薄基岩浅埋深长壁工作面覆岩结构运动特征

任艳芳,刘 江,齐庆新,2,4

（1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京 100013;2.煤炭科学研究总院科技发展部,北京 100013;3.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013;4.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室 （煤炭科学研究总院）,北京 100013）

薄基岩浅埋深长壁工作面覆岩结构运动特征

任艳芳1,3,刘 江1,齐庆新1,2,4

（1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京 100013;2.煤炭科学研究总院科技发展部,北京 100013;3.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013;4.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室 （煤炭科学研究总院）,北京 100013）

利用离散元数值模拟软件,分析了典型浅埋深长壁工作面围岩力学场分布特征和覆岩运动规律,研究了浅埋深长壁工作面覆岩结构形式及运动特征。研究得出浅埋深长壁采场开采后,围岩应力场中可形成“承压拱”结构,该结构具有承载作用,并具有连续性、稳定性和动态性特点。

浅埋煤层;“承压拱”结构;数值模拟;运动特征

1 浅埋煤层顶板岩层控制研究概况

浅埋煤层是指具有埋藏浅、基岩层薄、地表覆盖松散层厚等典型特点的煤层。这一类煤层大多分布于我国西部地区,神东煤田就是典型的浅埋煤层[1]。神东煤田的开采实践表明,尽管浅埋煤层的矿井地质及开采技术条件都比较优越,但在采动影响后,工作面矿压显现剧烈,顶板岩层呈整体切落式垮落,上覆松散层紧附基岩沿煤壁切落,对工作面形成瞬间冲击载荷,常伴随溃水、溃沙等灾害,严重影响安全生产[2]。由于浅埋采场顶板岩层垮断运移的特殊性,原有普通长壁工作面顶板岩层控制经验和理论已不能很好地解释这种现象。

因此,针对浅埋深煤层覆岩活动的特殊性,研究浅埋深煤层长壁工作面覆岩结构形式及稳定性研究因素,解决浅埋煤层开采面临的生产技术及安全问题,具有重要的理论和现实意义。国内科研人员近几十年对于浅埋煤层开采理论的研究取得了诸多成果,黄庆享应用顶板结构理论进行了顶板控制的定量化分析,指出顶板台阶下沉是由单一关键层顶板破断失稳造成的,提出了浅埋煤层顶板来压的“短砌体梁”和“台阶岩梁”结构模型。侯忠杰把关键层理论应用于地表厚松散层浅埋煤层,提出了浅埋煤层中的组合关键层理论。李凤仪在对浅埋薄基岩煤层的覆岩结构及其力学特征进行研究的基础上,提出了工作面周期来压的 “承压砌块”模型,并对松散覆盖层进行了研究,提出了散体载荷层活动的动载荷效应。杨治林、涂敏等对浅埋煤层顶板结构理论研究都取得丰硕的成果。已有研究成果为真正掌握浅埋煤层开采顶板活动规律奠定了理论基础,而科研人员对于浅埋煤层顶板结构理论的研究从未停止过[3-12]。

应该看到,针对浅埋煤层开采条件而言,已有成果重点在于对浅埋煤层力学结构模型的研究,而对围岩应力场分布规律的研究不多。对于浅埋煤层开采条件尤其是浅埋煤层长壁开采条件,其围岩应力场是在浅埋煤层覆岩运动作用下形成的,具有与常规开采所不同的特殊规律,这已被大量的开采实践所证实。本文通过对神东煤田典型浅埋深长壁工作面围岩应力场分布特征为切入点,利用数值模拟手段研究分析了浅埋深长壁工作面顶板所成应力结构形式,并对浅埋深长壁工作面顶板应力结构特征进行了总结分析。

2 工程背景

伊泰集团纳林庙一矿 316-2上04工作面开采东胜煤田 6-2上煤层,煤层平均厚度 2.2m,工作面长度 180m;工作面埋藏深度约 80m;基岩平均厚度约 40m,松散层平均厚度 40m,为典型的浅埋煤层条件。工作面采用 ZY6800/14/32支架支护。工作面周期来压步距 9～18.6m,平均 14m。

3 覆岩运动数值模拟分析

3.1 顶板运动规律分析

利用 3DEC数值模拟分析软件,以伊泰公司纳林庙一矿 316-2上04工作面为工程背景,建立模型,分析顶板运动规律。工作面开采后顶板活动规律如图1。

图1 工作面上覆岩层运动过程

分析图 1可知,工作面推进至 60m时,顶板岩层全部破断。地表松散层在基岩层全部破断后,将发生同步下沉运动。随着工作面继续推进,地表松散层与基岩层的同步下沉运动基本呈现出规律性,但顶板岩层断裂位置滞后于回采工作面一定距离,对回采工作面造成的影响有限。

3.2 覆岩应力分布特征分析

工作面开采后上覆岩层中主应力分布规律如图2所示。

图2 不同推进阶段主应力分布

分析图 2可知,工作面在开切眼后,上覆岩层中破断的顶板岩层之间互相挤压,形成分别以切眼后方煤体和前方煤体为前、后支撑点的拱状应力承载结构,该拱状应力结构的上部顶板岩层依然保持稳定,说明这个应力结构具有承载上部岩层重量的作用。随着工作面不断推进,应力拱结构下部的顶板岩层依次逐渐发生离层、破坏,破坏的下部岩层又使上部岩层发生运动失稳,造成拱的高度和宽度不断发展。在达到临界充分采动时,应力拱结构在高度和宽度上都达到了最大临界值。此后,随着工作面的继续推进,拱结构在形态上将达到稳定,拱高和拱宽不再继续发展,而整个拱体结构将随着工作面回采不断前移。与此同时,在采空区冒落的矸石与煤壁前方煤体之间又会持续形成新的应力拱结构,并且将重复上述发展变化过程。该拱状应力结构具有的承载作用,可称之为“承压拱”结构。

3.3 “承压拱”结构特征分析

根据数值模拟分析结果可知,工作面在回采时,“承压拱”结构将经历失稳—平衡—再失稳的周期性变化。分析图 2可知,煤层开采后在上覆岩层中形成的“承压拱”结构既是抽象的,又是实际存在的。该结构的发展运动并非杂乱无章,而是有规律可循的。

对于浅埋深长壁工作面上覆岩层中的“承压拱”结构随工作面推进的运动特征总结如下:

（1）“承压拱”结构的形态特征 在充分采动前,上覆岩层中的“承压拱”结构在形态上是一对称的具有承载作用的应力拱结构,后拱脚基本不动,前拱脚随着工作面的推进不断前移,“承压拱”结构的高度和宽度不断发展。

在充分采动后,上覆岩层中的 “承压拱”结构在高度和宽度上达到临界值,拱结构将发生失稳破坏,而在采空区冒落的矸石与煤壁前方煤体之间形成新的“承压拱”结构。从形态上分析,此时的承压拱结构将是一非对称的具有承载作用的应力拱结构,应力拱的高度和宽度将不再随着开采的进行而加大,但整个拱体从形态上将表现为随着开采步距的加大不断前移的特征。

（2）“承压拱”结构的组合作用特征 随着工作面的推进距离不断加大,顶板岩层中将不断有“承压拱”失稳;同时在采空区冒落压实的矸石与煤壁前方煤体之间又不断有新的 “承压拱”结构形成。因此,同一时刻顶板岩层中会存在多个不同层位的“承压拱”结构。这些不同层位的 “承压拱”结构作用各不相同,分别承担不同层位的顶板岩层,多个“承压拱”的组合作用共同对工作面回采空间起到保护作用。与常规埋深煤层不同的是,浅埋煤层由于埋藏较浅,煤层充分采动后“承压拱”结构高度将发展至整个基岩层厚度,随着“承压拱”结构的失稳破坏,地表松散层会依附在基岩层上发生同步下沉,对工作面矿压显现产生影响。

因此,顶板岩层的运动实质就是不同层位“承压拱”结构的动态演化过程。

（3）“承压拱”结构的运动特征 顶板岩层中的“承压拱”结构发展变化具有连续性、稳定性和动态性特点。

连续性是指“承压拱”结构随着工作面的推进,在冒落压实的矸石与煤壁前方煤体之间连续不断的形成。

稳定性是指“承压拱”结构在达到充分采动之后,拱结构的高度和宽度不再发展,在结构形态上基本保持稳定。

动态性是指所形成的 “承压拱”结构在充分采动前随着工作面的推进,拱高、拱宽不断发展变化,充分采动后随着工作面的推进拱顶、拱宽不再发展,而拱体本身不断前移。

4 结论

利用数值模拟对神东煤田典型浅埋深长壁工作面围岩应力场分布特征进行研究,分析了浅埋深长壁工作面顶板所成力学结构形式,并对浅埋深长壁工作面顶板结构运动特征进行了总结,分析结果表明浅埋深长壁采场上覆岩层中可以形成“承压拱”结构,该结构具有承载作用,不同层位的 “承压拱”结构分别承担不同层位的岩层重量,共同对工作面回采空间起到保护作用。“承压拱”结构的发展变化具有连续性、稳定性和动态性特点。

[1]钱鸣高,石平五 .矿山压力与岩层控制 [M].徐州:中国矿业大学出版社,2003.

[2]黄庆享 .浅埋煤层长壁开采顶板结构及岩层控制研究 [M].徐州:中国矿业大学出版社,2000.

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[4]L.Holla,M.Buizen.Strata movement due to shallow longwallmining and the effect on ground per meability[J].Aus IMMBullefin and Proceedings,1990,295（1）:11-18.

[5]侯忠杰 .地表厚松散层浅埋煤层组合关键层的稳定 [J].煤炭学报,2000,25（2）:127-131.

[6]杨治林 .浅埋煤层长壁开采顶板岩层的不稳定性态 [J].煤炭学报,2008,33（12）:1341-1345.

[7]任艳芳 .浅埋煤层长壁开采覆岩结构特征研究 [D].北京:煤炭科学研究总院,2008.

[8]杨治林,余学义,郭何明,等 .浅埋煤层长壁开采顶板岩层灾害机理研究 [J].岩土工程学报,2007,29（12）.

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[10]李凤仪.浅埋煤层长壁开采矿压特点及其安全开采界限研究[D].阜新:辽宁工程技术大学,2007.

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[12]任艳芳,刘 江 .浅埋深长壁工作面覆岩结构及支架支护阻力研究 [J].煤矿开采,2010,15（5）:82-85.

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

国家科技支撑计划项目 （2008BAB36B01,2008BAB36B12）;国家重点基础研究发展计划 （973）项目 （2010CB226806）

任艳芳 （1981-）,男,山西太原人,助理工程师,在读博士研究生,主要从事矿山压力、岩层控制技术及采煤方法研究。

[责任编辑:邹正立 ]