倾斜煤层采场矿压显现规律研究

2014-03-16李全军

淮南职业技术学院学报 2014年2期

李全军

（安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南232001）

对于倾斜煤层的开采，覆岩的结构随着煤层倾角的变化将与一般近水平煤层开采的情况有很大的不同。由于岩体的破坏和运动等力学行为不能再看成是连续介质的行为，所以本文将利用离散元模拟软件UDEC对大倾角煤层工作面开采覆岩的结构进行模拟和分析，从中总结不同倾角煤层开采覆岩结构的规律，并进行了现场监测。

1 工程概况

山西吕梁矿区某矿1025工作面，主采煤层为5＃煤，煤层埋深500m左右。1025工作面长度160m，煤层倾角18°～26°，平均22°，工作面煤层节理发育，煤层结构复杂，煤层厚度变化不大，属较稳定煤层，工作面顶底板情况见表1。

表1 煤层顶底板特征

2 大倾角厚煤层采场覆岩结构运动数值计算模型

2.1 数值计算模型的建立

为便于比较研究不同煤层倾角下采动后顶底板岩层的运动，建立倾角为22°的数值计算模型，模拟分析工作面推进40m、80m、120m及160m时，上覆岩层的垮落情况。根据该工作面综合柱状图信息，对岩层分层参数作了合并均匀化处理（煤岩层参数见表2），建立了与实际情况基本吻合的UDEC数值计算模型，煤层埋深为500m，煤层厚6m，数值模拟原型如图1所示。

图1 工作面数值计算模型图

表2 数值计算参数

2.2 数值模拟计算结果分析

工作面推进40m、80m、120m及160m时上覆岩层的垮落情况如图2所示，其中图（a）、（b）、（c）、（d）中右图为左图工作面附近的放大图。

图2 工作面推进时覆岩结构与运动

由图2可知：当工作面推进40m时，在靠近采场两侧煤壁发生岩层切落，说明此时工作面老顶初次来压已来临；冒落带最大高度位于采场中部覆岩层中，约2.0m左右；裂隙带高度约6.5m，并在采场中部覆岩层中出现离层；弯曲下沉带的范围较小，且弯曲下沉的位移也较小。

当工作面推进80m时，采场下端切落角度较大，另一侧切落角度较小；冒落带最大高度位于采场中部靠下的覆岩中，约10.9m左右；裂隙带高度约21.9m；在工作面两侧煤壁覆岩中，离层发育较多；弯曲下沉带的范围略有扩大，下沉位移值有小幅上升。

当工作面推进120m时，采场下端切落角度较大且切落现象明显，另一侧切落角度较小；冒落带高度只有小幅上升，约15m；裂隙带高度扩展到约38.5m；离层多发育于采场两侧煤壁上方的覆岩中，且靠近工作面下端一边覆岩中离层较多；弯曲下沉带的范围急剧增大。

当工作面推进160m时，采场下端切落范围进一步增加；冒落带高度保持在15m不变，裂隙带高度约63.9m，离层多发育于采场两侧煤壁上方的覆岩中，且靠近工作面下端一边覆岩中离层较多；弯曲下沉带的范围进一步扩大，但下沉量增幅较小。

3 工作面矿压显现的现场观测

3.1 工作面矿压测点布置

工作面未回采之前，就布置了矿压观测站，工作面共布置了7个矿压观测站，观测仪器采用尤洛卡公司生产的KBJ－60型矿压观测仪监测工作面推进时支架的工作阻力变化情况，测站布置如图3所示。

图3 工作面矿压观测测站布置图

3.2 测试结果分析

3.2.1 工作面来压步距

根据工作面矿压监测结果，将工作面初次来压步距和周期来压步距进行统计并生成见表3。

表3 各个测站部位顶板的周期来压步距

由表3可知：工作面初次来压步距平均为35.4m，工作面中部最先来压，其次是工作面中上部，工作面中下部最后来压，对应于数值模拟计算结果；工作面下部初次来压步距大于工作面上部来压步距；周期来压步距分析如下：

工作面下部：顶板周压步距14.5～18.1 m，离散性较小，平均周期来压步距为16.5 m；工作面中下部：顶板周压步距13.5～17.8 m，离散性中等，平均周期来压步距为15.8 m；工作面中部：顶板周压步距13.9～17.9m，离散性较小，平均周期来压步距为15.5m；工作面上部：顶板周期来压13.9～17.9m，离散性较小，平均周期来压步距为15.4m；各部位老顶周期来压步距15～16.5m，平均15.7m。总体而言，周期来压步距波动不大。

3.2.2 来压动载系数

根据支架工作阻力监测结果，对工作面各部位支架的来压动载系数进行统计并生成见表4。

表4 各部位支架实测顶板来压时动载系数

由表4可知：就老顶周期来压前后支架的工作末阻力增加而言，来压前支架的平均工作阻力为4 730kN，来压时工作阻力为7 085kN，平均动载系数为1.50，属周期来压较明显的综采工作面；工作面上部、中部和下部来压动载系数1.39～1.64，动载均匀；来压前，各部位的静荷载3 051～5 769kN，来压时支架动荷载6 295～7 495kN，来压前后支架工作阻力分布比较均匀。