層分為15層，31061工作面的具體巖層參數(shù)見表1.模型劃分61 419個(gè)節(jié)點(diǎn)，52 800個(gè)塊體單元。為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，以工作面傾向方向中間截面為對稱面，取左側(cè)巖層進(jìn)行研究。煤層埋深350m，模型未包含的上覆巖層用上邊界垂直應(yīng)力代替，模型四周邊界位移橫向位移約束，底邊邊界Z向位移約束，頂邊界實(shí)加5MPa垂直向下的應(yīng)力。煤層本構(gòu)模型采用應(yīng)變軟化模型，其余巖體采用莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準(zhǔn)則，數(shù)值模擬計(jì)算模型如圖1所示。

為了監(jiān)測圍巖變形規(guī)律，在工作面中心位置布置垂直沿線，在各關(guān)鍵巖層上布置測點(diǎn)，監(jiān)測位移及應(yīng)力變化；在工作面?zhèn)认蛎罕趦?nèi)布置測點(diǎn)，監(jiān)測工作面推進(jìn)過程中應(yīng)力變化。

表1　工作面巖層柱狀圖及參數(shù)

圖1　數(shù)值模型 Fig.1　Numerical model

3.2數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖2為上覆巖層隨工作面向前推進(jìn)的垮落過程，CDEM能夠很好地描述巖層從變形、離層、垮落、堆積和重新壓實(shí)的全部過程，在采空區(qū)四周覆巖形成砌體梁結(jié)構(gòu)，在基本頂與下位巖層形成較大

了離層。采空區(qū)向上，可以清晰的分為垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。

圖3是工作面中部沿線(工作面傾向中部，推進(jìn)100m時(shí)的位置)各巖層垂直位移圖。在工作面接近測線之前，各巖層在超前支承壓力作用下有微小下沉位移。在工作面推進(jìn)沿線之后，上覆巖層開始離層，并且分組垮落。直接頂及臨近巖層最先離層垮落，下沉量最大，與開采高度相當(dāng)；基本頂及其以上2層硬巖同步滯后于直接頂成組同步垮落，最終下沉量遠(yuǎn)小于直接頂下沉量，表明基本頂與下位直接頂間會(huì)有大的離層?；卷斣傧蛏?3和15號(hào)巖層滯后于基本頂成組同步垮落，并與基本頂形成離層。

圖2　工作面推進(jìn)中的覆巖運(yùn)動(dòng)過程 Fig.2　Overlying strata movement in the process of face advancing (a)40 m　(b)80 m　(c)100 m　(d)120 m　(e)160 m　(f)200 m

圖4和5為工作面開挖200m以后，采空區(qū)周圍煤體上的垂直應(yīng)力分布圖，圖中x,y坐標(biāo)分別代表模型中煤層層面上的x,y方向。煤層開挖后，在采空區(qū)四周煤體內(nèi)部產(chǎn)生較高的應(yīng)力集中，由于31061采面煤層強(qiáng)度很弱，高集中應(yīng)力深入到煤體內(nèi)部，在煤壁邊緣形成低應(yīng)力區(qū)。煤層應(yīng)力最高的區(qū)域在采空區(qū)后部側(cè)向煤體上，最大達(dá)到30MPa以上；在工作面前方，應(yīng)力集中區(qū)域在煤體內(nèi)部10m左右，最大應(yīng)力達(dá)到20MPa以上。

圖3　工作面推進(jìn)200 m后覆巖運(yùn)動(dòng)、位移及垂直應(yīng)力 Fig.3　Overlying strata movement，displacement and vertical stress after face advanceing 200 m (a)全部巖層　(b)煤層上方50 m范圍內(nèi)巖層　(c)煤層上方30 m范圍內(nèi)巖層

圖4　工作面推進(jìn)200 m后煤層應(yīng)力分布 Fig.4　Seam stress distribution of face advancing 200 m

圖5　工作面推進(jìn)200 m后煤層應(yīng)力等值線 Fig.5　Coal stress contour of face advancing 200 m

圖6是固定測點(diǎn)(工作面推進(jìn)100m側(cè)向煤壁上的測點(diǎn))的垂直應(yīng)力彎腰曲線。，在工作面后方前15m，上覆巖層尤其是基本頂巖層還未垮落，煤壁應(yīng)力較低，甚至低于原巖應(yīng)力，繼續(xù)向后的15m范圍內(nèi)，應(yīng)力緩慢增加，但仍在原巖應(yīng)力水平；從30m后開始應(yīng)力快速增加，在此后的40m范圍內(nèi)(即工作面后方30～70m)距離內(nèi)，煤壁都處于較高應(yīng)力范圍約20MPa以上，此范圍也是留巷承受高應(yīng)力而發(fā)生大變形的主要區(qū)域。繼續(xù)向后，在高應(yīng)力作用下煤壁附近煤體出現(xiàn)變形，高應(yīng)力向煤體深部轉(zhuǎn)移，在煤壁附近出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)。

圖6　工作面走向100 m位置煤壁測點(diǎn)應(yīng)力變化曲線 Fig.6　Variation curves of coal wall measuring stress point in the strike of face with distance 100 m

圖7是工作面中部沿線(工作面傾向中部，推進(jìn)100m時(shí)的位置)各巖層垂直位移圖。在工作面接近測線之前，各巖層在超前支承壓力作用下有微小下沉位移。在工作面推進(jìn)沿線之后，上覆巖層開始離層，并且分組垮落。直接頂及臨近巖層最先離層垮落，下沉量最大，與開采高度相當(dāng)；基本頂及其以上2層硬巖同步滯后于直接頂成組同步垮落，最終下沉量遠(yuǎn)小于直接頂下沉量，表明基本頂與下位直接頂間會(huì)有大的離層。基本頂再向上13和15號(hào)巖層滯后于基本頂成組同步垮落，并與基本頂形成離層。

圖7　工作面中部走向100 m位置測點(diǎn)位移曲線 Fig.7　Displacement curves of measuring point in the middle of the strike of face with distance 100 m

4結(jié)論

1)隨著工作面向前推進(jìn)，上覆巖層出現(xiàn)變形、離層、垮落、堆積和重新壓實(shí)，在采空區(qū)四周覆巖形成砌體梁結(jié)構(gòu)，在基本頂與下位巖層形成較大了離層。從采空區(qū)四周煤體從煤壁到內(nèi)部分別出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)和原始應(yīng)力區(qū);

2)由于工作面走向推進(jìn)距離長，走向方向達(dá)到充分采動(dòng)，因此工作面前方的應(yīng)力降低區(qū)范圍比側(cè)向大，超前支承壓力影響范圍達(dá)到前方約50m左右。側(cè)向應(yīng)力值峰值距煤壁10m左右，應(yīng)力集中影響范圍在30～40m左右；

3)在采空區(qū)后方70m左右是對留巷進(jìn)行二次維修較好的位置，同時(shí)該處上覆巖層尤其是基本頂及其下位巖層已充分垮落，煤壁上的高應(yīng)力已轉(zhuǎn)移到煤體內(nèi)部，此時(shí)巷道本身及巷旁支護(hù)體在下一采面超前支承壓力來臨之前，都會(huì)處于低應(yīng)力作用下，巷道容易保持穩(wěn)定、繼續(xù)使用維護(hù)工作量很小。

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