李村煤矿大采高采场覆岩运动规律数值模拟研究

2019-12-12申海生

煤 2019年12期

申海生

(潞安集团李村煤矿，山西长治 046600)

大采高综采技术已在我国多个矿区广泛使用，并取得一定的成功。但在应用过程中，因支架工作阻力不足导致支架压死或构件损坏、采高增加导致支架稳定性差、煤壁片帮引发端头冒顶等事故仍时有发生[1-3]。而这些问题的发生除与特殊地质构造有关外，其根本上是由于未掌握上覆岩层结构及顶板运动规律所导致[4-6]。因此本文以李村煤矿1301工作面为背景，采用UDEC数值模拟软件分析大采高综采工作面顶板运动规律及塑性区分布规律，得出大采高综采工作面顶板在不同推进步距时的断裂、离层、垮落特征以及支承压力和塑性区的分布、演化特征，为大采高综采工作面的安全、高效生产提供有力依据。

1 工程概况

1301工作面埋藏深度+597～+561m，工作面北部为采区大巷，南部为XL5陷落柱，西部为未采区域，东部为南部采区大巷。工作面可采长度441 m，切眼长240 m，可采面积105 840 m2。煤层倾角0～6°，平均3°，煤层厚度为4～4.4 m，平均厚度为4.2 m。

工作面开采煤层属下二叠统山西组下部的3号煤层，该煤层赋存稳定，煤厚变异较小，结构较简单。煤体以黑色、块状为主，粒状次之，亮煤为主，夹镜煤条带，煤质为贫煤。

该工作面三维地震揭露的断层等地质构造比较复杂，伴生构造仍然存在，特别受掘进过程中揭露地质构造(断层、陷落柱、节理、裂隙等)影响，接近这些地质构造时，工作面回采前方可能存在隐伏性陷落柱、断层、节理、裂隙、牵引褶曲、煤层产状急剧变化、煤系地层沉积形成的锅底构造，工作面淋水增大等异常现象，回采期间煤层顶板及煤壁压力大，裂隙发育处顶板易破碎、塌顶，煤质软硬发育不均，容易片帮。1301工作面垂直地应力为13.47 MPa，最大水平主应力为15 MPa，方向N20°W。工作面巷道布置如图1，煤层顶底板岩性如图2。

图1 1301工作面巷道布置

图2 煤层顶底板岩性综合柱状

2 数值模型的建立

基于1301大采高综采工作面的技术条件及地质条件，采用离散元数值模拟软件UDEC建立数值模型，模型采用的煤岩层节理力学参数和煤岩层块体力学参数如表1和表2。模型上边界为自由边界条件，上覆岩层的自重以应力的形式施加到模型的上边界，应力大小为14.50 MPa；模型的左右边界施加水平约束条件，即边界水平方向位移为0，速度为0；模型的下边界为固定边界。

表1 1301大采高综采工作面煤岩层节理力学参数

表2 1301大采高综采工作面煤岩层块体力学参数

3 顶板运动规律模拟研究

本次模拟是1301工作面依次推进11 m、36 m、81 m时，工作面顶板运动规律，具体模拟结果如图3。由图3可以看出：当工作面向前推进至11 m左右时，采空区上方的泥岩及砂质泥岩开始弯曲下沉，与细粒砂岩之间出现离层，进而开始断裂，之后在支架后方开始垮落，形成大量不规则岩体充填采空区。当工作面向前推进至36 m左右时，泥岩及砂质泥岩的垮落已经完成，但其垮落形成的矸石不足以充填采空区。同时，细粒砂岩与基本顶之间出现离层，进而开始垮落，覆盖于下方破碎的矸石之上，以此来充填采空区。与此同时，基本顶开始缓慢断裂、下沉，逐步压实与细粒砂岩之间的离层，基本顶由于下沉与上覆岩层之间出现新的离层。当工作面向前推进至81 m左右时，采空区上方直接顶的垮落已经结束，基本顶缓慢断裂、下沉，上覆岩层由于重力的作用弯曲下沉，组合岩梁周期性断裂，下沉至细粒砂岩之上，逐步压实与细粒砂岩之间的离层，基本顶由于下沉作用，将压力向下传递至工作面支架，造成了基本顶的周期性来压。

图3 1301工作面不同推进阶段顶板运动规律

4 支承压力分布规律研究

1301工作面依次推进 11 m、36 m、81 m时，在工作面推进方向上支承压力的分布规律如图4所示。从图4可以看出：当工作面推进到11 m 左右时，采空区上方直接顶处为应力最小，因为此时该处下位直接顶处于缓慢下沉状态，并未直接受到上覆岩层一次向下传递的应力；然后，以此处为中心，应力向外侧依次增大；在煤壁前方一定范围内，有应力增高处，这是因为上覆岩层在此处有应力集中，而且这种应力集中前后基本呈对称分布，再向外应力分布基本稳定；随着工作面不断推进，应力集中区逐渐向前推进，且应力集中程度有所提高，如图4(b)所示；当工作面推进至81 m时，采空区上方岩层基本下沉稳定，在该区域应力场出现支承应力降低区，工作面前方及后方围岩中仍出现应力升高区。