風積沙厚度對淺埋煤層大采高工作面礦壓顯現(xiàn)的影響
王翰釗，李守國，段鵬飛，賈寶山，劉昭，耿曉偉
（1遼寧工程技術大學安全科學與工程學院，遼寧阜新123000；
2礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室，遼寧阜新123000；
3煤科集團沈陽研究院有限公司煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧撫順，113122；
4神華集團神府東勝煤炭公司，陜西神木719315）
摘要：針對神東礦區(qū)大柳塔煤礦52304工作面通過風積沙較厚區(qū)域時強烈的礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，通過理論分析與物理相似模型以及現(xiàn)場測試等方法，建立工作面過風積沙區(qū)域時的力學模型，分析風積沙厚度對大采高工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的影響，對風積沙厚度對工作面關鍵層力學穩(wěn)定性做出分析，并通過數(shù)值模擬對影響性進行研究。研究結果表明：風積沙厚度較大的開采區(qū)域，作用在覆巖主關鍵層結構上的載荷較大，造成主關鍵層破斷塊體的結構回轉變形失穩(wěn)，造成工作面礦壓顯現(xiàn)極強烈；大采高和風積沙厚度較大條件下距煤層較遠的主關鍵層破斷運動也會對工作面礦壓顯現(xiàn)產生影響，且采高、厚風積沙因素缺少其中一個時，主關鍵層均不會對工作面礦壓產生明顯影響。
關鍵詞：近淺埋煤層；礦壓顯現(xiàn)；風積沙厚度；力學分析
0 引言
隨著我國能源戰(zhàn)略中心向西部轉移，西部淺埋煤層開采引起廣泛關注。西部淺埋煤層主要以神東礦區(qū)為主，該礦區(qū)大部分屬于淺埋煤層。淺埋煤層的基本頂巖結構為單一關鍵層結構，煤層礦壓來壓明顯，載荷層厚度大，工作面上覆巖層不存在“三帶”。淺埋煤層的獨特地質構造使得礦壓顯現(xiàn)劇烈。神東礦區(qū)煤層淺埋深、基巖薄，同時上覆厚松散層。神東煤炭的大柳塔煤礦上覆基巖上以厚風積沙為主。這使得開采過程中潰砂事故極易發(fā)生，以風積沙為主的上覆厚松散沙層成為工作面礦壓來壓的主要影響因素。相關研究表明，厚風積沙對工作面覆巖的壓力作用，使得頂板巖層彎曲、破斷甚至垮落�；鶐r厚度對礦壓顯現(xiàn)有密切關系�；陉P鍵層理論，張志強等從溝深的角度，分析當承壓較大時關鍵層遭到破壞及工作面礦壓顯現(xiàn)受到明顯影響。基于對關鍵層的認識，當泥沙混合比降低時，對煤系覆巖下沉產生明顯擴大影響。筆者結合大柳塔煤礦52304工作面實際生產情況，對大采高工作面過露天礦風積沙厚度增厚時的礦壓顯現(xiàn)的影響規(guī)律進行研究。
1 工作面開采條件
大柳塔煤礦是神東煤炭集團所屬的年產兩千萬噸的特大型現(xiàn)代化高產高效礦井，位于陜西省神木縣境內。52304工作面是大柳塔井5-2煤三盤區(qū)，煤層厚度6.6~7.3 m，平均6. 94 m，煤層結構簡單，直接頂為砂質泥巖、泥巖為主，厚度為0 N1. 85 m，基本頂以粉砂巖為主，厚度為5.2~ 28.3 m，部分區(qū)域風化層厚很大。52304工作面沿煤層走向推進，屬于走向長壁綜采工作面，采用傾斜長壁全部垮落、一次采全高的采煤方法。工作面走向推進長度4 547.6 m，在初采期呈現(xiàn)“刀把面”的布置形式。其中，52304 -1面寬147.5 m，總推進長度148.7 m；52304 -2面寬301 m，總推進長度4 389.1 m。
2 工作面過地表風積沙區(qū)域礦壓顯現(xiàn)測試
52304工作面過地表風積沙區(qū)域時，曾出現(xiàn)了強烈的礦壓顯現(xiàn)，分別為1月10日、2月15日、3月29日，對應推進距分別為736、1 000以及1527 m。來壓期間，煤壁片幫及端面漏頂現(xiàn)象嚴重。支架區(qū)域片幫深度普遍在1 m以上，有時甚至可達2~3 m。從來壓第二刀開始，液壓支架活柱下縮量開始急劇增加，甚至出現(xiàn)10min之內，活柱下縮達I m以上的動載現(xiàn)象，隨著頂板不斷下沉，液壓支架移架后支護空間的高度不斷下降，而采煤機的最小通過高度要在5.5 m以上，部分區(qū)域采煤機幾乎無法通過。
3風積沙厚度對主關鍵層結構穩(wěn)定性力學分析
普通采高條件下一般僅工作面上方第一層關鍵層控制著工作面的礦壓顯現(xiàn)，而在大采高條件下工作面上方第一層關鍵層可能進入垮落帶，而更上位的關鍵層形成鉸接結構，并且對工作面礦壓也產生影響，即大采高條件下，對工作面礦壓產生影響的覆巖關鍵層可能不止一層。52304工作面屬于大采高綜采面。由于一次采出空間的大幅增加，頂板垮落的高度也將增加，導致對工作面礦壓顯現(xiàn)產生影響的覆巖范圍也大幅增大。在地表厚風積沙這種較大的載荷作用下，處于上位的主關鍵層破斷結構也有可能會對工作面礦壓產生影響，因此，下面將從風積沙厚度增加對主關鍵層結構穩(wěn)定性影響的角度，分析上述強烈礦壓顯現(xiàn)的機理。
3.1 風積沙厚度對主關鍵層結構穩(wěn)定性影響研究
當主關鍵層承受的載荷很大時，破斷的主關鍵層塊體很有可能無法形成穩(wěn)定的“砌體梁”結構而出現(xiàn)失穩(wěn)，52304工作面風積沙厚度較大區(qū)域覆巖主關鍵層破斷塊體的力學模型如圖1所示。
如圖1，第一巖塊在采空區(qū)的下沉量W1與關鍵層下方巖層總厚度∑h、工作面采高以及關鍵層下方巖層的松散系數(shù)K。有關，即：
砌體梁結構關鍵塊體的失穩(wěn)形式有兩種，即滑落失穩(wěn)及回轉變形失穩(wěn)。
3.2滑落失穩(wěn)分析
在A點此結構的剪切力最大，防止A點出現(xiàn)滑落失穩(wěn)，需要滿足的條件為：
根據(jù)工作面柱狀，主關鍵層埋深88 m，風積沙厚度按60 m，主關鍵層及上覆基巖按30 m計算，風積沙容重按1.8 kg/m3，基巖按2.2 kg/m3，得g=1. 74 MP。因此，可知在風積沙較厚區(qū)域主關鍵層破斷塊體會出現(xiàn)回轉變形失穩(wěn)。
通過對52304工作面覆巖主關鍵層結構的穩(wěn)定性分析可知，在風積沙較厚條件下工作面主關鍵層斷塊體長度變小，有可能出現(xiàn)結構滑落失穩(wěn)，而由于風積沙作用使得主關鍵層承受的載荷大，在回轉過程中會出現(xiàn)巖塊鉸接處擠碎而回轉變形失穩(wěn)，從而造成工作面礦壓顯現(xiàn)極強烈。力學分析結果與實測工作面在風積沙厚度較大區(qū)域礦壓顯現(xiàn)強烈一致。
4 風積沙厚度對主關鍵層結構穩(wěn)定性數(shù)值模擬．
4.1 數(shù)值模擬模型的建立
本文采用UDEC3.1進行模擬研究。模型以52304工作面開采地質條件特征為原型，進行簡化處理，計算模型為沿煤層走向的剖面。模型走向長240 m，高度100 m，其中煤層厚度為7m，下位亞關鍵層厚度為4m，主關鍵層厚度為8m，主關鍵層距工作面70 m，達到10倍采高，主關鍵層上部留9m基巖。數(shù)值模擬模型示意如圖2所示。
材料本構關系在本模型中采用mohr-coulomb彈塑性模型，其中的剪切模量G和體積模量K可通過下式得到：
式中：E為彈性模量；u為泊松比。
數(shù)值模擬中各巖層巖性參數(shù)的取值參考了該礦區(qū)相同巖層巖性的綜合取值。數(shù)值模擬中各巖層力學參數(shù)如表1所示。
模型中煤層的直接頂按照2 m分層2m寬度對齊劃塊，符合直接頂隨采隨垮的性質。主關鍵層破斷步距為18 m，亞關鍵層厚度12 m，兩關鍵層之間軟巖按照75。巖層破斷角劃分節(jié)理，4m分層4m寬度劃塊；主關鍵層上松散層按照3m分層3m寬度劃塊。模型的結構單元劃分圖見圖3。
模擬計算中的邊界條件采用了位移邊界條件約束，其中底邊界和左右邊界均采用零位移邊界條件，即固定模型的左右及底邊界，模型上邊界為自由邊界。模型中部基巖及上覆松散層以載荷形式加載，大小為1MP�？紤]到開采邊界的影響，煤層開挖側留設50 m的邊界保護煤柱，每次開挖的步距為4m，一共開挖150 m。
4.2 模擬實驗結果與分析
根據(jù)模擬風積沙厚度即基巖上覆載荷的不同，設置兩個實驗模型進行對比分析：實驗組地表厚風積沙，即在基巖頂界面施加均布載荷；對比組地表無風積沙，即對基巖頂界面不施加任何載荷。以此模擬不同風積沙厚度條件下，覆巖主關鍵層結構的穩(wěn)定性及其對工作面礦壓的影響。
4.2.1 地表厚風積沙對主關鍵層影響分析
模擬結果通過分析受采動影響主關鍵層與亞關鍵層破斷塊體運動特征以及工作面支架活柱下縮量變化來判斷主關鍵層對工作面礦壓的影響程度，如圖4所示。
由圖4(a)可知，在較大載荷的作用下，主關鍵層結構失穩(wěn)，雖然主關鍵層距工作面較遠，力仍傳遞至下方巖層，進而傳遞至工作面支架，但是亞關鍵層破斷線與主關鍵層破斷線的連線未與巖層破斷線一致，此時，主關鍵層對工作面礦壓顯現(xiàn)有影響但不明顯。而從圖4(b)可以明顯看出，主關鍵層失穩(wěn)后，當亞關鍵層破斷線與主關鍵層破斷線的連線大致與巖層破斷線相同時，工作面礦壓顯現(xiàn)受到主關鍵層與亞關鍵層共同影響，支架活柱下縮量較大，礦壓顯現(xiàn)強烈。
模型中支架的活柱下縮量進行統(tǒng)計，結果如圖5所示。
由圖5可以看出，推進距94、118、130 m處支架活柱下縮量較大，結合模擬的覆巖破壞運動情況知，這三次主關鍵層失穩(wěn)塊體對工作面礦壓影響較大，而推進距82、106、142 m處主關鍵層也對工作面礦壓有影響但是影響較小。
4.2.2地表無風積沙時主關鍵層載荷分析
模型開挖步距同樣為4m，共開挖150 m。模擬結果顯示，覆巖破壞范圍可以發(fā)展到主關鍵層下方，但是由于主關鍵層上覆載荷小破斷步距大，主關鍵層能較好的鉸接，不會對工作面礦壓產生影響。模型開挖118 m覆巖破斷運動情況如圖6所示，工作面支架活柱下縮量變化曲線如圖7所示。
5結論
1)揭示了當風積沙厚度增大時工作面礦壓顯現(xiàn)的規(guī)律，52304工作面為大采高開采，覆巖破壞運動范圍較大，造成處于上位的關鍵層破斷結構的回轉運動也會對工作面的礦壓顯現(xiàn)產生影響；而在風積沙厚度較大的開采區(qū)域，由于作用在覆巖主關鍵層結構上的載荷較大，造成主關鍵層破斷塊體的結構回轉運動也對工作面的礦壓產生了影響，是52304工作面在地表厚風積沙區(qū)域開采礦壓強烈的根本原因。
2)通過數(shù)值模擬軟件運算驗證了風積沙厚度增加造成覆巖主關鍵層結構回轉運動對工作面礦壓產生影響的機理。結果表明，在7m采高和風積沙厚度較大條件下距煤層較遠的主關鍵層破斷運動也會對工作面礦壓顯現(xiàn)產生影響，造成礦壓顯現(xiàn)強烈。且若采高、厚風積沙因素缺少其中一個，主關鍵層均不會對工作面礦壓產生明顯影響；則采高及地表風積沙厚度的增加是引起工作面礦壓強烈的共同原因。
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