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 張  蓓

 （山西省國(guó)新能源發(fā)展集團(tuán)有限公司，山西太原030006）

 摘要：覆巖結(jié)構(gòu)及運(yùn)移特征受工作面采出空間影響較大，其對(duì)工作面圍巖礦壓顯現(xiàn)程度起主要控制作用。以某煤礦2-106大采高綜采工作面采高對(duì)上覆巖層結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)特征影響的問(wèn)題為背景，采用數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，對(duì)不同采高時(shí)的覆巖結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行了研究，得到了工作面覆巖運(yùn)動(dòng)特征、冒落帶高度及離層量受采高變化影響的規(guī)律。結(jié)果表明：隨著采高增大，上覆巖層運(yùn)動(dòng)更加劇烈，采動(dòng)影響范圍增大，冒落帶高度非線性上升，煤壁片幫的趨勢(shì)增加，裂隙帶的高度、離層最大值增加。研究結(jié)果在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中得到了驗(yàn)證。

 關(guān)鍵詞：大采高；非線性；覆巖結(jié)構(gòu)

 中圖分類(lèi)號(hào)：TD353文章編號(hào)：1004-4051( 2016) 06-0075-04

 錢(qián)鳴高等首次提出了采場(chǎng)上覆巖層活動(dòng)中的關(guān)鍵層理論，并根據(jù)關(guān)鍵層的作用特性，描述了上覆巖層活動(dòng)中的整體結(jié)構(gòu)形態(tài)。弓培林等人在關(guān)鍵層理論的基礎(chǔ)上確定了垮落帶及斷裂帶高度與覆巖關(guān)鍵層的分布特征密切相關(guān)。劉金凱、陶連金等人應(yīng)用數(shù)值模擬軟件分析了綜放采場(chǎng)上覆巖層的運(yùn)動(dòng)特征，研究了覆巖位移變化規(guī)律。但針對(duì)大采高綜采中不同采高對(duì)上覆巖層結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)特征方面的研究卻很少。為此，本文利用數(shù)值計(jì)算模型模擬分析了不同采高時(shí)上覆巖層結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)特征，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。

1  工程地質(zhì)概況

 山西某礦2-106回采工作面地表位于工業(yè)廣場(chǎng)西南部，地表形態(tài)屬低山黃土丘陵，以黃土梁、垣特征，黃土沖溝發(fā)育，工作面地表大部為農(nóng)田耕地，無(wú)建筑物，黃土覆蓋厚度20～80m，基巖厚430～490m。工作面井下相對(duì)位置為+80水平-采區(qū)的右翼，西南至三采區(qū)回風(fēng)巷保安煤柱，東北至-采區(qū)軌道巷保安煤柱邊界，西北、東南目前均未開(kāi)采。工作面地表標(biāo)高為530～638m，工作面標(biāo)高為75～125m。2-106工作面煤層平均厚度4.3m，傾角2～80，工作面沿煤層傾向布置，屬于傾斜長(zhǎng)壁工作面，采高在3. 8～5. 35m之間，工作面沿底推進(jìn)，采用傾斜長(zhǎng)壁全部垮落、一次采全高的采煤方法。

2數(shù)值計(jì)算模型的建立

 為了對(duì)大采高采場(chǎng)上覆巖層變形破壞及運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，采用UDEC2D計(jì)算程序，建立如圖1所示的數(shù)值計(jì)算力學(xué)模型。

 模型幾何尺寸為200m×100m，模型底部邊界約束豎直方向位移，左右兩邊邊界約束水平方向位移，設(shè)模型上部邊界以上覆巖轉(zhuǎn)化為均布載荷作用于模型上部邊界，計(jì)算采用莫爾一庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則。

巖層賦存情況及巖石物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

 建立不同采高采場(chǎng)數(shù)值分析模型來(lái)分析上覆巖層結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，探求大采高采場(chǎng)的覆巖運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。UDEC數(shù)值模型見(jiàn)圖2。

 工作面從左向右推進(jìn)，依次推進(jìn)5m，總共開(kāi)挖13步，推進(jìn)65m。比較分析采高分別為2m、3m、4m、5m、6m、7m時(shí)，采場(chǎng)上覆巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在工作面上方，布置3條水平測(cè)線監(jiān)測(cè)距離采空區(qū)垂直距離為h=4m,8m，14m位置處豎直位移分布情況，進(jìn)而分析冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶的分布。

 為便于比較研究不同采高采場(chǎng)采動(dòng)后上覆巖層結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)情況，建立以下六個(gè)UDEC數(shù)值模型：①煤層厚度2m;②煤層厚度3m;③煤層厚度4m;④煤層厚度5m;⑤煤層厚度6m;⑥煤層厚度7m。

 模型計(jì)算的具體目標(biāo)如下：根據(jù)巖層移動(dòng)變形規(guī)律和破壞程度，上覆巖層受采動(dòng)影響后大致分為三個(gè)不同的開(kāi)采影響帶，即冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。從數(shù)值模擬工作面推進(jìn)過(guò)程中覆巖移動(dòng)及其破壞情況，得出冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶的高度；比較普通采高和大采高開(kāi)采下覆巖運(yùn)動(dòng)及破壞規(guī)律的不同，得出大采高采場(chǎng)上覆巖層運(yùn)動(dòng)及破壞的特征。

3大采高厚煤層采場(chǎng)覆巖運(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu)數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1覆巖運(yùn)移規(guī)律

 根據(jù)上述建立的數(shù)值計(jì)算模型，工作面開(kāi)始回采，模擬工作面自開(kāi)切眼回采至70m，由于篇幅有限，文中僅給出工作面老頂初次斷裂時(shí)的覆巖示意圖，由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)工作面推進(jìn)至35m時(shí)，老頂初次斷裂，因此選取工作面推進(jìn)35m時(shí)的覆巖運(yùn)移狀態(tài)進(jìn)行分析，采高為2m、3m、4m、5m、6m、7m等條件下的采場(chǎng)覆巖運(yùn)移狀態(tài)見(jiàn)圖3。

 由圖3知，工作面推進(jìn)35m時(shí)，老頂初次破斷，此時(shí)采高不同上覆巖層結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出差別。

 測(cè)線1*層位處，位移最大值位于采空區(qū)中部，采高為2 m 時(shí)，位移最大值為1.4m。隨著采高加大，最大位移值增大，采高7m時(shí)，達(dá)到6.5m。該層位巖層位移值均較大，結(jié)合位移云圖可知，進(jìn)入垮落帶，采高2～7m，1-2號(hào)巖層均為垮落帶。

 測(cè)線2*層位處，位移最大值位于采空區(qū)中部，采高為2m時(shí)，位移最大值為8cm，采高為3m時(shí)，最大位移值為10cm。當(dāng)采高增加到4m時(shí)，位移值突然增加，采高4m時(shí)，最大位移值達(dá)到3.2m;采高5m時(shí)，最大位移值為4.3m;采高6m時(shí)，最大位移值為5. 2m;采高7m時(shí)，達(dá)到6m，表明采高大于4m時(shí)該層位巖層垮落。采高較小時(shí)，該層位巖體作為基本頂彎曲下沉后與采空區(qū)矸石接觸，并作為結(jié)構(gòu)繼續(xù)承載。采高增大后，不能形成結(jié)構(gòu)，斷裂、垮落，進(jìn)入垮落帶。

 測(cè)線3*層位處，位移最大值位于采空區(qū)中部，采高為2m時(shí)．位移最大值為6cm;采高3m時(shí)，位移最大值為8cm;采高4m時(shí)，位移值為10cm;表明該層位巖層未進(jìn)入垮落帶。隨著采高加大，位移值增大，采高為5m時(shí)，位移值突然增加，達(dá)到4m;采高6m時(shí)，達(dá)到4.8m;采高7m時(shí)，達(dá)到5.5m，表明采高大于5m后，該層位巖層進(jìn)入垮落帶。

 采高為2m時(shí)，冒落帶高度為4m;采高3m時(shí)，冒落帶高度為4m;老頂破斷后與下方已冒落直接頂接觸，冒落帶不再向上發(fā)育，其上方有離層發(fā)育。采高大于4m后，老頂破斷后不能形成結(jié)構(gòu)，其上軟巖層隨之向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入垮落帶，冒落帶高度增加。采高4m時(shí)，冒落帶高度為9m（1-4號(hào)巖層）；采高5m時(shí)，冒落帶高度為13m（1-6號(hào)巖層）；采高6m時(shí)，冒落帶高度為13m（1-6號(hào)巖層）；采高7m時(shí)，冒落帶高度為16m（1-7號(hào)巖層）。

 由以上分析可知，工作面推進(jìn)35m時(shí)，老頂初次破斷，小采高時(shí)，老頂巖塊能形成結(jié)構(gòu)繼續(xù)承載；采高增大后，原可作為結(jié)構(gòu)的老頂不能自身平衡進(jìn)入垮落帶，其上軟巖隨之進(jìn)入垮落帶。采高增大后，上覆巖層運(yùn)動(dòng)更加劇烈，采動(dòng)影響的范圍加大且上覆巖層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

3.2  不同采高的工作面覆巖結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

3.2.1  冒落帶

 根據(jù)前面的分析，得到冒落帶高度隨采高變化示意圖見(jiàn)圖4。

 由圖4可知，采高增大后，冒落帶高度升高，直接頂厚度增加，但是冒落帶高度與采高關(guān)系不是線性的，而是呈現(xiàn)出折線的特點(diǎn)，在拐點(diǎn)處的突變與上覆巖層的關(guān)鍵層控制作用有關(guān)。

3.2.2  離層

離層最大值隨采高的變化情況見(jiàn)圖5。

 由圖5可知，從整體上而言，裂隙帶的高度、離層最大值隨著采高的增加而增加，原因在于采高增大后，為上覆巖層的運(yùn)動(dòng)破壞提供了足夠的運(yùn)動(dòng)空間，覆巖運(yùn)動(dòng)的范圍和劇烈程度加大。

4現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)

 通過(guò)在2-106大采高工作面頂板布置煤巖深基點(diǎn)的方法，研究回采過(guò)程中覆巖運(yùn)移規(guī)律。觀測(cè)設(shè)備主要由山東尤洛卡儀器公司生產(chǎn)的圍巖移動(dòng)檢測(cè)儀和手工制作的深基點(diǎn)錨爪兩部分組成。如圖6所示。在切眼前方煤層頂板內(nèi)布置監(jiān)測(cè)基點(diǎn)，布置方案如表2所示。

 將在線監(jiān)控系統(tǒng)收集的深基點(diǎn)測(cè)點(diǎn)位移隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)與工作面推進(jìn)距離隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)相擬合，得到的深基點(diǎn)測(cè)點(diǎn)隨工作面推進(jìn)度的位移變化曲線見(jiàn)圖7。

 安裝過(guò)程中，當(dāng)工作面推進(jìn)至距開(kāi)切眼15m位置，工作面后方的直接頂開(kāi)始發(fā)生塌落，但是支架的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示支架的工作阻力沒(méi)有明顯的大幅度攀升，因此推斷15m只是直接頂初次垮落的極限距離，而不是老頂?shù)某醮螖嗔巡骄�。如圖7所示，深基點(diǎn)S50安裝在距離開(kāi)切眼22m、距離煤層頂板10m高的頂板內(nèi)部，當(dāng)工作面推進(jìn)至距離開(kāi)切眼29m時(shí)，S50測(cè)點(diǎn)的位移突然增大，直至最大量程300mm，并保持不變。初步推斷工作面老頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距為30m;當(dāng)工作面推進(jìn)至30m時(shí)，煤層頂板上方10m處的深基巖已有位移，且呈突然增大趨勢(shì)，說(shuō)明此處的巖塊是突然下沉的，所以認(rèn)定冒落帶已發(fā)展至頂板上方10m處，與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果相近。

5結(jié)  論

 本文以某煤礦2-106大采高工作面為工程背景，通過(guò)數(shù)值計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，得出了以下結(jié)論。

1)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析可知，采高增大后，上覆巖層運(yùn)動(dòng)更加劇烈，采動(dòng)影響范圍增大，冒落帶高度非線性上升。隨著采高增大，煤壁片幫的趨勢(shì)增加，裂隙帶的高度、離層最大值隨著采高的增加而增加。

2)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試可以得知，102工作面老頂初次破斷距為30m，冒落帶高度不小于10m，與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相近，證明了數(shù)值計(jì)算的可行性。