大采高综采工作面上覆岩层运移规律研究

2020-07-15攸志刚

山西冶金 2020年3期

攸志刚

（山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟矿，山西兴县 033600）

煤炭资源存量位居世界前列，煤炭资源的消耗也是极为严重。随着开采年限的增加，一些易开采煤层已经开采完毕，为了继续为我国国民生活提供一定的保障，我国的煤层开采已经朝着难开采煤层进发。大采高煤层的开采一只是我国研究的热门话题，其主要呈现出如下特点：机采的高度增加，顶板的控制较为艰难，顶板发生压架的事故频繁。围岩受采动影响较大，围岩变形严重等。为了解决此类问题，谢福星[1]为了解决大采高工作面的回撤巷道顶板的变形等问题，通过数值模拟结合理论分析的研究方法对顶板的破断形式进行分析，推导出了支架的临阻公式，为大型综采设备的搬家作出指导。贺雁鹏[2]在弹性力学及岩石力学的基础上对浅埋煤层大采高顶板的破断角进行研究，根据现场的监测给出了大采高顶板的破断角与计算公式结果进行比对，验证了公式的可行性及可靠性。杨胜利[3]为了解决大采高采场的围岩变形大的问题，通过相似模拟及理论计算的方法对大采高采场的周期来压顶板的稳定性及动载进行分析，给出了顶板不同失稳下的冲击载荷的表达式，解释了动载产生的机理。张夏欢[4]通过FLAC-3D 数值软件对顶板的下沉，煤壁的变形，围岩的变形情况进行模拟，分析不同支护阻力支架的支护效果，得出了最合理的开采高度及合理的支架阻力，较好的控制了围岩的变形。本文对特厚煤层综采工作面的上覆岩层运移规律及支架与围岩的相互关系进行研究，为大采高煤层的安全开采作出了一定的贡献。

1 覆岩垮落理论计算

山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟矿（全文简称斜沟矿）的13 号煤层厚度约为15 m，选用大采高综放开采的方法进行开采，在进行8 号煤层的回采时，矿区由于煤层开采后覆岩的扰动较大的问题发生大面积的塌陷，所以对斜沟矿8 号及13 号煤层开采过程中覆岩的运动规律进行研究时十分必要的。

采空区的顶板岩层可以划分为垮落带、弯曲下沉带及裂隙带。随着工作面的推进，采空区的悬顶长度增加，载矿压的作用下，顶板会发生弯曲下沉，当弯曲达到极限时岩石发生断裂垮落。将岩层按照其厚度及岩性进行分层，其第i层的载荷可以表示为：

式中：（qn）i表示为第i层上覆岩层对其载荷；Ei到Ei+n为对应层的弹性模量；hi到hi+n为各对应层的厚度；γi到γi+n为对应层的容重。

斜沟矿8 号煤层顶板岩性从上至下依次为粗砂岩、粉砂岩、砂质泥岩等。冒落带的最大高度为：

式中：Hm为冒落带最大高度，m；α 为煤层的倾角，（°）；Kp为冒落带岩层碎胀系数；M为采高，m。根据查找可得出岩石的碎胀系数可以表示为表1。

表1 岩石的碎胀系数参考表

将8 号煤层的地质质料进行代入，8 号煤层厚度5.7 m，煤层的平均倾角为10°，由于其顶板的分布不均匀性，选定岩石的碎胀系数为1.2 和1.3。可得当岩石的碎胀系数为1.2 时，冒落带的最大高度为28.9 m，当岩石的碎胀系数选定为1.3 m 时，冒落带的最大高度为19.3。所以可以推出8 号煤层的冒落带最大高度在19.3~28.9 m 之间。斜沟矿13 号煤层顶板从上至下依次为砂岩、泥岩、啥质泥岩等。13 号煤层的平均厚度为15 m，煤层的平均倾角为10°，同样代入公式可以得出冒落带最大高度在50.1~75.1 m。在实际的生产中将裂隙带及冒落带的高度统称为导水裂隙带，导水裂缝带的高度可以表示为：

式中：Hli为导水裂缝带高度，m；M为采高，m。

所以根据两者做差可以得出煤层顶板的裂隙带。计算得出8 号及13 号煤层的裂隙带高度分别为57.7 m 及87.5 m。8 号煤层及13 号煤上覆岩层垮落及运移规律如图1 所示。

图1 煤层开采上覆岩层运移规律示意图

2 覆岩垮落数值模拟研究

本文为了对覆岩的跨落及裂隙发育进行研究，选用3DEC 数值软件对其进行模拟研究。在进行模拟计算前需要对其进行模型建立，长宽高分别选定为300 m、5 m 及395 m。根据实际斜沟矿的地质条件进行物理参数的设定，在模型的左右及前后分别设置水平方向的约束，在模型的下底段进行固定约束设置，避免模型产生滑动。由于煤层的顶板岩层完全建立所以无需再顶端施加固定载荷。根据实际情况对模型围岩进行施加，每下降1m 围压增加0.025MPa。斜沟矿的地层数值模型如图2 所示。

由图2 可知，模型中8 号煤层厚度为5 m，煤层顶部分别为15 m 的砂质泥岩，15 m 的泥岩，40 m 的中砂岩层构成煤层顶板的基本顶，在距离8 号煤层85 m 至125 m 的位置为顶板的副关键层，距离8 号煤305 m 至335 m 为主关键层，由于直接顶较厚所以开采时周期来压并不明显。为了监测在8 号煤层进行开采时岩层的下沉情况，本文在推进方向100 m、155 m 及210 m 的位置分别布置监测线，用于煤层顶板各岩层的变化情况。如图3 所示分别为三个测点处岩层的下沉曲线图。

图2 斜沟矿地层模型示意图

图3 8 号煤层开采时上覆岩层下沉曲线

由图3-1 可以看出，在100 m 的测点处煤层的下位直接顶在工作面仅推进30 m 的位置时就已经完全垮落，而相对于下位直接顶，上位直接顶在工作面推进20 m 的时候发生下沉，在工作面推进至110的位置时上位直接顶的下沉速度大幅度增加，当工作面推至120 m 时，此时的上位直接顶被彻底压实，此时的下沉量为2.58 m。8 号煤的基本顶在工作面推进40 m 时产生一定的下沉，当工作面推进至110 m时此时的下降速度明显加快，当工作面推进至130 m时，此时基本顶被压实，基本顶的下沉量达到2.1 m，在距离8 号煤层顶板85 m 处的下沉量达到1.37 m。模型的上部土层共下沉了0.66 m。

图3-2 为8 号煤层开采155 m 测点监测到的覆岩下沉曲线，此测点位于8 号煤采空区中部，根据图中所示可知，下位直接顶随着开采逐步下落，在工作面推进至20 m 的位置时下位直接顶完全垮落，上为直接顶在工作面推至20 m 时开始垮落，当工作面推进至55 m 至60 m 的位置时垮落速度加快，总的下沉量达到4.5 m。在距离煤层顶板150 m 以上的岩层下沉量较小。模型的上部土层共下沉了1.76 m，较100 m 时的测点增加了1.1 m。

图3-3 为8 号煤层开采210 m 测点监测到的覆岩下沉曲线，在距离8 号煤层顶板15 m 的位置下沉量较大，随着工作面的推进在距离工作面30 m 的位置时下沉量达到最大值4.76 m，在距离8 号煤层顶板30 m 以上的岩层随着工作面推进都缓慢增加。此测点的岩层累积下沉量与100 m 测点岩层的下沉相差较小，俩侧点距离煤壁均为30 m，但相较100 m 测点的下沉速度有了一定的增加，这是因为100 m 测点的位置处于基本顶及各岩层初次来压之前，而相应的210 m 测点处于其之后，所以步距较小。