宋化剛

關(guān)鍵詞：上覆巖層;RFPA軟件;動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè);數(shù)值模擬

層狀巖體結(jié)構(gòu)是巖層覆存的主要形態(tài)，隨著采掘，受采掘擾動(dòng)影響上覆巖層會(huì)發(fā)生位移運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致巷道頂板離層、垮落。對(duì)開采厚度在3.5m以上大采高工作面，一般采用：一次采全高與放頂開采兩種開采方式。由于一次采全高的開采工藝較放頂開采方式具有開采效率高優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用，一次采全高開采工藝逐步成為大采高綜采工作面的主要開采技術(shù)，手礦井地質(zhì)條件限制，大采高開采技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中也遇到制約因素。本文以斜溝礦18105大采高綜采工作面為研究背景，針對(duì)采掘過程中礦壓顯現(xiàn)，導(dǎo)致頂板離層、冒落、垮落和巷道圍巖變形嚴(yán)重問題，通過RFPA軟件和UDEC離散元數(shù)值分析軟件對(duì)工作面上覆巖層的下層量進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，分析不同支護(hù)阻力支架的支護(hù)效果，分析得到合理的開采高度和支護(hù)方式，有效控制工作面頂板離層、跨落現(xiàn)象。

1 礦井概況

斜溝礦位于山西省興縣北50km處，礦井面積約88.6km2，

礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力15.0Mt/a。現(xiàn)在主要開采8#、13#，兩層分采分運(yùn)，13#厚度約為15m，采用一次采全綜放開采方式，在18105工作面回采過程，受采動(dòng)擾動(dòng)影響上覆巖層發(fā)生大面積的冒落，為此，對(duì)8#、13#開采過程中上覆巖層的頂板運(yùn)移規(guī)律研究非常重要，是保證礦井安全開采的基礎(chǔ)。采空區(qū)的頂板巖層主要分為：垮落帶、彎曲下沉帶和裂隙帶。隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)的懸頂長(zhǎng)度增加，受礦壓影響頂板會(huì)發(fā)生彎曲下沉，當(dāng)彎曲達(dá)到極限時(shí)頂板巖層會(huì)發(fā)生大面積的斷裂垮落。

2 工作面頂板上覆巖性分析

斜溝礦18105工作面頂板巖性自上而下分別為：粗砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖等。開采的8#平均厚度4.87m，平均傾角9.5°，鑒于頂板巖性分布不勻，巖石的碎脹系數(shù)選定為1.2、1.3。當(dāng)巖石的碎脹系數(shù)為1.2時(shí)，冒落帶的最大高度為26.5m，當(dāng)巖石的碎脹系數(shù)選定為1.3m時(shí)，冒落帶的最大高度為18.6m。所以可以推出18105工作面的冒落帶最大高度在18.6m～26.5m之間。工作面頂板巖層力學(xué)參數(shù)見表1所示。

開采的13#頂板從上至下依次為砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖等。13#的平均厚度為13.8m，平均傾角為10°，冒落帶最大高度在50.1m～69.1m。在實(shí)際的生產(chǎn)中將裂隙帶及冒落帶的高度統(tǒng)稱為導(dǎo)水裂隙帶，導(dǎo)水裂縫帶的高度計(jì)算公式為：

式中：Hli-導(dǎo)水裂縫帶寬度，m;M-采高，m。通過計(jì)算得出8#和13#頂板的裂隙帶高度為56.5m和73.8m。

3 上覆巖層垮落數(shù)值模擬

斜溝礦為研究18105工作面的上覆巖層的跨落及裂隙發(fā)育規(guī)律，通過RFPA軟件和UDEC離散元數(shù)值分析軟件對(duì)工作面上覆巖層的下層量進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)模擬研究。在進(jìn)行UDEC數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)首先構(gòu)建數(shù)值模型，模型長(zhǎng)300m，寬5m，高400m，同時(shí)結(jié)合18105工作面的實(shí)際水文地質(zhì)條件對(duì)模型的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，為避免模型滑動(dòng)。由于工作面的頂板巖層完全建立所以無(wú)需再頂端施加固定載荷。

根據(jù)工作面實(shí)際情況對(duì)模型圍巖進(jìn)行施加，每下降1m圍壓壓力相對(duì)應(yīng)的增加0.025MPa。數(shù)值模型中設(shè)定8#厚度為4.87m，頂部分別為砂質(zhì)泥巖15m，泥巖13m，中砂巖40m構(gòu)成工作面頂板的基本頂，在距離工作面85m至105m的位置為頂板的副關(guān)鍵層，距離工作面300m至320m為主關(guān)鍵層，鑒于18105工作面的直接頂主要為泥巖，厚度達(dá)到1.35m受采掘擾動(dòng)影響較小，周期來壓較小。為對(duì)18105工作面在采掘過程巷道頂板巖層下沉量進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，選取工作面推進(jìn)100m、150m和200m的位置分別設(shè)置監(jiān)測(cè)線，對(duì)18105工作面巷道頂板和上覆巖層的下沉情況進(jìn)行觀測(cè)。18105工作面開采時(shí)上覆巖層下沉量變化曲線如圖2所示。

由圖2（a）可以看出，在100m的測(cè)點(diǎn)處巖層的下位直接頂在工作面僅推進(jìn)30m的位置時(shí)就已經(jīng)完全垮落，而相對(duì)于下位直接頂，上位直接頂在工作面推進(jìn)20m的時(shí)候發(fā)生下沉，在工作面推進(jìn)至110的位置時(shí)上位直接頂?shù)南鲁了俣却蠓仍黾?，?dāng)工作面推至120m時(shí)，此時(shí)的上位直接頂被徹底壓實(shí)，此時(shí)的下沉量為2.58m?；卷斣诠ぷ髅嫱七M(jìn)40m時(shí)產(chǎn)生一定的下沉，當(dāng)工作面推進(jìn)至110m時(shí)此時(shí)的下降速度明顯加快，當(dāng)工作面推進(jìn)至130m時(shí)，此時(shí)基本頂被壓實(shí)，基本頂?shù)南鲁亮窟_(dá)到2.1m，在距離18105工作面頂板85m處的下沉量達(dá)到1.37m。模型的上部土層共下沉了0.66m。

圖2（b）為18105工作面150m測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的覆巖下沉曲線，此測(cè)點(diǎn)位于18105工作面采空區(qū)中部，根據(jù)圖中所示可知，下位直接頂隨著開采逐步下落，在工作面推進(jìn)至20的位置時(shí)下位直接頂完全垮落，上為直接頂在工作面推至20m時(shí)開始垮落，當(dāng)工作面推進(jìn)至55m至60m的位置時(shí)垮落速度加快，總的下沉量達(dá)到4.5m。在距離工作面頂板150m以上的巖層下沉量較小。模型的上部土層共下沉了1.5m，較100m時(shí)的測(cè)點(diǎn)增加了1.3m。

圖2（c）為18105工作面開采200m測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的覆巖下沉曲線，在距離18105工作面頂板15m的位置下沉量較大，隨著工作面的推進(jìn)在距離工作面30m的位置時(shí)下沉量達(dá)到最大值4.76m，在距離18105工作面頂板30m以上的巖層隨著工作面推進(jìn)都緩慢增加。此測(cè)點(diǎn)的巖層累積下沉量與100m測(cè)點(diǎn)巖層的下沉相差較小，倆側(cè)點(diǎn)距離兩幫均為30m，但相較100m測(cè)點(diǎn)的下沉速度有了一定的增加，這是因?yàn)?00m測(cè)點(diǎn)的位置處于基本頂及各巖層初次來壓之前，而相應(yīng)的200m測(cè)點(diǎn)處于其之后，所以初次來壓步距相對(duì)較小。

4 結(jié)論

通過RFPA軟件和UDEC離散元數(shù)值分析軟件對(duì)18105工作面上覆巖層的下沉量進(jìn)行研究，得出受采動(dòng)擾動(dòng)影響后巷道頂板的冒落帶的高度最大達(dá)到26.5m，裂隙帶的高度約為48m;13#的冒落帶高度最大達(dá)到69m，裂隙帶寬度為105m。采用3DEC模擬軟件結(jié)合8#的實(shí)際地質(zhì)條件構(gòu)建數(shù)值模型，模擬研究了工作面推進(jìn)100m、150m和200m的位置的頂板上覆巖層下沉變化，研究發(fā)現(xiàn)18105工作面在開采推進(jìn)到150m監(jiān)測(cè)位置使頂板上覆巖層的最大下沉量達(dá)到1.5m，工作面在推進(jìn)至200m處，初次來壓步距相對(duì)較小。結(jié)合模擬研究結(jié)果選用工作阻力達(dá)到10000kN以上的支架可對(duì)巷道頂板下沉和圍巖變形進(jìn)行有效控制，保證礦井的安全開采。

參考文獻(xiàn)：

[1]閆建兵，張東峰，張小強(qiáng).復(fù)采工作面橫跨煤柱上覆巖層運(yùn)移規(guī)律研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2018，045（005）：37-41+46.