杜毅飛

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司馬蘭礦， 山西 太原 030053）

綜放開采隨著近30 a 的發(fā)展，技術(shù)水平及裝備都有了大幅度的提升，我國煤礦開采的安全越來越重要。在上覆巖層破壞及礦壓顯現(xiàn)問題上眾多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行過研究[1,2]。采場的覆巖運(yùn)動(dòng)是造成礦壓顯現(xiàn)的重要原因[3,4]。本文通過數(shù)值模擬研究對(duì)馬蘭礦18509 綜采工作面上覆巖層結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)對(duì)礦壓顯現(xiàn)的影響作出研究，為礦山治理礦壓顯現(xiàn)問題作出借鑒。

1 上覆巖層運(yùn)移及礦壓數(shù)值模擬

馬蘭礦位于山西古交，距太原市69 km，設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力400 萬t，為了研究覆巖的運(yùn)動(dòng)及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，馬蘭礦采用數(shù)值模擬軟件CDEM 對(duì)18509 綜采工作面的上覆巖層破壞、爆破欲裂及液壓支架的受力情況進(jìn)行分析。首先根據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)資料對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行建立。根據(jù)地質(zhì)資料將模型的走向長度設(shè)置為400 m，模型的工作面推進(jìn)距離設(shè)置為153 m。并根據(jù)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行支架模型加載，且在支架的頂梁位置設(shè)置應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)模型在計(jì)算過程中的支架振動(dòng)情況，并在內(nèi)外立柱的交接面上設(shè)置測(cè)點(diǎn)用于監(jiān)測(cè)支架的工作阻力。

數(shù)值計(jì)算選用的本構(gòu)模型為摩爾庫倫模型，本文設(shè)置的液壓支架模型可以采用立柱壓縮與支架的工作阻力的關(guān)系式進(jìn)行設(shè)置，關(guān)系公式可以表示為：

式中：P為液壓支架的工作阻力，Pa；P1為液壓支架的初撐力，Pa；K為支架的液壓剛度，為定值本文設(shè)定為250 MPa/m；ΔS為立柱的絕對(duì)下縮量，m。

液壓支架的模擬本構(gòu)曲線如圖1 所示。

圖1 液壓支架的模擬本構(gòu)曲線

由圖1 可以看出，液壓支架的本構(gòu)關(guān)系可以分為兩個(gè)部分，一部分為支架工作阻力從支架的初撐力P1隨著支架的立柱絕對(duì)下降高度線性增加，直至增大至支架的額定阻力P2，第二部分為模擬過程中的安全閥打開，液壓支架的工作阻力不隨著立柱的伸縮量的變化而改變，持續(xù)維持在支架的額定阻力P2。隨著工作面的推進(jìn)支架隨著移架一直重復(fù)著上述過程。在頂板的開切眼出進(jìn)行爆破欲裂，爆破裂縫間的填充巖體無力學(xué)參數(shù)。

根據(jù)其現(xiàn)場實(shí)測(cè)的地質(zhì)資料對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，模型的材料力學(xué)參數(shù)對(duì)照表如表1 所示。

表1 模型的材料力學(xué)參數(shù)對(duì)照表

完成模型的材料參數(shù)設(shè)定后，對(duì)模型的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，一般來說網(wǎng)格的劃分要遵循模擬實(shí)驗(yàn)的精確度及電腦的運(yùn)行性能等，網(wǎng)格劃分過粗會(huì)影響計(jì)算結(jié)果精確度，網(wǎng)格劃分過細(xì)會(huì)加大電腦的運(yùn)行負(fù)荷，所以適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格劃分對(duì)模擬計(jì)算十分重要。完成網(wǎng)格劃分后對(duì)模型的邊界進(jìn)行固定約束設(shè)置，完成建模過程后對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算。如圖2 所示為巖拱結(jié)構(gòu)水平應(yīng)力云圖。

圖2 巖拱結(jié)構(gòu)水平應(yīng)力云圖

根據(jù)圖2 可以看出，當(dāng)工作面推進(jìn)至88 m 時(shí)，由于頂板事先進(jìn)行過預(yù)裂，所以云圖的法向應(yīng)力較低。直接頂?shù)膸r層隨著采動(dòng)進(jìn)行垮落，爆破切縫處的基本定分層垮落。在距離切縫較遠(yuǎn)的位置，由于巖層間本身的黏聚力作用，所醫(yī)院才能并不會(huì)垮落，而在巖層的下端部形成懸臂的結(jié)構(gòu)，右側(cè)拱角隨著工作面的不斷推進(jìn)形成部隊(duì)稱的巖拱結(jié)構(gòu)。不對(duì)稱的拱結(jié)構(gòu)的形態(tài)呈現(xiàn)出左高右低的形態(tài)，此時(shí)的應(yīng)力較低。

如圖3 所示為巖層結(jié)構(gòu)的破壞情況及其水平應(yīng)力分布情況。

圖3 巖拱結(jié)構(gòu)破壞水平應(yīng)力云圖

根據(jù)圖3 可以看出當(dāng)工作面推進(jìn)至88~93 m 的過程中，基本定的巖拱及應(yīng)力頂發(fā)生破壞，巖層的破壞直至地表巖層。爆破預(yù)裂產(chǎn)生的非對(duì)稱巖拱結(jié)構(gòu)右側(cè)拱角的厚度明顯高于左側(cè)巖層，左側(cè)巖層的承載能力弱，破壞較為嚴(yán)重。右側(cè)拱角位置的基本頂下側(cè)巖層發(fā)生分層垮落，上部的巖層發(fā)生斷裂下沉。由于左側(cè)的巖層較薄所以左側(cè)的水平應(yīng)力云圖并不連續(xù)。右側(cè)由于巖層較厚，出現(xiàn)一定的分層垮落，承載能力較強(qiáng)，此時(shí)的支架工作阻力較低。

當(dāng)工作面經(jīng)歷第一次來壓后，基本定的下部分巖層垮落形成懸臂梁，上部分基本定形成鉸接巖梁承載上覆巖層的自身質(zhì)量。支架的工作阻力仍處于較低的狀態(tài)。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)由于基本頂下部的懸臂梁長度的加大，懸臂梁結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，此時(shí)工作面推進(jìn)至113~118 m 的位置，造成工作面二次來壓。

當(dāng)工作面經(jīng)歷二次來壓后，基本頂?shù)膽冶哿喊l(fā)生破壞，上部的鉸接結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)，支架的承壓仍不大。當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)時(shí)至143~148 m 時(shí)，基本頂發(fā)生整層的失穩(wěn)破壞。安全閥開啟，支架承壓達(dá)到額定阻力，如圖4 所示為鉸接巖梁水平應(yīng)力云圖。

圖4 鉸接巖梁水平應(yīng)力云圖

當(dāng)18509 工作面推進(jìn)至93 m 和143 m 時(shí)，基本頂?shù)膸r層發(fā)生整層的斷裂，覆巖的破壞嚴(yán)重，工作面經(jīng)歷第一次及第三次來壓。當(dāng)工作面推進(jìn)至118 m時(shí)，下部懸臂梁發(fā)生破壞。

2 基本頂應(yīng)力分布研究

為了更好地分析基本頂?shù)膽?yīng)力分布情況，在基本頂?shù)闹虚g部位設(shè)置應(yīng)力監(jiān)測(cè)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)基本頂?shù)膽?yīng)力變化，根據(jù)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制應(yīng)力分布圖如圖5 所示。

圖5 基本頂垂直及水平應(yīng)力分布曲線

由圖5 可以看出，18509 工作面推進(jìn)至33 m、63 m和88 m 時(shí)，監(jiān)測(cè)線上的垂直應(yīng)力及水平應(yīng)力均不斷增加。在距離工作面前8 m 及20 m 處垂直應(yīng)力及水平應(yīng)力達(dá)到最大值。當(dāng)工作面推進(jìn)至93 m 時(shí)，超前工作面前方約10 m 的位置水平應(yīng)力呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，在超前5 m 的位置垂直應(yīng)力呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。隨著工作面推進(jìn)巖拱右側(cè)拱角發(fā)生遷移，垮落距增大，水平應(yīng)力及垂直應(yīng)力均有所增大，當(dāng)拱發(fā)生斷裂后水平應(yīng)力出現(xiàn)降低，垂直應(yīng)力呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。

當(dāng)工作面推進(jìn)至118 m 時(shí)，測(cè)線監(jiān)測(cè)到超前工作面10 m 的區(qū)域內(nèi)水平應(yīng)力及垂直應(yīng)力大致呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，在超前10 m 的位置出現(xiàn)峰值。推進(jìn)至123 m 的位置時(shí)，此時(shí)的水平應(yīng)力降低至原巖應(yīng)力。當(dāng)工作面經(jīng)歷第二次來壓時(shí)，基本頂下部發(fā)生破壞，水平應(yīng)力呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，垂直應(yīng)力降低[5]。

當(dāng)工作面推進(jìn)至138 m 時(shí)，監(jiān)測(cè)到水平應(yīng)力及垂直應(yīng)力增大至峰值后又會(huì)降低至原巖應(yīng)力。推進(jìn)至143 m 的位置時(shí)，此時(shí)的水平應(yīng)力較工作面推進(jìn)至138 m 時(shí)大。當(dāng)工作面經(jīng)歷第三次來壓時(shí)，基本頂上部的鉸接結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，基本頂失穩(wěn)，水平應(yīng)力及垂直應(yīng)力均出現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

3 結(jié)論

1）通過理論分析和數(shù)值模擬的方法給出了支架與圍巖的關(guān)系曲線，為采場研究覆巖破壞過程及來壓強(qiáng)度提供參考。

2）通過分析上覆巖層的垮落及礦壓顯發(fā)現(xiàn)了在工作面推進(jìn)50 m 時(shí)基本頂出現(xiàn)分層跨落，拱巖破壞后基本頂下部形成懸臂梁上部形成鉸接梁，并對(duì)其水平應(yīng)力云圖做出分析。

3）通過在基本頂布置監(jiān)測(cè)線研究了基本頂隨著工作面推進(jìn)水平應(yīng)力及垂直應(yīng)力的變化趨勢(shì)，給出了礦壓顯現(xiàn)的原因及來壓步距。