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        斷層附近工作面頂板運動規(guī)律影響因素的研究

        2018-09-21 02:33:58封澤鵬
        山東煤炭科技 2018年9期
        關(guān)鍵詞:支架模型

        封澤鵬

        (西山煤電鎮(zhèn)城底礦采煤科綜采二隊,山西 古交 030200)

        斷層是煤礦開采中最常見的一種地質(zhì)構(gòu)造,可能會影響工作面應力分布,導致頂板破碎,支護管理困難,給礦井安全生產(chǎn)帶來巨大的安全隱患[1]。受斷層影響,工作面上部基本頂巖層被切割斷裂,工作面應力重新分布,圍巖運動規(guī)律出現(xiàn)明顯改變[2]。鎮(zhèn)城底礦22602工作面中部有一條F214逆斷層,斷層貫穿整個工作面,對工作面回采帶來了較大影響,如何安全快速地通過斷層,是該工作面推進過程中面臨的重點問題。本文以該工作面實際生產(chǎn)條件為背景,通過理論分析和數(shù)值模擬的方法,分析工作面頂板受力情況,研究不同因素影響下斷層附近工作面頂板的運動規(guī)律,為相似條件下工作面過斷層提供參考價值。

        1 工作面概況

        鎮(zhèn)城底礦屬于山西焦煤集團旗下礦井,位于山西省古交市附近, 22602工作面主采2#煤層,煤層厚度為1.70~2.20m,平均1.85m,煤層結(jié)構(gòu)簡單,厚度穩(wěn)定,局部層理發(fā)育,為全區(qū)可采煤層。煤層傾角為1~4°,平均2°,屬于近水平煤層。工作面走向長度664m,傾斜長度197m,工作面面積為130808m2。工作面直接頂為1.90m厚的砂頁巖互層,基本頂為8.0m厚的細粒砂巖,直接底為2.62m厚的砂質(zhì)泥巖,基本底為2.76m厚的砂頁巖互層。

        工作面回采過程中,在距離開切眼約398m處揭露一條逆斷層F214,斷層貫穿整個工作面,由機頭逐步延伸至機尾,對工作面回采影響很大,在單軌吊巷12#點往里12m處,斷層落差H為10m,傾角∠為25°,在皮帶巷11#點往里10m處,斷層落差H為5.5m,傾角∠為17°。

        2 斷層附近工作面頂板受力模型

        受斷層影響,工作面開采至斷層附近時,頂板冒落高度增加,基本頂周期來壓步距減小。根據(jù)斷層附近頂板受力情況,建立力學模型,如圖1所示。

        圖1 煤層頂板受力模型

        如圖1所示,模型頂部受到基本頂作用,但由于基本頂強度較大,可將其視為以“給定變形”的作用方式,直接頂下部受支架支撐阻力P1和工作面前方煤壁的支撐力P2作用,直接頂右邊界受工作面后方垮落矸石作用,將其簡化為水平作用力P3。

        在斷層處,煤體的彈性變形量可表示為:

        式中:

        S0-煤體的彈性變形量,m;

        K-應力集中系數(shù);

        γ-上覆巖層平均容重,kN/m3;

        H-煤層埋深,m;

        E1-煤層彈性模量,kPa。

        在上述模型中,將支架支撐力視為一個線性變化的載荷,則控頂距內(nèi)任一點處的支架支撐力P1可表示為:

        式中:

        F-液壓支架的額定工作阻力,kN;

        L-支架控頂距,m;

        xz-控頂距內(nèi)該點距離斷層處的距離,m;

        l-工作面煤壁距離斷層的長度,m。

        要求得工作面前方煤壁對頂板的支撐力P2,首先要確定煤壁前方煤體的受力情況。受工作面超前支承壓力作用,工作面煤壁前方煤體受到一定破壞,強度降低,而煤體的受力情況應滿足下式條件:

        式中:

        σ1-最大主應力,MPa;

        σ3-最小主應力,MPa;

        σc-煤體受支承壓力破壞后的殘余強度,MPa;

        Kp-三軸應力系數(shù),與煤層內(nèi)摩擦角φ有關(guān),

        在斷層附近,煤體所受的垂直應力遠大于水平應力,因此,式(3)又可表示為:

        式中:

        σx-水平方向應力,MPa;

        σy-垂直方向應力,即為煤壁對頂板的支撐力P2,MPa。

        在圖1所示的計算模型中,將煤壁對頂板的支撐力P2簡化為線性變化的載荷,在斷層位置處,煤壁支承力大小應為KγH,在工作面煤壁處,支撐力應為煤體殘余強度σc,因此,根據(jù)線性方程求解方法,煤壁前方任一點處對頂板的支撐力可表示為:

        式中:

        l-煤壁距離斷層距離,m;

        x-煤壁前方該點距離斷層距離,m;

        K-應力集中系數(shù);

        γ-上覆巖層平均容重,kN/m3;

        H-煤層埋深,m。

        3 斷層附近頂板下沉量影響因素分析

        通過前面對斷層附近工作面頂板的受力分析,可知工作面頂板受力與煤層采高、支架控頂距、支護強度以及埋深等因素有關(guān),這也是影響頂板下沉的主要因素,而對于某一特定工作面,支架強度和埋深等因素固定,采高和控頂距是影響頂板下沉的主要因素。下面,利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件,對這兩個因素的影響規(guī)律進行分析研究。

        3.1 建立模型

        根據(jù)工作面實際地質(zhì)條件,建立數(shù)值計算模型,模型長度為240m,寬度為220m,高度為80m,模型四周與底部固支,頂板施加均布載荷模擬上覆巖層作用。其初始計算模型如圖2所示。

        圖2 初始計算模型

        模擬中每次推進2m,計算至平衡后推進下一步,在控頂距范圍內(nèi)施加0.6MPa的載荷作為支架阻力,記錄工作面過斷層時頂板下沉量,分析煤層采高和支架控頂距對頂板下沉量的影響規(guī)律。

        3.2 模擬結(jié)果與分析

        (1)煤層采高的影響

        根據(jù)煤層實際情況,工作面平均采高為1.85m,為確定不同采高對頂板下沉量的影響規(guī)律,分別模擬采高為1.0m、1.3m、1.6m和1.85m時情況,記錄過斷層時頂板下沉量,模擬結(jié)果如圖3所示。

        圖3 煤層采高與頂板下沉量的關(guān)系

        如圖3所示,當煤層采高為1.0m時,頂板下沉量約為0.1m,隨著采高的不斷增加,頂板下沉量也隨之增加,且增加速度不斷加快,當煤層采高增至1.85m時,頂板下沉量可達0.5m左右,頂板變形較大,維護管理困難,極易發(fā)生冒頂?shù)劝踩鹿省?/p>

        (2)支架控頂距的影響

        由前面可知,模擬中在煤壁后方施加一定載荷模擬支架的支撐作用。根據(jù)實際情況,22602工作面使用ZY3600/11/25型支撐掩護式液壓支架,其最大控頂范圍為4.98m,因此,為確定控頂距對頂板下沉量的影響,分別模擬控頂距為3.5m、4.0m、4.5m和5.0m時工作面過斷層情況,并記錄頂板下沉量,模擬結(jié)果如圖4所示。

        圖4 支架控頂距與頂板下沉量的關(guān)系

        由圖4可知,當支架控頂距為3.0m時,工作面頂板下沉量為0.37m,隨著控頂距的增加,頂板下沉量隨之增加。這是由于支架控頂距的增加導致頂板懸露長度的增加,直接頂處的應力也顯著增加,導致頂板下沉量的增大。

        4 工作面過斷層合理措施

        工作面通過斷層時,頂板相對破碎,圍巖應力增高,變形增大,極易發(fā)生安全事故。通過上文的分析結(jié)果,結(jié)合實際生產(chǎn)經(jīng)驗,確定以下安全技術(shù)措施。

        (1)當接近斷層5~8m時,就應提前挑頂作業(yè),減少斷層落差,為工作面通過斷層做準備,同時,加強對圍巖的監(jiān)測和管理,避免生產(chǎn)事故的發(fā)生,保障工作面安全生產(chǎn)[3];

        (2)過斷層時可降低采高,減少圍巖變形,保障工作面順利通過斷層,結(jié)合礦井實際情況,采高過低時,造成采場空間狹小,影響工作面的正常生產(chǎn),因此,確定過斷層時煤層采高應保持在1.6m左右;

        (3)適當減少控頂距來控制斷層附近的圍巖變形,根據(jù)工作面實際生產(chǎn)條件,適當降低控頂距至4.08m。

        (4)頂板較為破碎時,可以采用注漿的方法對煤體進行加固,提高煤體承載能力[4]。

        在實際生產(chǎn)過程中,工作面通過斷層時采用上述方法,有效控制了頂板下沉量,根據(jù)實測數(shù)據(jù),頂板下沉量最大為0.28m,符合安全生產(chǎn)要求,保障了工作面的正常生產(chǎn)。

        5 結(jié)論

        針對山西焦煤集團鎮(zhèn)城底礦22602工作面斷層實際情況,為保證工作面安全快速通過斷層,通過理論分析和FLAC3D數(shù)值模擬軟件,對斷層附近工作面頂板運動規(guī)律進行分析研究,得到以下結(jié)論:

        (1)根據(jù)斷層附近工作面頂板受力情況,建立力學模型,認為斷層附近直接頂下部受到支架阻力和煤壁支撐力的共同作用,工作面后方冒落矸石提供水平方向作用力;

        (2)確定影響斷層附近工作面頂板下沉的主要因素,利用數(shù)值模擬軟件,記錄不同條件下工作面通過斷層時的頂板下沉量,確定各因素對頂板下沉量的影響規(guī)律。

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