倾斜薄煤层开采工作面覆岩活动的规律

秦　涛,冯俊杰

(1.黑龙江科技大学 黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室,哈尔滨 150022;2.黑龙江省龙煤矿业控股集团有限责任公司 七台河分公司,黑龙江 七台河 154600)



倾斜薄煤层开采工作面覆岩活动的规律

秦涛1,冯俊杰2

(1.黑龙江科技大学 黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室,哈尔滨 150022;2.黑龙江省龙煤矿业控股集团有限责任公司 七台河分公司,黑龙江 七台河 154600)

为解决倾斜薄煤层顶板控制技术难题,以东风煤矿倾斜薄煤层开采为背景,运用RFPA2D软件,建立数值模型,分析不同倾角下薄煤层工作面覆岩活动规律及顶板失稳特征。结果表明:倾斜薄煤层开采后,直接顶从采空区中部偏上向采空区弯曲,最后发生断裂破坏形成冒落带,顶板冒落沿层面向下滑动,冒落呈不对称形状;倾斜薄煤层工作面煤体上段顶板压力最大,下段次之,中段最小;随着煤层倾角的增大,顶板沿煤层倾斜方向的分力增大,垂直作用在支架上的分力减小,导致工作面推进方向的工作面矿压显现逐渐变缓,顶板下沉量也将变小。该研究为类似地质条件的倾斜薄煤层工作面顶板控制提供了理论依据。

倾斜薄煤层;矿压显现;数值模拟

煤层覆岩活动规律对采煤工作面支护设计的影响,取决于上覆岩层“三带”发育特征及裂隙带老顶的稳定性。倾斜薄煤层开采地质赋存条件复杂、机械化开采难度大,工作面覆岩活动规律具有特殊性[1-4]。缓倾斜薄煤层采高小,直接顶垮落后填满采空区,老顶位于弯曲下沉带范围内,矿压显现较小[5-8]。然而当直接顶较薄时,老顶的破断失稳威胁工作面安全生产。对于倾斜薄煤层而言,直接顶沿倾向方向的移动影响采煤工作面支架、围岩的稳定性[9-12]。倾斜薄煤层开采能力小,产量所占煤矿产量的比例不大。通过工作面覆岩活动规律的研究确定合理的工作面支护参数,提高倾斜薄煤层开采的技术水平和生产效率,可以解决倾斜薄煤层开采的技术难题。

目前,国内外关于倾斜薄煤层覆岩活动规律的研究尚少。黑龙江省七台河矿区以薄煤层开采为主,且大多数煤层为倾斜、急倾斜煤层。为解决七台河矿区倾斜薄煤层的顶板控制技术难题,以东风煤矿倾斜薄煤层开采为背景,通过数值模拟和理论分析相结合的方法,分析不同倾角下薄煤层工作面覆岩活动规律及顶板失稳特征,为类似地质条件下倾斜薄煤层采煤工作面顶板控制提供了理论依据。

1　数值模型

RFPA2D(Rock fracture analysis)软件基于有限元理论和统计损伤理论,将材料性质非均性、缺陷分布随机性的统计分布假设结合到数值计算方法中,对满足强度准则的单元进行破坏处理,实现非均匀性材料破坏过程的数值计算。软件中设定松散系数,可实现冒落岩体碎胀模拟再现,使岩层移动的模拟更符合实际。基于上述优点,文中以东风煤矿72#煤层为工程背景,选用RFPA2D软件模拟倾斜薄煤层工作面覆岩活动规律。

东风煤矿72#煤层,倾角20°～45°,煤厚0.8～1.2 m,平均厚度1.0 m;72#煤层的43002工作面煤层埋深595～634 m,工作面长140 m,煤层倾角平均为24°。岩层的力学性质见表1。模型见图1,其上边界为均布载荷,左右水平位移为0,下边界固支。

2　结果与分析

2.1工作面覆岩活动规律

2.1.1工作面沿走向覆岩活动规律

采用多分层顶板回采模型,岩层力学性质服从韦伯分布,采用修正的莫尔-库仑准则作为单元破坏的准则,模型的高宽之比为2∶3,其尺寸为100 m×150 m,采用载荷加载方式模拟上部荷载,加载量为11.8 MPa,工作面推进步距为4 m,分10步开挖。

表1　岩块基本参数

图1　数值计算模型

根据图1所示模型,模拟开挖时直接顶与基本顶的破坏情况。随工作面推进的顶板应力分布状态如图2所示,灰度值表示岩石受力状态,灰度值小的区域为岩石剪应力集中区域,灰度值大的区域为岩石拉应力集中区域。

图2a～2c显示了基本顶初次来压过程。随工作面推进,直接顶在重力作用下发生下沉,处于工作面后方一侧先接触矸石,随之另一侧在自重应力和上覆岩层作用下垮落;随着采空区范围的增大和直接顶垮落,基本顶失稳,悬露面积扩大;工作面推进到36 m时,推进长度达到老顶岩梁的极限跨度,发生切断性垮落,即形成基本顶的初次来压。

由图2可知,随工作面推进,岩梁悬露跨度增大,弯曲下沉逐渐明显,当下沉值超过“假塑性岩梁”最大允许值时,岩梁从中部发生垮落(图2c)。

图2　随工作面推进顶板垮落状况

工作面上覆岩层充分采动后的破坏情况如图3所示。由图3可知,上覆岩层充分运动后,直接顶岩层垮落厚度为5～6 m;同时,由于直接顶岩层节理裂隙的存在,其最大跨落分层厚度为1.5～2.0 m。通常情况下,垮落带高度为煤层采高的3～5倍,说明模拟结果与实际情况吻合。在工作面支护设计中,只有明确垮落带的运动情况及垮落高度才能有效控制矿山压力,模拟结果可供工作面支护设计参考。

图3　采场上覆岩层充分采动后的破坏情形

2.1.2工作面沿倾向覆岩活动规律

根据图1所建立模型,模拟工作面沿倾向直接顶与基本顶的破坏情况,结果见图4。由于采高较小,煤层倾角不大,直接顶垮落后基本充填满采空区,上部垮落矸石不易下滑。由于煤层倾角的存在,裂隙带范围呈不对称拱形,顶板上部岩层以弯曲拱的形式向下滑动。

图4　工作面沿倾向顶板垮落状况

2.2煤层倾角对覆岩活动规律的影响

2.2.1不同倾角下工作面沿走向覆岩活动规律

模拟煤层倾角为20°、25°、35°、45°条件下,工作面推进过程中基本顶初次跨落情况及初次来压时顶板压力情况,结果分别如图5、6所示，其中，p为顶板压力，l为距煤壁距离。

由图5可知,煤层倾角从20°增加到45°,沿倾斜方向分力增大,垂直作用在支架上的分力减小,工作面推进方向的矿压显现变缓,工作面老顶初次来压步距依次变大,分别为34、36、44、50 m。

由图6可知,煤层倾角从20°增加到45°,老顶初次来压强度(p)分别为28.5、25.1、17.9、16.2 MPa,强度依次减弱。顶板切向峰值出现在煤壁后方3 m左右,强度随煤层倾角增大而递减。

2.2.2不同倾角下工作面沿倾向覆岩活动规律

不同倾角下工作面沿倾向覆岩活动模拟结果见图7。

图5　不同倾角下工作面基本顶初次跨落状况

图6　不同倾角下工作面顶板初次跨落时顶板压力分布

图7　不同倾角下工作面沿倾向覆岩活动情况

煤层倾角变化对顶板跨落的影响表现为,顶板岩石塑性变形区域随倾角增大向工作面上方移动,上部顶板岩层运动程度随倾角增大而剧烈,顶板岩层向下滑移的倾向随倾角增大也增大。顶板垮落的矸石沿煤层底板下滑,充填中、下段采空区,工作面煤体上段顶板压力最大,下段次之,中段最小。因此,工作面顶板控制设计应按工作面上部条件考虑,同时,注意支柱的倾倒问题。

3　结　论

(1)东风煤矿倾斜薄煤层开采后,直接顶从采空区中部偏上向采空区弯曲,最后发生断裂破坏形成冒落带,顶板冒落沿层面向下滑动,冒落呈不对称形状。

(2)工作面煤体上段顶板压力最大,下段次之,中段最小。这是由于煤层倾角增大、垮落的矸石沿煤层底板下滑充填中、下段采空区所致。

(3)随着煤层倾角的增大,顶板沿煤层倾斜方向的分力增大,垂直作用在支架上的分力减小,导致工作面推进方向的矿压显现逐渐变缓,顶板下沉量也随之变小。

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(编辑荀海鑫)

Study on strata behaviours at face of gradient and inclined thin coal seam

QIN Tao1,FENG Junjie2

(1.Heilongjiang Ground Pressure &Gas Control in Deep Mining Key Lab,Heilongjiang University of Science &Technology, Harbin 150022,China;2.Qitaihe Branch,Heilongjiang Longmay Mining Holding Group Co.Ltd.,Qitaihe 154600,China)

This paper is motivated by the solution to roof control on the inclined thin coal seam.The solution is developed by investigating activity rule behind working surface rock and roof buckling characteristic,based on what occurs in inclined thin coal seam of Dongfeng mine and establishing numerical model using RFPA2Dsoft.The results show that the mining operation of inclined thin coal seam is followed by the occurrence of the direct roof curving from the middle and upper area to worked out section,and the consequent development of the caving zone due to the failure—caving zone of asymmetrical shape falling along the roof； inclined thin coal seam is subjected to the varying roof pressure from upper-the biggest one,through lower zone to central section—minimum one;the increased dip angle of coal seam results in the increasing roof stress,with consequent reduction in the vertical force on the support,thus decreasing strata behaviors and the deflection along advancing direction in working face.The study may provide a theoretical basis for roof control on other similar inclined thin coal seam.

inclined thin coal seam;strata behaviors;numerical simulation

2015-03-03

国家自然科学基金项目(51474099；51374097);黑龙江省普通高校采矿工程重点实验室开放课题(2013-KF06)

秦涛(1983-),男,黑龙江省汤原人,讲师,博士研究生,研究方向:采煤方法与围岩控制,E-mail:19140270@qq.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.02.001

TD324.2

2095-7262(2015)02-0119-05

A