深部大采高综放开采覆岩运动规律研究

于克梁+张贵银+于涛

摘  要：龙堌煤矿1301工作面为深井大采高综放工作面，为了分析大采高条件下综放开采煤壁裂隙的发育特征，应用UDEC软件研究了在深井复杂条件下，采场应力随着工作面推进的分布特征和顶煤塑性破坏规律的影响，确定了1302工作面基本顶来压时，超前支承压力峰值点位置至煤壁距离由来压前的8.5 m变为12.2 m（初次来压），周期来压步距为23 m。

关键词：复杂深井;大采高综放;覆岩运动;数值模拟

中图分类号：TD323               文献标识码：A               DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.14.007

由国内外现有深井复杂条件下厚煤层开采覆岩运动规律的研究状况可知，目前，深井综放开采中存在一个明显的不足，即在深井复杂地质条件下，覆岩运动规律研究与采煤工艺研究相分离，造成了设计环节与生产实际情况相脱节，给安全、高效生产带来了一定的困难。综放开采作为一种特殊的开采方法，其开采工艺有别于其他采煤工艺，所以，在顶煤破碎规律、工艺等方面存在很大的差异，而深井复杂条件下的矿山压力与顶煤破碎之间的关系也需要作进一步的研究。鉴于此，针对龙固煤矿的实际开采情况和地质条件，利用UDEC模拟，分析了大采高条件下矿山压力分布和煤矸放落的规律，确定了放煤步距、放煤方式等放煤工艺参数。

1  工程概况

龙堌煤矿区属黄河冲积平原，地形平坦，地面平均标高为+43.26 m，主要开采煤层为3煤，煤层厚度为5.66～11.36 m，平均8.82 m，倾角为2°～5°，平均埋深850 m。1301工作面内3煤层顶底板情况如表1所示。

表1  3煤顶、底板特征

顶、底板

岩石名称

厚度/m

特征

基本顶

粉砂岩互层

12.42

灰绿色，深灰色水平层理，有黄铁矿薄膜和植物化石

直接顶

粉砂岩

2.35

深灰色，内有大量植物化石碎屑，层面见有黄铁矿薄膜

直接底

粉砂岩

0.8

灰黑色，夹有细砂夺，硬度较大，内有万解石

基本底

细砂岩

2.1

灰白绿色，夹有粉砂岩薄层，有万解石薄膜和黄铁矿晶体

2  深井综放采场围岩破坏运动规律研究

综采放顶煤开采顶煤经过破碎和放出2个过程，顶煤破碎是支架与顶板压力共同作用的结果，是放顶煤开采的关键。采用UDEC数值模拟，分析了不同采高条件下顶板覆岩应力分布规律和顶煤破坏特征，并确定了上覆岩层的破坏运动规律。

数值模拟模型的相关参数为：煤层厚度8.8 m，在综放开采条件下，采3 m，放5 m。在模拟过程中，按水平煤层处理，模拟采深为800 m，模拟采用的煤岩体物理力学参数如表2所示。

表2  计算采用的煤岩体物理力学参数

放顶煤采场压力拱的形成

分步开挖中的岩体应力矢量如图1所示。

图1  分步开挖中的岩体应力矢量

由图1可知，采空区两侧煤壁受力比较大，而采空区上部覆岩受力比较小。应力曲线是将采场上部方向一致的应力矢量平滑连接起来形成的，覆岩应力曲线的特点是：应力曲线起于采空区后部煤壁，终止于煤壁前方，拱脚压力比较大，拱顶处应力最高，即从拱顶到拱脚，轴向力逐渐递增，体现出了应力拱的受力特性。由应力曲线的梯度可知，上方的应力拱承载应力大于下方应力拱（σM3>σM2>σM1），并且应力承载点位于煤壁前方煤体上。

此外，在工作面煤壁和采空区切眼处，煤体前方出现局部的超前支承压力集中现象，顶煤在此超前应力作用下预先变形破坏，并最终通过支架放落下来。研究不同采高条件下的支承压力分布规律，可以确定特定采厚条件下的工作面采高。

至此，开采导致的采场上覆岩层运动结构已经形成，在应力曲线M1拱梁线下，为垮落岩层，位于应力曲线M2、M3形成的压力拱之间为梁式平衡拱结构。

2.2  梁式平衡拱下的顶板覆岩运动特征

2.2.1  直接顶垮落特征

在梁式平衡结构下，垮落带一般能够随采随冒，在水平方向没有力的传递，而导水裂缝带则处于铰接平衡状态。在煤壁前方，直接顶已经开始变形破坏，并且其垮落由上及下逐渐减小，直至全部垮落，跨落后散乱堆积在采空区内，如图2所示。

图2  直接顶垮落时压力拱形态

2.2.2  基本顶运动特征

随着工作面推进距离的增加，上覆岩层经历弯曲、下沉、离层和失稳4个状态，至基本顶应力重新分布平衡、稳定。基本顶初次来压时（来压步距32.8 m），基本顶第一分层在采空区中心触矸，但是，两端处于铰接状态，仍能传递水平方向的力，同时，上分层岩体出现离层。离层后，基本顶处于半岩梁状态，使基本顶初次来压对支架上的载荷变小，如图3所示。煤壁前方超前支撑压力分布规律如图4所示。

图3  基本顶初次来压垮落运动形态

图4  基本顶初次来压超前支承压力分布曲线

由图4可知，超前支承压力峰值在基本顶初次来压时会向煤壁前方推移约3.5 m，由超前煤壁8.5 m变为12.2 m，并且压力峰值也会随着超前支撑压力的推移而增大至40 MPa。这是因为煤壁支架控顶区内顶板向下回转，煤壁破碎，煤体—围岩体系自承能力下降，导致超前支撑压力峰值增加且向前方推移。

但是，基本顶初次来压触矸在采空区处于铰接状态，各分层岩体能够传递水平方向的力，形成传递岩梁，并且从基本顶触矸点到控顶区前半岩梁可以形成稳定的梁式平衡拱结构，所以，基本顶初次周期来压作用在支架的动载小于平衡拱内上覆岩层的重量。由于顶板回弹，支架受力会进一步减小，周期来压步距变为23 m，周期来压时的垮落形态如图5所示。

图5  周期来压时的垮落形态

由图5可知，基本顶周期垮落的典型特征为：由于基本顶下分层岩体周期失稳垮落，导致其上位岩层弯曲、下沉、离层，甚至失稳垮落。

3  结束语

通过对深部大采高综放开采直接顶、基本顶运动规律的数值模拟研究可知，直接顶随采随冒，在水平方向没有力的传递，而顶煤相当于直接顶，所以，顶煤在直接与基本顶矿山压力的共同作用下易破碎垮落，为放顶煤开采提供了理论依据。

确定3煤层周期来压步距为23 m，并且超前支承压力峰值前移至12.2 m，峰值压力为40 MPa，因此，需要加强回采巷道的超前加固和工作面支架阻力监测。

参考文献

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〔编辑：白洁〕

Study on the Law of Overlying Strata Movement in Deep

Mining and High Comprehensive Caving Mining

Yu Keliang， Zhang Guiyin， Yu Tao

Abstract： 1301 working face in Longgu Coal Mine deep well mining height fully mechanized face with caving working face， in order to analyze large mining high under the condition of fully mechanized top coal caving characteristics of the development of the coal wall fracture， using UDEC software was studied in complicated deep well conditions， stope stress with the effect of elastoplastic failure law of working face advancing distribution characteristics of top coal， determined the 1302 face basic top pressing ahead for 12.2 meters （initial pressure variable pressure of abutment pressure peak position to coal wall distance origin of 8.5 meters）， the periodic weighting step distance is 23 meters.

Key words： complex deep well; high comprehensive coal mining; overlying rock movement; numerical simulation