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特厚煤層綜放工作面開采采厚效應(yīng)研究

2022-07-08 02:52:50郎明輝
2022年7期
關(guān)鍵詞:綜放覆巖砌體

郎明輝

(山西省晉能控股集團(tuán)晉城煤炭事業(yè)部 億欣煤業(yè),山西 晉城 048200)

隨著國(guó)內(nèi)煤炭開采技術(shù)及裝備水平的提高,煤層開采厚度也在不斷增加。煤層開采厚度增加使得采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)、應(yīng)力分布表現(xiàn)出了不同的特征。這些新的特征,如果不能及時(shí)掌握并加以控制,有時(shí)會(huì)造成頂板災(zāi)害[1-3]。呂嘉錕等[4]通過(guò)數(shù)值模擬及理論分析研究了采厚變化條件下,采場(chǎng)支承應(yīng)力分布特征;馬月連等[5]通過(guò)相似模擬試驗(yàn)對(duì)6~12 m采高變化時(shí),覆巖三帶變化及礦壓特征進(jìn)行了研究。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于采厚變化后覆巖結(jié)構(gòu)、應(yīng)力分布進(jìn)行了大量的研究,取得了豐碩的成果,但是采厚較多局限于12 m以下,對(duì)于特厚煤層采厚效應(yīng)的研究成果較少。因此研究特厚煤層綜放工作面采厚效應(yīng)對(duì)于采場(chǎng)圍巖控制、保證回采巷道圍巖穩(wěn)定性具有極其重要的意義。

1 工程概況

山西某礦主采3~5號(hào)煤層,煤層厚度為8.36~29.21 m,平均17.52 m;傾角為2~6°,平均3°。3~5號(hào)煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,多見分岔合并現(xiàn)象,沉積環(huán)境不穩(wěn)定。煤層節(jié)理較發(fā)育,中等以上硬度;煤體抗壓強(qiáng)度27~37 MPa,平均32 MPa;煤層基本頂為灰白色中粒砂巖,厚度2.30~14.15 m,平均7.40 m;直接頂為黃白色、灰色煌斑巖,厚度4.77~39.44 m,平均17.72 m;直接底為灰褐色高嶺巖,厚度1.66~3.25 m,平均2.51 m;煤層采用綜采放頂煤一次采全高的采煤方法開采,放煤方式采用一刀一放雙輪順序放煤的方式。

2 特厚煤層綜放開采覆巖結(jié)構(gòu)

特厚煤層綜放開采采出的煤層厚度較大,隨著煤層不斷開采形成了大尺度的采空區(qū),使得覆巖結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了新的變化,對(duì)比普通厚度的煤層,更高的層位才能形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)[4]。

隨著特厚煤層采厚增加,覆巖垮落帶也隨之增加,然而煤層開采后形成的大尺度采空區(qū),直接頂巖石無(wú)法完全充滿,難以形成有效的支撐,直接導(dǎo)致基本頂巖層破斷并發(fā)生大幅度的回轉(zhuǎn)變形。因此,對(duì)于特厚煤層綜放開采條件下,煤層頂板中的中、低位關(guān)鍵層多以懸臂梁形式破斷,高位關(guān)鍵層由于所處的層位較高,其回轉(zhuǎn)變形量逐漸減小,最終形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu),即形成“低位懸臂梁+高位砌體梁”的結(jié)構(gòu)特征。所以,在同等條件下,特厚煤層綜放開采比一般厚度煤層覆巖破斷規(guī)模大、穩(wěn)定結(jié)構(gòu)所處層位高、頂板回轉(zhuǎn)變形幅度大,如圖1所示。

圖1 特厚煤層采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)模型

3 數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

采用CDEM數(shù)值模擬軟件建立xy二維數(shù)值模型,數(shù)值模型包含煤層底板24 m,煤層及頂板146 m范圍。長(zhǎng)度x為500 m,高度y為170 m。模型邊界條件:x方向兩側(cè)位移約束,y方向底面位移約束,y方向頂面施加8.75 MPa的垂直面力,模擬上覆350 m左右的巖層自重壓力。模型采用四邊形網(wǎng)絡(luò),共分為8層,煤巖物理力學(xué)參數(shù)如表1所示,其中從下向上第5層和第7層為關(guān)鍵層,如圖2所示。

表1 模型煤巖物理力學(xué)參數(shù)

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作面開采條件,不改變巖層層序,分別選取綜放面釆厚3.5 m、6 m、9 m、12 m、15 m、18 m進(jìn)行數(shù)值模擬,分析3~5號(hào)煤覆巖隨采厚變化的演化過(guò)程及側(cè)向應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律。

圖2 數(shù)值模型

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1 不同采厚覆巖結(jié)構(gòu)演化特征

工作面開采過(guò)程中不同采厚采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出不同的特征,圖3為采厚為3.5 m、6 m、9 m、12 m、15 m、18 m條件下采場(chǎng)覆巖的結(jié)構(gòu)特征。

圖3 不同采厚條件下覆巖結(jié)構(gòu)特征

由圖3可知,不同采厚條件下覆巖結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出不同的特征,在采厚小于6 m之前,低位關(guān)鍵層可以形成穩(wěn)定的鉸接結(jié)構(gòu),煤層回采影響對(duì)于關(guān)鍵層以上巖層影響有限,原因主要是在該采厚條件下,直接頂巖層能夠充滿采空區(qū);當(dāng)采厚增大到9 m時(shí),低位關(guān)鍵層出現(xiàn)了明顯裂隙,且端部出現(xiàn)了明顯的滑移現(xiàn)象,此時(shí)高位關(guān)鍵層受到影響,出現(xiàn)了裂隙變形;當(dāng)采厚增加至15 m時(shí),低位關(guān)鍵層已經(jīng)形成了明顯的懸臂梁結(jié)構(gòu),高位關(guān)鍵層形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu),控制著其以上的巖體,但是高位關(guān)鍵層以下巖體出現(xiàn)了明顯的滑動(dòng)現(xiàn)象??梢婋S著采厚的逐漸增加,煤層回采導(dǎo)致的影響逐漸向高位發(fā)展,低位關(guān)鍵層形成懸臂梁結(jié)構(gòu),高位關(guān)鍵層形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu),當(dāng)采厚增加到一定程度時(shí),煤層覆巖會(huì)出現(xiàn)整體的滑移現(xiàn)象。

3.2.2 不同采厚支承應(yīng)力演化特征

工作面開采過(guò)程中不同采厚采場(chǎng)支承應(yīng)力表現(xiàn)出不同的特征,圖4為采厚為3.5 m、6 m、9 m、12 m、15 m、18 m條件下采場(chǎng)支承壓力演化規(guī)律。

圖4 不同釆厚支承壓力演化規(guī)律

從圖4可以看出,隨著采厚增加,側(cè)向應(yīng)力峰值逐漸降低,峰值距煤壁距離逐漸增加,應(yīng)力影響范圍逐漸增加,應(yīng)力降低區(qū)范圍逐漸增加。采厚由3.5 m增加到18 m后,傾向支承壓力峰值分別為34.95 MPa、33.87 MPa、33.23 MPa、32.47 MPa、32.09 MPa、31.52 MPa;傾向支承壓力峰值距煤壁的距離分別為20 m、23 m、26 m、30 m、34 m、38 m;傾向支承壓力影響范圍分別距煤壁75 m、80 m、86 m、93 m、99 m、107 m。傾向支承壓力降低區(qū)分別為0~11 m、0~12 m、0~14 m、0~16 m、0~17 m、0~18 m。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,在開采特厚煤層時(shí),必須要加強(qiáng)工作面頂板管理,防止大面積切頂事故發(fā)生,日常要加強(qiáng)超前工作面107 m范圍內(nèi)巷道的檢查和維護(hù)。在回采巷道保護(hù)煤柱選擇時(shí),根據(jù)巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)的理論,巷道煤柱選擇不易超過(guò)18 m。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過(guò)理論分析建立了特厚煤層綜放開采覆巖結(jié)構(gòu)模型,分析了煤層回采過(guò)程中覆巖結(jié)構(gòu)特征,提出了“低位懸臂梁+高位砌體梁”的結(jié)構(gòu)特征,并在數(shù)值模擬過(guò)程中得到了驗(yàn)證。

2) 通過(guò)數(shù)值模擬研究,明確了采厚變化時(shí),覆巖結(jié)構(gòu)演化特征,當(dāng)采厚增加到9 m以后,覆巖會(huì)出現(xiàn)明顯的整體滑移現(xiàn)象。

3) 通過(guò)數(shù)值模擬研究,得出了隨著煤層采厚的增加,側(cè)向應(yīng)力峰值逐漸降低,峰值距煤壁距離逐漸增加,應(yīng)力影響范圍逐漸增加,應(yīng)力降低區(qū)范圍逐漸增加的應(yīng)力特征。

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