任艷芳,劉 江,齊慶新,2,4

（1.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院,北京 100013;2.煤炭科學(xué)研究總院科技發(fā)展部,北京 100013;3.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013;4.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （煤炭科學(xué)研究總院）,北京 100013）

薄基巖淺埋深長(zhǎng)壁工作面覆巖結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特征

任艷芳1,3,劉 江1,齊慶新1,2,4

（1.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院,北京 100013;2.煤炭科學(xué)研究總院科技發(fā)展部,北京 100013;3.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013;4.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （煤炭科學(xué)研究總院）,北京 100013）

利用離散元數(shù)值模擬軟件,分析了典型淺埋深長(zhǎng)壁工作面圍巖力學(xué)場(chǎng)分布特征和覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律,研究了淺埋深長(zhǎng)壁工作面覆巖結(jié)構(gòu)形式及運(yùn)動(dòng)特征。研究得出淺埋深長(zhǎng)壁采場(chǎng)開采后,圍巖應(yīng)力場(chǎng)中可形成“承壓拱”結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)具有承載作用,并具有連續(xù)性、穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性特點(diǎn)。

淺埋煤層;“承壓拱”結(jié)構(gòu);數(shù)值模擬;運(yùn)動(dòng)特征

1 淺埋煤層頂板巖層控制研究概況

淺埋煤層是指具有埋藏淺、基巖層薄、地表覆蓋松散層厚等典型特點(diǎn)的煤層。這一類煤層大多分布于我國(guó)西部地區(qū),神東煤田就是典型的淺埋煤層[1]。神東煤田的開采實(shí)踐表明,盡管淺埋煤層的礦井地質(zhì)及開采技術(shù)條件都比較優(yōu)越,但在采動(dòng)影響后,工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈,頂板巖層呈整體切落式垮落,上覆松散層緊附基巖沿煤壁切落,對(duì)工作面形成瞬間沖擊載荷,常伴隨潰水、潰沙等災(zāi)害,嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)[2]。由于淺埋采場(chǎng)頂板巖層垮斷運(yùn)移的特殊性,原有普通長(zhǎng)壁工作面頂板巖層控制經(jīng)驗(yàn)和理論已不能很好地解釋這種現(xiàn)象。

因此,針對(duì)淺埋深煤層覆巖活動(dòng)的特殊性,研究淺埋深煤層長(zhǎng)壁工作面覆巖結(jié)構(gòu)形式及穩(wěn)定性研究因素,解決淺埋煤層開采面臨的生產(chǎn)技術(shù)及安全問題,具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。國(guó)內(nèi)科研人員近幾十年對(duì)于淺埋煤層開采理論的研究取得了諸多成果,黃慶享應(yīng)用頂板結(jié)構(gòu)理論進(jìn)行了頂板控制的定量化分析,指出頂板臺(tái)階下沉是由單一關(guān)鍵層頂板破斷失穩(wěn)造成的,提出了淺埋煤層頂板來壓的“短砌體梁”和“臺(tái)階巖梁”結(jié)構(gòu)模型。侯忠杰把關(guān)鍵層理論應(yīng)用于地表厚松散層淺埋煤層,提出了淺埋煤層中的組合關(guān)鍵層理論。李鳳儀在對(duì)淺埋薄基巖煤層的覆巖結(jié)構(gòu)及其力學(xué)特征進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上,提出了工作面周期來壓的 “承壓砌塊”模型,并對(duì)松散覆蓋層進(jìn)行了研究,提出了散體載荷層活動(dòng)的動(dòng)載荷效應(yīng)。楊治林、涂敏等對(duì)淺埋煤層頂板結(jié)構(gòu)理論研究都取得豐碩的成果。已有研究成果為真正掌握淺埋煤層開采頂板活動(dòng)規(guī)律奠定了理論基礎(chǔ),而科研人員對(duì)于淺埋煤層頂板結(jié)構(gòu)理論的研究從未停止過[3-12]。

應(yīng)該看到,針對(duì)淺埋煤層開采條件而言,已有成果重點(diǎn)在于對(duì)淺埋煤層力學(xué)結(jié)構(gòu)模型的研究,而對(duì)圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律的研究不多。對(duì)于淺埋煤層開采條件尤其是淺埋煤層長(zhǎng)壁開采條件,其圍巖應(yīng)力場(chǎng)是在淺埋煤層覆巖運(yùn)動(dòng)作用下形成的,具有與常規(guī)開采所不同的特殊規(guī)律,這已被大量的開采實(shí)踐所證實(shí)。本文通過對(duì)神東煤田典型淺埋深長(zhǎng)壁工作面圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布特征為切入點(diǎn),利用數(shù)值模擬手段研究分析了淺埋深長(zhǎng)壁工作面頂板所成應(yīng)力結(jié)構(gòu)形式,并對(duì)淺埋深長(zhǎng)壁工作面頂板應(yīng)力結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了總結(jié)分析。

2 工程背景

伊泰集團(tuán)納林廟一礦 316-2上04工作面開采東勝煤田 6-2上煤層,煤層平均厚度 2.2m,工作面長(zhǎng)度 180m;工作面埋藏深度約 80m;基巖平均厚度約 40m,松散層平均厚度 40m,為典型的淺埋煤層條件。工作面采用 ZY6800/14/32支架支護(hù)。工作面周期來壓步距 9～18.6m,平均 14m。

3 覆巖運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬分析

3.1 頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

利用 3DEC數(shù)值模擬分析軟件,以伊泰公司納林廟一礦 316-2上04工作面為工程背景,建立模型,分析頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律。工作面開采后頂板活動(dòng)規(guī)律如圖1。

圖1 工作面上覆巖層運(yùn)動(dòng)過程

分析圖 1可知,工作面推進(jìn)至 60m時(shí),頂板巖層全部破斷。地表松散層在基巖層全部破斷后,將發(fā)生同步下沉運(yùn)動(dòng)。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn),地表松散層與基巖層的同步下沉運(yùn)動(dòng)基本呈現(xiàn)出規(guī)律性,但頂板巖層斷裂位置滯后于回采工作面一定距離,對(duì)回采工作面造成的影響有限。

3.2 覆巖應(yīng)力分布特征分析

工作面開采后上覆巖層中主應(yīng)力分布規(guī)律如圖2所示。

圖2 不同推進(jìn)階段主應(yīng)力分布

分析圖 2可知,工作面在開切眼后,上覆巖層中破斷的頂板巖層之間互相擠壓,形成分別以切眼后方煤體和前方煤體為前、后支撐點(diǎn)的拱狀應(yīng)力承載結(jié)構(gòu),該拱狀應(yīng)力結(jié)構(gòu)的上部頂板巖層依然保持穩(wěn)定,說明這個(gè)應(yīng)力結(jié)構(gòu)具有承載上部巖層重量的作用。隨著工作面不斷推進(jìn),應(yīng)力拱結(jié)構(gòu)下部的頂板巖層依次逐漸發(fā)生離層、破壞,破壞的下部巖層又使上部巖層發(fā)生運(yùn)動(dòng)失穩(wěn),造成拱的高度和寬度不斷發(fā)展。在達(dá)到臨界充分采動(dòng)時(shí),應(yīng)力拱結(jié)構(gòu)在高度和寬度上都達(dá)到了最大臨界值。此后,隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn),拱結(jié)構(gòu)在形態(tài)上將達(dá)到穩(wěn)定,拱高和拱寬不再繼續(xù)發(fā)展,而整個(gè)拱體結(jié)構(gòu)將隨著工作面回采不斷前移。與此同時(shí),在采空區(qū)冒落的矸石與煤壁前方煤體之間又會(huì)持續(xù)形成新的應(yīng)力拱結(jié)構(gòu),并且將重復(fù)上述發(fā)展變化過程。該拱狀應(yīng)力結(jié)構(gòu)具有的承載作用,可稱之為“承壓拱”結(jié)構(gòu)。

3.3 “承壓拱”結(jié)構(gòu)特征分析

根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果可知,工作面在回采時(shí),“承壓拱”結(jié)構(gòu)將經(jīng)歷失穩(wěn)—平衡—再失穩(wěn)的周期性變化。分析圖 2可知,煤層開采后在上覆巖層中形成的“承壓拱”結(jié)構(gòu)既是抽象的,又是實(shí)際存在的。該結(jié)構(gòu)的發(fā)展運(yùn)動(dòng)并非雜亂無(wú)章,而是有規(guī)律可循的。

對(duì)于淺埋深長(zhǎng)壁工作面上覆巖層中的“承壓拱”結(jié)構(gòu)隨工作面推進(jìn)的運(yùn)動(dòng)特征總結(jié)如下:

（1）“承壓拱”結(jié)構(gòu)的形態(tài)特征 在充分采動(dòng)前,上覆巖層中的“承壓拱”結(jié)構(gòu)在形態(tài)上是一對(duì)稱的具有承載作用的應(yīng)力拱結(jié)構(gòu),后拱腳基本不動(dòng),前拱腳隨著工作面的推進(jìn)不斷前移,“承壓拱”結(jié)構(gòu)的高度和寬度不斷發(fā)展。

在充分采動(dòng)后,上覆巖層中的 “承壓拱”結(jié)構(gòu)在高度和寬度上達(dá)到臨界值,拱結(jié)構(gòu)將發(fā)生失穩(wěn)破壞,而在采空區(qū)冒落的矸石與煤壁前方煤體之間形成新的“承壓拱”結(jié)構(gòu)。從形態(tài)上分析,此時(shí)的承壓拱結(jié)構(gòu)將是一非對(duì)稱的具有承載作用的應(yīng)力拱結(jié)構(gòu),應(yīng)力拱的高度和寬度將不再隨著開采的進(jìn)行而加大,但整個(gè)拱體從形態(tài)上將表現(xiàn)為隨著開采步距的加大不斷前移的特征。

（2）“承壓拱”結(jié)構(gòu)的組合作用特征 隨著工作面的推進(jìn)距離不斷加大,頂板巖層中將不斷有“承壓拱”失穩(wěn);同時(shí)在采空區(qū)冒落壓實(shí)的矸石與煤壁前方煤體之間又不斷有新的 “承壓拱”結(jié)構(gòu)形成。因此,同一時(shí)刻頂板巖層中會(huì)存在多個(gè)不同層位的“承壓拱”結(jié)構(gòu)。這些不同層位的 “承壓拱”結(jié)構(gòu)作用各不相同,分別承擔(dān)不同層位的頂板巖層,多個(gè)“承壓拱”的組合作用共同對(duì)工作面回采空間起到保護(hù)作用。與常規(guī)埋深煤層不同的是,淺埋煤層由于埋藏較淺,煤層充分采動(dòng)后“承壓拱”結(jié)構(gòu)高度將發(fā)展至整個(gè)基巖層厚度,隨著“承壓拱”結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞,地表松散層會(huì)依附在基巖層上發(fā)生同步下沉,對(duì)工作面礦壓顯現(xiàn)產(chǎn)生影響。

因此,頂板巖層的運(yùn)動(dòng)實(shí)質(zhì)就是不同層位“承壓拱”結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演化過程。

（3）“承壓拱”結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特征 頂板巖層中的“承壓拱”結(jié)構(gòu)發(fā)展變化具有連續(xù)性、穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性特點(diǎn)。

連續(xù)性是指“承壓拱”結(jié)構(gòu)隨著工作面的推進(jìn),在冒落壓實(shí)的矸石與煤壁前方煤體之間連續(xù)不斷的形成。

穩(wěn)定性是指“承壓拱”結(jié)構(gòu)在達(dá)到充分采動(dòng)之后,拱結(jié)構(gòu)的高度和寬度不再發(fā)展,在結(jié)構(gòu)形態(tài)上基本保持穩(wěn)定。

動(dòng)態(tài)性是指所形成的 “承壓拱”結(jié)構(gòu)在充分采動(dòng)前隨著工作面的推進(jìn),拱高、拱寬不斷發(fā)展變化,充分采動(dòng)后隨著工作面的推進(jìn)拱頂、拱寬不再發(fā)展,而拱體本身不斷前移。

4 結(jié)論

利用數(shù)值模擬對(duì)神東煤田典型淺埋深長(zhǎng)壁工作面圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布特征進(jìn)行研究,分析了淺埋深長(zhǎng)壁工作面頂板所成力學(xué)結(jié)構(gòu)形式,并對(duì)淺埋深長(zhǎng)壁工作面頂板結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行了總結(jié),分析結(jié)果表明淺埋深長(zhǎng)壁采場(chǎng)上覆巖層中可以形成“承壓拱”結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)具有承載作用,不同層位的 “承壓拱”結(jié)構(gòu)分別承擔(dān)不同層位的巖層重量,共同對(duì)工作面回采空間起到保護(hù)作用?！俺袎汗啊苯Y(jié)構(gòu)的發(fā)展變化具有連續(xù)性、穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性特點(diǎn)。

[1]錢鳴高,石平五 .礦山壓力與巖層控制 [M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2003.

[2]黃慶享 .淺埋煤層長(zhǎng)壁開采頂板結(jié)構(gòu)及巖層控制研究 [M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2000.

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Movement Characteristic of Overlying Strata Structure over Long-wall Mining Face in Shallow Buried Coal Seam

REN Yan-fang1,3,LIU Jiang1,QIQing-xin1,2,4
（1.Coal Mining&Designing Branch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;
2.Science&Technology Development Department,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;
3.Coal Mining&DesigningDepartment,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China;
4.State KeyLaboratory of Coal Resources High-efficiency Mining&Clean Utilization,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China）

Applying discrete element software,stress field distribution characteristic and movement rule of surrounding rock of longwall mining face in shallow buried coal-seam was analyzed;surrounding strata structure and movement characteristic was researched.Results showed that bearing arch structure could form in stress filed of surrounding rock and the structure could bear load and had the characteristics of continuity,stability and activity.

shallow buried coal-seam;bearing arch structure;numerical simulation;movement characteristic

TD325

A

1006-6225（2011）03-0035-03

2010-12-16

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目 （2008BAB36B01,2008BAB36B12）;國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃 （973）項(xiàng)目 （2010CB226806）

任艷芳 （1981-）,男,山西太原人,助理工程師,在讀博士研究生,主要從事礦山壓力、巖層控制技術(shù)及采煤方法研究。

[責(zé)任編輯:鄒正立 ]