孫朝輝

（山西焦煤霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司運(yùn)銷分公司， 山西 呂梁 033102）

1 中厚緩傾煤層應(yīng)力實(shí)驗(yàn)的相關(guān)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)所在礦井情況

實(shí)驗(yàn)5-2072 井煤層厚度平均在3.1 m，它是典型中厚復(fù)雜結(jié)構(gòu)的煤層，含矸量達(dá)1 到3 層，厚度在0.2～1.1 m，掘進(jìn)形式為下山240 m 開口，坡度煤層角度為1°～3°，在241～500 m 是上山形式的掘進(jìn)，坡度每層角度為1°～5°，501 m 到煤層尾端逐漸坡度加大到15°，礦井頂板是細(xì)沙、泥巖。底板是泥巖砂質(zhì)[1]。

1.2 采集數(shù)據(jù)和處理

1.2.1 采集圍巖參數(shù)應(yīng)力

根據(jù)礦井目前實(shí)際工作情況和實(shí)驗(yàn)應(yīng)具備的必要條件，選定試驗(yàn)條件具備并且又不對生產(chǎn)造成影響的5-2072 礦道打孔施工安裝實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)。

在5-2072 開采面礦井進(jìn)行打孔安裝應(yīng)力計(jì)并進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，從而獲得開采推進(jìn)后的應(yīng)力數(shù)據(jù)[2]。

對變化的應(yīng)力分析可知：當(dāng)回采過程中距離不斷增大，圍巖礦井原來的應(yīng)力發(fā)生變化，礦井巷道應(yīng)力發(fā)生變化，圍巖巷道兩側(cè)和前方工作面的應(yīng)力不斷升高，在鉆孔測量應(yīng)力儀距離開采面5 m 時(shí)，其應(yīng)力采動(dòng)最高升至5.32 MPa。當(dāng)開采面開采過后，應(yīng)力逐漸下降，應(yīng)力工作面關(guān)系是距離加大應(yīng)力成線性向下變化。當(dāng)距離達(dá)到一定時(shí)，應(yīng)力受采動(dòng)工作將減小，巷道圍巖各處的應(yīng)力將逐漸平穩(wěn)[3]。

1.2.2 頂板巷道下沉量

頂板測量儀安裝位置遵循既不影響正常施工生產(chǎn)由能夠方便進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，所以頂板測量儀安裝在5-2072 巷道末端離停采位置10 m 處，定時(shí)對頂板巖層移動(dòng)數(shù)值進(jìn)行讀取記錄。通過這些參數(shù)對頂板移動(dòng)規(guī)律分析如圖1。

圖1 頂板移動(dòng)規(guī)律

從圖1 可以看出圍巖巷道回采頂板受到開采振動(dòng)影響，位移受力變化垂直向下頂板出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，它的下沉量與開采推進(jìn)增大而增大，頂板發(fā)生下沉的速度也跟隨加大，當(dāng)開采作業(yè)推進(jìn)到保護(hù)柱時(shí)，頂板圍巖監(jiān)測到最大下沉量57.225 mm。

2 緩傾煤層應(yīng)力變化規(guī)律

2.1 模型計(jì)算數(shù)值的建立

利用FLAC3D 軟件能夠滿足煤層應(yīng)力模擬數(shù)值的全部過程，采用模擬Mohr-Coulomd 模型，與實(shí)際工作中不同材料巖層參數(shù)結(jié)合。選取模型長度為450 m，寬度為234.76 m，高度為122 m，模擬巷道3.5 m×2.0 m，模擬B2 煤層開采[4]。

垂直應(yīng)力是因?yàn)閹r層自重產(chǎn)生的，因?yàn)橛?jì)算機(jī)里的模型距地表為414 m，所以模型垂直的應(yīng)力是10 MPa。水平模型應(yīng)力參考實(shí)測應(yīng)力參數(shù)值，X方向應(yīng)力是17.2 MPa，Y方向應(yīng)力是28.7 MPa。

2.2 模擬數(shù)值分析

2.2.1 應(yīng)力發(fā)展變化規(guī)律

根據(jù)初始狀態(tài)模擬結(jié)論可知曉，當(dāng)回采的首個(gè)階段完成，圍巖平穩(wěn)以后第四監(jiān)控點(diǎn)的應(yīng)力是13.63MPa，該應(yīng)力從圍巖平穩(wěn)到推進(jìn)工作面期間，因?yàn)殡x采面距離遠(yuǎn)，所以受到的影響也不大，可忽略不計(jì)。

1）同開采中段第四監(jiān)控點(diǎn)沿應(yīng)力發(fā)展變化的規(guī)律：在工作面不斷推進(jìn)中，其對監(jiān)控四點(diǎn)的作用不斷增加，垂直所受應(yīng)力也越來越強(qiáng)，其速率的變化會(huì)隨著掘進(jìn)目標(biāo)臨近而不斷加快，采動(dòng)所波及面不斷增加。

2）同開采圍巖的進(jìn)程保護(hù)山上煤柱周邊監(jiān)控7點(diǎn)應(yīng)力發(fā)展變化的規(guī)律：垂直所受應(yīng)力伴著工作面不斷推進(jìn)而不斷增強(qiáng)，其應(yīng)力發(fā)展速率隨著掘進(jìn)目標(biāo)臨近而不斷加快，采動(dòng)波及面不斷增加。

3）同開采圍巖的過程中回采應(yīng)力發(fā)展變化的規(guī)律：隨著開采范圍不斷延伸，煤體垂直所受應(yīng)力沒有明顯變化，但圍巖所受應(yīng)力的作用面不斷擴(kuò)大，需以圍巖所受應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并要對圍體進(jìn)行加固，以確保安全[5]。

2.2.2 采動(dòng)曲線變形分析

在工作面推進(jìn)不同的距離內(nèi)，監(jiān)測巷道各測控點(diǎn)相應(yīng)的位移及應(yīng)力發(fā)展和變化，對應(yīng)力受其影響的規(guī)律進(jìn)行研究。

監(jiān)控點(diǎn)1 設(shè)在采場中心地帶風(fēng)巷周圍，其垂向所受應(yīng)力在采面不斷推進(jìn)下而不斷加大。監(jiān)控點(diǎn)發(fā)展變化的應(yīng)力規(guī)律同現(xiàn)場所測結(jié)果相符，垂向所受應(yīng)力隨煤層不斷推進(jìn)應(yīng)力也不斷加大。越離采面近變化應(yīng)力也越強(qiáng)，隨距采面的距離不斷增加，在其作用下增加應(yīng)力程度越來越小。

監(jiān)控點(diǎn)1 號(hào)和4 號(hào)及7 號(hào)，被設(shè)在機(jī)巷不同的地方，每開掘模擬一步，巷道垂向所受應(yīng)力都有所加大，增幅同采面之間的距離相關(guān)，采面周圍應(yīng)力的發(fā)展變化較多受其作用影響。

根據(jù)各監(jiān)控點(diǎn)應(yīng)力發(fā)展變化的曲線可以知曉，采場圍巖回采每一步，其應(yīng)力都在提升，應(yīng)力增幅同采面距離推進(jìn)相關(guān)，當(dāng)采掘工作面推行到附近，圍巖應(yīng)力有較大幅度的增大。監(jiān)控8 號(hào)點(diǎn)地處采場的中心，模擬采掘100 m 被切斷，故此應(yīng)力成零。監(jiān)控5點(diǎn)處在回采煤柱周邊，回采面推行到煤柱周邊時(shí)應(yīng)力會(huì)集中，煤柱所受應(yīng)力壓就增大，煤柱垂向所受應(yīng)力最高可達(dá)66.7 MPa[6]。

3 煤層緩傾采動(dòng)分布裂隙規(guī)律

3.1 煤層應(yīng)力殘裂隙移動(dòng)場分帶

煤層在地下被人為開發(fā)和利用，形成采掘作業(yè)空間，破壞了地層原有平衡的應(yīng)力場，在其轉(zhuǎn)向其他平衡的時(shí)候，就會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力重新分配，同時(shí)會(huì)引起覆在上面的巖體發(fā)生破裂或彎曲，下沉或離層等狀況，這使采礦發(fā)生破壞，應(yīng)力發(fā)生變形，煤巖發(fā)生開裂效應(yīng)的整體過程。自工作面起至回采，再到覆巖發(fā)生變形最后垮落的整個(gè)過程可以分成三個(gè)部分。

1）初采至初次垮落。由采區(qū)圍巖巷道開掘到開切眼形成，巖層直接承受覆巖和自體的雙重重力，發(fā)生變形彎曲，當(dāng)巖層中聚黏力與抗拉度達(dá)到極限，便會(huì)出現(xiàn)破裂和碎斷以及冒落，嚴(yán)重可產(chǎn)生冒落帶的形成。

2）本頂出現(xiàn)初次垮落至圍巖采動(dòng)。

3）當(dāng)基本頂在初次出現(xiàn)垮落時(shí)，受到來壓周期的影響會(huì)周期性的出現(xiàn)垮落。當(dāng)采面掘進(jìn)的距離不斷增加，其上所覆巖層會(huì)不斷出生破裂和滑移以及離層等狀況，但整體依然維護(hù)層狀基本結(jié)構(gòu)的巖層叫做裂縫帶。

4）開采后階段。采空區(qū)如果空間非常大，隨之移動(dòng)的巖層也隨之增大，地表變形呈現(xiàn)“盆狀”的時(shí)候，叫做充分采動(dòng)。

3.2 采動(dòng)的覆巖分區(qū)

依據(jù)實(shí)測和對礦壓基本理論的研究，煤層在采出之后出現(xiàn)空間，巖層的上覆及底部應(yīng)力遭到損害和變化，出現(xiàn)分帶性變形和移動(dòng)。當(dāng)使用后退式開采中厚緩斜煤層，采深至25 倍采高深度時(shí)，所覆巖層就會(huì)因變形、移動(dòng)和破裂發(fā)生三帶：

1）落帶?？迓鋷瑫r(shí)被叫做冒落帶，指的是沒有連續(xù)性，表現(xiàn)被不規(guī)則碎裂巖石填充采空區(qū)。一般分成不規(guī)則的上部垮落帶及規(guī)則的下部垮落帶?？迓鋷г诟矌r底部，當(dāng)煤層被開采掘空后，覆巖層平衡就會(huì)改變，開始由煤層頂層冒落并一直向上延伸，直至巖塊把采空間填滿[7]。

2）裂縫帶。裂縫帶也叫斷裂導(dǎo)水帶，其在垮落帶的上方，變曲帶的下方，為工作面較硬的巖石在壓力作用下斷裂而成的，斷后所成的懸臂梁仍留有部分支撐作用。整體仍維持巖層原有的層次。

3）變形彎曲帶。變形彎曲帶也叫移動(dòng)整體帶及下沉彎曲帶，是指斷裂的水帶頂端到地表所在的巖層，在變形帶內(nèi)巖層有著整體性和規(guī)則性特征，尤其是在泥巖軟弱的砂巖層和碎屑松散的土層。在變形帶下方易有離層或微小的不導(dǎo)水?dāng)嗔?。?dāng)開采煤層比較厚，煤層深度又比較淺時(shí)，裂縫帶容易影響地表，從而沒有變形帶出現(xiàn)。

4 結(jié)語

經(jīng)過監(jiān)測5-2072 巷道回采應(yīng)力，得出相關(guān)的監(jiān)測參數(shù)，經(jīng)過分析應(yīng)力數(shù)據(jù)可知進(jìn)行采面的過程當(dāng)中，煤層在采動(dòng)時(shí)對四面巖體產(chǎn)生的變形作用，更深入的得出應(yīng)力場發(fā)展變化的規(guī)律。并對回采巖石樣本做了力學(xué)試驗(yàn)，獲得了圍巖相關(guān)材質(zhì)具有的特性數(shù)據(jù)信息，之后憑借FLAC3D 軟件構(gòu)建運(yùn)算模型，針對開采煤層時(shí)采場之中的應(yīng)力及應(yīng)變情況進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算模擬，獲得了中厚層緩斜傾煤層應(yīng)力場發(fā)展變化的規(guī)律?？勺鳛榻窈箝_采煤礦施工重要的理論和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。