缓倾斜煤层综采工作面覆岩运动规律及矿压特征分析_崔慧斌.pdf

煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 0引言 随着我国煤矿开采技术的逐渐发展， 众多学者为 研究缓倾斜煤层煤岩体的受力情况及上覆岩层的运 动情况， 通过岩石力学弹塑性理论， 通过观察煤岩体 受力过程中的应力应变情况， 分析上覆岩层的运动 规律， 并在具体工程实践中得到验证[1]。如贾喜荣教 授[2-3]认为岩层在受压时， 软弱岩层会首先出现变形移 动， 并提出了煤岩体的 “薄板矿压理论” ， 认为软弱岩 层是导致覆岩产生变形破坏的主要原因； 高云峰[4]运 用数值模拟软件对枣泉煤业的缓倾斜煤层的围岩变 形情况进行分析， 得出锚索网等联合支护形式下巷道 会出现非对称变形的情况， 同时联合支能够有效的将 破碎岩体与稳定岩体连接起来， 形成 “压缩拱” 结构， 并通过现场矿压观测得到验证； 代沛[5]通过具体工程 背景运用 FLAC3D数值模拟软件分析结合现场矿压实 测等综合的研究方法， 将缓倾斜中厚煤层回采过程中 采动应力场进行时空划分， 并得出上覆岩层的运动规 律。本文主要对李雅庄煤矿 2- 611 综采工作面上覆 岩层的运动规律进行分析，通过建立数值模拟模型， 得出工作面的初次来压及周期来压步距， 来压时的特 征， 并通过矿压观测得到验证。 1工程概况 霍州煤电李雅庄煤矿 2- 611 工作面走向长度为 1285m， 倾斜长度为 205m， 主采 2煤层， 煤层厚度为 2.85～3.70m， 均厚 3.27m， 煤层倾角为 5～12， 平均 倾角为 7， 属于缓倾斜煤层。 工作面位于 355 水平， 基岩厚度为 583m， 煤层为复杂结构煤层， 一般含 1 层 夹矸， 夹矸以泥岩或炭质泥岩为主。煤层直接顶为细 粉砂岩， 均厚 2.77m， 基本顶为中砂岩， 均厚为 6.85m， 直接底为粉砂岩， 均厚为 1.69m， 老底为泥岩， 均厚为 3.54m， 煤层顶底板基本为软弱岩层， 工作面采用综采 采煤方法， 全部垮落法管理顶板。 2工作面上覆岩层运动规律分析 2.1数值模拟模型建立 根据 2煤层顶底板岩性及赋存条件，通过 UDEC 数值模拟软件建立 2煤层顶底板力学模型， 模型长 200m， 高 78m， 设计开挖高度为 2m， 模型的左 缓倾斜煤层综采工作面覆岩运动规律及矿压特征分析 崔 慧 斌 （霍州煤电集团有限责任公司团柏煤矿 ，山西 霍州 031414 ） 摘要 为了解李雅庄煤矿 2- 611 综采工作面上覆岩层的运动规律，从而实现采取更有效措施控制 围岩变形，利用 UDEC 数值模拟软件对 2- 611 工作面回采时上覆岩层的运动情况进行模拟分析， 模 拟结果与矿压监测所得的结果基本一致。结果表明工作面初次来压步距为 15m，周期来压步距为 10m， 由于上覆岩层松软，“短砌体梁” 滑落失稳致使周期来压强度高， 来压步距短。 关键词 缓倾斜煤层 ； 上覆岩层 ； 矿压监测 ； 数值模拟 中图分类号 TD322； TD353文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2019 ） 05- 0081- 03 Analysis of overburden movement law and ore pressure characteristics of the fully mechanized mining face of gentle inclined coal seam Cui Huibin （Huozhou coal and Power Corporation RefcoGroup Ltd Tubocoal mine , Huozhou 031414 ， China ） AbstractIn order to understand the movement lawof overburden strata on the 2- 611 comprehensive mining face of liyazhuang coal mine, and to control surrounding rock deation by more effective measures, the movement of overburden strata during mining in the 2- 611 working face is simulated and analyzed with UDEC numerical simulation software, and the simulation results are basically consistent with the results obtained from mine pressure monitoring. The results showthat the first pressure step distance of working face is 15m, and the periodic pressure step distance is 10m. As the overburden layer is soft, the “short masonry beam“ slips and loses stability, resulting in high pressure strength and short pressure step distance. Key wordsGentle dip seam； overburden ； Mine pressure monitoring； numerical modeling 81 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 右边界条件为均为固支，根据 2- 611 工作面地质资 料， 模拟使用的煤 （岩 ） 体物理力学参数见表 1。 表 12煤层顶底板岩层物理力学参数 模型建立完后， 工作面开切眼的位置距离模型左 侧边界的距离为 45m， 模拟过程共推进 85m， 每次推 进距离为 5m，分别对工作面推进 15m、 25m、 35m、 45m时分别进行出图具体分析上覆岩层的运动情况。 （a ） 工作面推进 15m（b）工作面推进 25m （c ） 工作面推进 35m（d） 工作面推进 45m 图 12- 611 工作面回采过程中覆岩运动情况 根据图 1（a ） 能够得出，在 2- 611 工作面推进 15m 后， 直接顶与基本顶均已经全部垮落， 且岩层破 断后已经对基本顶以上的岩层产生影响， 导致其弯曲 变形， 在直接顶全部垮落后， 破碎岩体充填采空区， 基 本顶在中部发生切落， 且基本顶岩层在破断同时会相 互挤压， 形成砌体梁咬合结构， 此时基本顶上覆岩层 会弯曲向下变形， 此时为工作面的初次来压； 从图 1 b中能够看出， 当工作面推进 25m 时， 基本顶及其上 覆岩层会出现类似与图 1 （a ） 所示的断裂变形情况， 裂隙在基本顶上覆岩层逐渐延伸，顶板悬露距离较 短， 则形成的短砌体梁结构出现滑落失稳， 基本顶与 直接顶一起充填采空区， 上覆岩层至地表出现弯曲下 沉现象， 沉降约为 0.25m， 此时认为工作面周期来压， 来压步距约为 15m； 当工作面推进 35m、 45m时， 由图 1c、 d能够看出上覆岩层明显呈现 “两带” 式分布， 且 随着工作面的持续推进， 上覆岩层会出现周期性的切 落， 弯曲下沉现象， 故能够得出 2- 611 工作面上覆岩 层随着回采工作的进行呈现出周期性运动， 且从分析 知工作面来压步距较短。 在模型建立时， 通过在基本顶深 3m 的位置处埋 设测线， 共布置 10 个测点， 在进行回采开挖时， 通过 监测基本顶垂直方向的应力变化情况， 得出工作面推 进不同距离时竖直方向应力分布曲线图如图 2 所示。 图 2工作面推进不同距离时基本顶测点竖直方向 应力变化曲线 根据图 2 能够得出， 在工作面推进 15m 时， 竖直 方向应力值变化较大， ， 在工作面推进约 15m 时工作 面出现初次来压， 初次来压时竖直应力的峰值出现在 工作面前方 5～7m 的岩层内，因为基本顶岩层切落 后， 并未与上覆岩层形成结构， 故在工作面刚推进一 段距离时受到上覆岩层的冲击荷载相对较小； 在工作 面推进 25m后，应力峰值在工作面前方 7m左右， 其 竖直应力值为 4.97MPa， 此时基本顶形成的砌体梁结 构会发生滑落失稳[6]， 覆岩会随着基本顶的破断而切 落， 此时会对工作面造成较大的冲击荷载； 在工作面 推进 35m、 45m 及 85m 时垂直应力的峰值基本均出 现工作面前方 10m， 呈现出周期性变化， 最大应力峰 值为 5.0MPa。通过上述分析能够得知上覆岩层滑落 失稳会造成工作面周期来压较为强烈， 因此可以根据 短砌体梁结构计算出合理的支架支护阻力， 用以防止 上覆短砌体梁发生滑落失稳。 3工作面矿压实测及分析 2- 611 工作面采用一次采全高的采煤工艺， 通过 对工作面回采期间液压支架工作阻力的来压情况进 行分析， 观测支架位置主要在工作面的中部， 主要对 90～140支架回采时的数据进行观测， 同时以 5 个支 架为一组， 共设置 11 组进行观测， 对工作面向前推进 27m范围内进行持续观测， 将所得数据绘制成曲线图 如图 3 所示。 通过对图 3 进行分析能够得出， 工作面在推进约 岩性厚度 /m 剪切模量 /GPa 弹性模量 /GPa 粘聚力 /MPa 抗拉强度 /MPa 内摩擦角 / （ ） 中砂岩6.857.88.34.32.1121 细粉砂岩2.77105.82.02.023 泥岩0.451.54.31.61.133 2 煤3.272.05.41.80.627 粉砂岩1.699.55.62.01.921 泥岩3.541.54.31.61.132 中砂岩107.16.32.02.1135 82 ChaoXing （上接第 80 页） 通过分析观音山煤矿二井东零采区 E0104 工 作面在回采过程中的矿压特征及巷道围岩变化规 律， 提出片帮冒顶控制技术及 “高强恒阻支柱 - 锚 杆 - 锚索 - 钢带” 联合支护方式， 并进行工程实践； 实践结果表明 优化后的支护方案对巷道围岩控制 效果更加明显，两条巷道顶板移进量分别降低了 39.42、 26.48，充分说明了优化后支护方案的可 靠性及支护的合理性。 参考文献 [1] 何峰华， 李以虎. 大倾角巷道围岩支护方案优化及控制。 山东煤炭科技， 2018 （03） 22- 25. [2] 韩耀文. 大倾角煤层综采面围岩控制及支护。机械管理 开发， 2018 （04） 74- 77. [3] 魏永前，朱春伟. 大倾角煤层下行开采工作面围岩应力 分析及控制技术。能源与环保 2017 （04） 122- 127. 作者简介 郑发强 （1976-） ， 男， 籍贯重庆市璧山县， 2010 年 1 月毕 业于西安科技大学煤矿开采技术专业， 助理工程师， 现从事 煤矿采掘技术工作。（收稿日期 2019- 3- 6） 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 14.5m 时， 初次来压， 初次来压持续约 5～6m 的距离， 此时液压支架的平均工作阻力为 3.41MPa， 最大工作 阻力为 4.65MPa， 来压动载系数 1.38； 当工作面推进 约 25 时，为第一次周期来压，来压持续时间约为 4～5m，此时液压支架的平均工作阻力为 3.56MPa， 最 大工作阻力为 4.69MPa， 来压动载系数为 1.65， 周期 来压的持续距离约为 4～5m，且应力峰值大于初次来 压。具体工作面液压支架的来压步距情况如表 2 所 示。根据回采过程中的观测， 在来压时工作面煤壁片 帮情况加剧， 工作面与回采巷道的交叉处锚杆有明显 的变形，同时工作面的局部区域出现漏顶的情况， 便 需对该部分区域进行补强支护。 根据分析工作面回采 过程中液压支架的工作阻力得出的初次及周期来压 情况与数值模拟结果相同。 图 3回采过程中支架工作阻力变化曲线 表 2工作面回采过程中来压步距情况 4结论 1 ）通过对 2- 611 工作面进行数值模拟，得出工 作面推进约 15m 时工作面上方基本顶发生破断， 上 覆岩层出现弯曲下沉及切落现象， 此时代表着工作面 初次来压； 在工作面推进约 25m 时， 工作面上覆岩层 会出现类似于初次来压时的情况， 表明此时为周期来 压， 模拟结果与现场矿压观测数据一致。 2 ） 缓倾斜煤层工作面上覆岩层的运动呈现周期 性的变化规律， 且周期来压时矿压显现剧烈， 来压步 距较短， 根据上覆岩层松软的特性， 形成的短砌体梁 结构发生滑落失稳时， 覆岩会发生切落， 导致工作面 来压强烈， 可通过分析短砌体梁结构合理选择液压支 架， 保证工作面的安全回采。 参考文献 [1] 周茂普,曹胜根,江小军.缓倾斜煤层连续采煤机短壁开采 工艺研究与应用[J].采矿与安全工程学报,2014,31 （01） 55- 59. [2] 贾喜荣.矿山岩层力学 M].北京煤炭工业出版社， 1997. [3] 贾喜荣,刘国利,徐林生.缓倾斜煤层长壁工作面顶板分类 方案探讨[J].矿山压力与顶板管理,1992 （01） 53- 55102. [4] 高云峰. 缓倾斜煤层软岩巷道变形规律及围岩控制研究 [J].矿业安全与环保,2017,440453- 5659. [5] 代沛. 缓倾斜中厚煤层采动应力场时空演化及覆岩破裂 规律[D].重庆大学,2015. [6] 侯忠杰.对浅埋煤层 “短砌体梁” 、“台阶岩梁” 结构与砌体 梁理论的商榷[J].煤炭学报,2008 （11） 1201- 1204. 作者简介 崔慧斌 （1990-） ， 男， 汉族， 山东东明人， 本科， 2017 年毕 业于太原理工大学采矿工程专业， 助理工程师。现任职于霍 州煤电集团有限责任公司团柏煤矿安全科技术员。 （收稿日期 2018- 9- 26） 支架编号初次来压步距周期来压步距 9015.510.3 9615.711.3 10213.611.4 10816.611.0 12013.88.7 平均值15.0410.54 83 ChaoXing