大倾角厚煤层顶板破断规律的数值模拟研究

刘英志,白庆升,袁 永

(1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏 徐州 221008;2.黑龙江龙煤集团七台河分公司,黑龙江 七台河 154600)

近年来,我国很多矿区赋存条件优越的煤层储量越来越少[1],随着煤炭开采强度的不断扩大,很多矿区面临着在大倾角煤层中采用综合机械化采煤方法[2]。长期以来,国内外学者对矿山压力的研究,主要集中在近水平和缓倾斜煤层,因而目前的综合机械化采煤一般适用于缓倾斜煤层[3-5]。开采这类煤层由于其倾角较大,煤层顶板垂直作用于支架上的分力比缓倾斜煤层小,而沿倾斜方向的分力较大,所以其回采工艺、顶板岩层活动、工作面矿压显现规律等产生了一系列与开采缓倾斜煤层不同的特点[6-10]。研究在大倾角复杂地质条件下的工作面顶板垮落及矿压显现特征,对采用安全高效综采技术,发挥综采潜力、拓宽综采工艺的适用范围,提高矿井机械化开采水平、经济效益和煤炭采出率有重要的意义。

本文结合某矿大倾角中厚煤层综采工作面,运用UDEC2D数值模拟软件建立了沿工作面走向和倾向的数值分析模型[11-12],模拟分析了大倾角综采工作面的顶板破断和矿压显现规律以及围岩应力分布特征,对同类条件下的煤层开采具有借鉴和指导意义。

1 开采条件

某矿 12802工作面,设计走向长 1 150m、倾斜长180m。工作面北为井田边界煤柱;东部为深部尚未开采区;西部以 12407工作面采空区为界,南部以采区轨道上山保护煤柱(工作面停采线)为界。工作面所采的 2#煤,煤层赋存较稳定,煤层厚度在 1.5～3.8m,平均 3.2m,煤层结构 2.35(0.10)0.75,中下部夹有一层 0.10～0.15m的泥质粉砂岩夹矸。煤岩层倾角 22°～33°,平均 28°。

工作面北部煤层直接顶板为灰黑色粉砂岩,下半部富含植物化石,具有滑面,裂隙较发育,上半部为粉砂岩与细粒砂岩互层,具有水平层理,层厚 0～4.07m,平均 3.3m;老顶为灰色细砂岩,胶结致密,层厚 0.75～4.2m,平均 2.5m。工作面南部煤层直接顶板为灰色细砂岩,层厚 17.4 m。直接底板为黑色粉砂岩与细砂岩互层,具有水平层理,含有云母片及植物化石,厚度 4.5～6.9m,平均 5.7m。工作面采用走向长壁后退式综合机械化采煤方法,垮落法管理顶板。

2 模型的建立

根据工作面地质条件利用UDEC2D软件分别建立了工作面走向和倾向模型,对大倾角煤层开采过程中顶板破断规律及围岩应力分布特征进行模拟研究。

工作面走向模型模拟方案的范围取 300m(宽)×100m(高),工作面倾向模型模拟方案的范围取500m(宽 ) ×200m(高 ),岩层角度为 25°,模型的左右及下部边界为位移边界,左右边界限制 x方向的位移;下部边界限制 y方向的位移,为消除边界影响,两 侧各留 50m保护煤柱,分别见图 1和图 2。

图 1 沿工作面走向数值分析模型

图 2 沿工作面倾向数值分析模型

模型中围岩物理力学性质参照 12802工作面实际岩体力学特性和相近矿区的岩体力学参数,并根据UDEC特性确定,见表 1,表 2。根据模拟需要,走向模型在老顶顶部布置 2#测线,在距离煤层底板 19 m高布置 3#测线,在距离煤层底板 63 m处布置 4#测线。倾向模型在距离煤层上部 3.1 m布置 5#测线,距离煤层上部 8.1 m布置 6#测线,距离煤层上部23.1m布置 7#测线,距离煤层上部 33.1m布置 8#测线,在距离煤层底板 5m处布置 9#测线。

表 1 岩层物理力学参数表

表 2 接触面物理力学参数表

3 走向模拟结果分析

3.1 开采空间顶板冒落及下沉

不同推进长度覆岩顶部破断和覆岩垂直位移情况见图 3,图 4。由图 3,图 4可知,当工作面推进20m时,直接顶开始垮落,直接顶与老顶、老顶与上覆岩层出现离层;工作面推进到 30m时,直接顶完全破断,直接顶与老顶、老顶与上覆岩层之间离层进一步扩大;当工作面推进 40m时,老顶破断,即老顶初次来压,老顶及其上覆岩层下沉量显著增大,且直接顶与老顶、老顶与上覆岩层之间的离层进一步增大,说明直接顶岩层虽然接触底板,并逐渐被压实。当工作面推进到 55m,工作面第一次周期来压,在距开切眼 35m左右,距煤层20m高范围内的顶板覆岩下沉量基本趋于一致,及上覆岩层基本达到充分采动状态,最大下沉量达到3.2m;如图 4(d)所示从距开切眼 35m到工作面位置,老顶与上覆岩层具有相同的下沉量,及老顶与上覆岩层之间的离层很小,但直接顶与老顶之间存在着离层,且离工作面越近离层量越大。当开采空间达到70m以上,即工作面第二次周期来压之后,顶板的最大下沉量没有增加,但充分采动的范围由煤层上方20m增加到煤层上方 60m。

从模拟结果分析,12802工作面初次来压歩距约为 40m,周期来压歩距约为 15m,与现场基本一致。

3.2 开采空间应力分布

不同推进距离超前支承压力特征统计图见图 5。

图 5 不同推进距离超前支承压力特征统计图

由图 5可知,在老顶初次来压之前,采动超前支承压力集中程度低,应力集中系数在 1.3左右,老顶初次来压时,采动应力峰值达到 24M Pa,应力集中系数为 1.7,老顶的前三次周期来压采动应力集中程度高,应力峰值分别为 29.6M Pa、29M Pa和 26.9M Pa,应力集中系数达到 2.0左右。采动超前支承压力峰值位置在工作面前方 5～11m处,老顶来压期间,采动应力影响范围约为 35～44m。从顶板安全管理角度分析,应加强工作面初次来压及前三次周期来压期间的顶板管理。

4 倾向模拟结果分析

一般情况下,由于直接顶冒矸向下滚落,形成下部填满而上部悬空的沿倾斜不同充填特征,老顶破断后下部板块的失稳运动首先受到限制,因而大倾角煤层开采过程中,沿工作面倾下部矿压显现较上部和中部缓和[10]。工作面上中下部应力统计表见表 3,由表 3可知,工作面上部平均压力为 2.69M Pa,中部平均压力为 11.06M Pa,下部平均压力为7.18M Pa,从工作面两端头至中间部位压力逐渐增大,最大值位置在工作面中上部位 115～125 m之间,压力为 14～14.5M Pa。且随工作面上覆岩层随距煤层距离的增加,顶板内最大压力有减小的趋势。

表 3 工作面上中下部应力统计表 M Pa

工作面两端侧向支撑压力分布见表 4。

由表 4可知,工作面两端头沿倾向压力分布规律为：上端头侧向支撑压力峰值及峰值点离其顺槽的距离均小于下端头侧向支撑压力峰值及峰值点离其顺槽的距离。上端头侧向支撑压力峰值均值为16.97 M Pa,支撑压力峰值点离其顺槽的距离 17m左右;下端头侧向支撑压力峰值均值为 22.71M Pa,支撑压力峰值点离其顺槽的距离 20m左右。

表 4 工作面上下端部侧向支撑压力分布表

与近水平和缓倾斜煤层相比,工作面开采后岩层移动角和充分采动角有所不同。模拟结果显示,沿倾向工作面上山和下山岩层移动角分别为 71°和 64°;上山和下山充分采动角分别为 66°和 72°,上山岩层移动角大于下山岩层移动角,而充分采动角则相反。

5 结 论

根据 12802工作面具体地质条件,分别建立沿工作面走向和倾向的数值分析模型,模拟分析了大倾角综采面顶板破断规律和矿压显现特征,结果表明：

1)工作面直接顶初次垮落歩距约为 20m,老顶初次来压歩距约为 40m,老顶周期来压歩距约为 15m。

2)老顶初次来压时,采动应力峰值达到 24 M Pa,应力集中系数为 1.7,老顶的前三次周期来压采动应力集中程度高,应力峰值分别为 29.6M Pa、29 M Pa和 26.9M Pa,应力集中系数达到 2.0左右;超前支承压力峰值位置在工作面前方 5～11m处,老顶来压期间,采动应力集中系数约为 1.7,采动应力影响范围约为 35～44 m;应加强工作面初次来压及前三次周期来压期间的顶板管理。

3)沿工作面倾向压力分布表现为明显的非对称性,具体表现为中、下部大,上部小;上端头侧向支承压力峰值为 16.97M Pa,峰值点距上巷外帮 17m,下端头侧向支承压力峰值为 22.71M Pa,峰值点距下巷外帮 20m。

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