申海生

(潞安集團(tuán) 李村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046600)

大采高綜采技術(shù)已在我國(guó)多個(gè)礦區(qū)廣泛使用，并取得一定的成功。但在應(yīng)用過(guò)程中，因支架工作阻力不足導(dǎo)致支架壓死或構(gòu)件損壞、采高增加導(dǎo)致支架穩(wěn)定性差、煤壁片幫引發(fā)端頭冒頂?shù)仁鹿嗜詴r(shí)有發(fā)生[1-3]。而這些問(wèn)題的發(fā)生除與特殊地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)外，其根本上是由于未掌握上覆巖層結(jié)構(gòu)及頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律所導(dǎo)致[4-6]。因此本文以李村煤礦1301工作面為背景，采用UDEC數(shù)值模擬軟件分析大采高綜采工作面頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律及塑性區(qū)分布規(guī)律，得出大采高綜采工作面頂板在不同推進(jìn)步距時(shí)的斷裂、離層、垮落特征以及支承壓力和塑性區(qū)的分布、演化特征，為大采高綜采工作面的安全、高效生產(chǎn)提供有力依據(jù)。

1 工程概況

1301工作面埋藏深度+597～+561m，工作面北部為采區(qū)大巷，南部為XL5陷落柱，西部為未采區(qū)域，東部為南部采區(qū)大巷。工作面可采長(zhǎng)度441 m，切眼長(zhǎng)240 m，可采面積105 840 m2。煤層傾角0～6°，平均3°，煤層厚度為4～4.4 m，平均厚度為4.2 m。

工作面開(kāi)采煤層屬下二疊統(tǒng)山西組下部的3號(hào)煤層，該煤層賦存穩(wěn)定，煤厚變異較小，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。煤體以黑色、塊狀為主，粒狀次之，亮煤為主，夾鏡煤條帶，煤質(zhì)為貧煤。

該工作面三維地震揭露的斷層等地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，伴生構(gòu)造仍然存在，特別受掘進(jìn)過(guò)程中揭露地質(zhì)構(gòu)造(斷層、陷落柱、節(jié)理、裂隙等)影響，接近這些地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，工作面回采前方可能存在隱伏性陷落柱、斷層、節(jié)理、裂隙、牽引褶曲、煤層產(chǎn)狀急劇變化、煤系地層沉積形成的鍋底構(gòu)造，工作面淋水增大等異常現(xiàn)象，回采期間煤層頂板及煤壁壓力大，裂隙發(fā)育處頂板易破碎、塌頂，煤質(zhì)軟硬發(fā)育不均，容易片幫。1301工作面垂直地應(yīng)力為13.47 MPa，最大水平主應(yīng)力為15 MPa，方向N20°W。工作面巷道布置如圖1，煤層頂?shù)装鍘r性如圖2。

圖1 1301工作面巷道布置

圖2 煤層頂?shù)装鍘r性綜合柱狀

2 數(shù)值模型的建立

基于1301大采高綜采工作面的技術(shù)條件及地質(zhì)條件，采用離散元數(shù)值模擬軟件UDEC建立數(shù)值模型，模型采用的煤巖層節(jié)理力學(xué)參數(shù)和煤巖層塊體力學(xué)參數(shù)如表1和表2。模型上邊界為自由邊界條件，上覆巖層的自重以應(yīng)力的形式施加到模型的上邊界，應(yīng)力大小為14.50 MPa；模型的左右邊界施加水平約束條件，即邊界水平方向位移為0，速度為0；模型的下邊界為固定邊界。

表1 1301大采高綜采工作面煤巖層節(jié)理力學(xué)參數(shù)

表2 1301大采高綜采工作面煤巖層塊體力學(xué)參數(shù)

3 頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律模擬研究

本次模擬是1301工作面依次推進(jìn)11 m、36 m、81 m時(shí)，工作面頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律，具體模擬結(jié)果如圖3。由圖3可以看出：當(dāng)工作面向前推進(jìn)至11 m左右時(shí)，采空區(qū)上方的泥巖及砂質(zhì)泥巖開(kāi)始彎曲下沉，與細(xì)粒砂巖之間出現(xiàn)離層，進(jìn)而開(kāi)始斷裂，之后在支架后方開(kāi)始垮落，形成大量不規(guī)則巖體充填采空區(qū)。當(dāng)工作面向前推進(jìn)至36 m左右時(shí)，泥巖及砂質(zhì)泥巖的垮落已經(jīng)完成，但其垮落形成的矸石不足以充填采空區(qū)。同時(shí)，細(xì)粒砂巖與基本頂之間出現(xiàn)離層，進(jìn)而開(kāi)始垮落，覆蓋于下方破碎的矸石之上，以此來(lái)充填采空區(qū)。與此同時(shí)，基本頂開(kāi)始緩慢斷裂、下沉，逐步壓實(shí)與細(xì)粒砂巖之間的離層，基本頂由于下沉與上覆巖層之間出現(xiàn)新的離層。當(dāng)工作面向前推進(jìn)至81 m左右時(shí)，采空區(qū)上方直接頂?shù)目迓湟呀?jīng)結(jié)束，基本頂緩慢斷裂、下沉，上覆巖層由于重力的作用彎曲下沉，組合巖梁周期性斷裂，下沉至細(xì)粒砂巖之上，逐步壓實(shí)與細(xì)粒砂巖之間的離層，基本頂由于下沉作用，將壓力向下傳遞至工作面支架，造成了基本頂?shù)闹芷谛詠?lái)壓。

圖3 1301工作面不同推進(jìn)階段頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律

4 支承壓力分布規(guī)律研究

1301工作面依次推進(jìn) 11 m、36 m、81 m時(shí)，在工作面推進(jìn)方向上支承壓力的分布規(guī)律如圖4所示。從圖4可以看出：當(dāng)工作面推進(jìn)到11 m 左右時(shí)，采空區(qū)上方直接頂處為應(yīng)力最小，因?yàn)榇藭r(shí)該處下位直接頂處于緩慢下沉狀態(tài)，并未直接受到上覆巖層一次向下傳遞的應(yīng)力；然后，以此處為中心，應(yīng)力向外側(cè)依次增大；在煤壁前方一定范圍內(nèi)，有應(yīng)力增高處，這是因?yàn)樯细矌r層在此處有應(yīng)力集中，而且這種應(yīng)力集中前后基本呈對(duì)稱分布，再向外應(yīng)力分布基本穩(wěn)定；隨著工作面不斷推進(jìn)，應(yīng)力集中區(qū)逐漸向前推進(jìn)，且應(yīng)力集中程度有所提高，如圖4(b)所示；當(dāng)工作面推進(jìn)至81 m時(shí)，采空區(qū)上方巖層基本下沉穩(wěn)定，在該區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)出現(xiàn)支承應(yīng)力降低區(qū)，工作面前方及后方圍巖中仍出現(xiàn)應(yīng)力升高區(qū)。

圖4 1301工作面不同推進(jìn)階段支承壓力分布規(guī)律

5 塑性區(qū)分布規(guī)律研究

圖5為1301工作面推進(jìn)11 m、36 m、81 m時(shí)塑性區(qū)的分布規(guī)律。由圖5可以看出，隨著工作面的不斷推進(jìn)，工作面圍巖的塑性區(qū)不斷發(fā)展擴(kuò)大；當(dāng)工作面推進(jìn)11m左右時(shí)，整體塑性區(qū)范圍最?。划?dāng)推進(jìn)到81 m左右時(shí)，整體塑性區(qū)的范圍最大。工作面煤壁前方塑性區(qū)破壞前后兩側(cè)基本呈現(xiàn)對(duì)稱分布的狀態(tài)。

圖5 1301工作面不同推進(jìn)階段塑性區(qū)分布規(guī)律

6 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)1301大采高工作面實(shí)際地質(zhì)條件，采用UDEC軟件模擬了1301工作面在不同推進(jìn)距離時(shí)頂板的運(yùn)動(dòng)情況、工作面支承壓力和工作面塑性區(qū)的分布規(guī)律，為工作面現(xiàn)場(chǎng)頂板的支護(hù)提供一定的理論依據(jù)。