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特厚煤层综放工作面顶板破断及围岩应力分析

2024-09-02 82 上传者：管理员

摘要：针对特厚煤层综放工作面矿压显现强、顶板治理的难题，以梨园河煤矿51104综放工作面为背景，通过理论和数值仿真，对工作面推进过程中的顶板破断特性及围岩应力演化进行了研究。极限跨距计算求得基本顶初次破断步距为33.7 m；通过FLAC3D软件分析工作面推进过程中围岩应力规律及塑性区变化，得到基本顶初次破断步距为30～35 m，与理论分析结果相符。

关键词：
初次破断步距
数值模拟
机械化放顶煤
理论分析
综放工作面
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随着综合机械化放顶煤技术的发展，我国综采工作面的开采厚度、开采强度不断增加，随之而来的是矿压显现更加强烈，顶板管理难度增大。顶板事故是煤矿重大灾害之一，特别是大采高综放工作面，矿压显现规律复杂，顶板事故难以预测，易出现工作面压架、冒顶、煤壁片帮等事故，严重威胁矿井的安全高效生产。通常国内外学者对特厚煤层综放工作面顶板破坏的研究方法主要包括理论计算、数值模拟和现场检测法。这3种方法各有各的优点，数值模拟和理论计算可以提前预测，制定最优的方案；而现场检测能够对开采过程进行实时的检测，预防灾害的发生。梨园河煤矿51104综放工作面煤层属于特厚煤层，厚度达到15.6 m，采放比为1∶4.57，需对工作面顶板安全性进行分析。为此，本文通过建立特厚煤层顶板破断模型，对顶板初次破断位置进行研究，并将理论结果与现场实测进行对比验证。

1、工程背景

51104工作面为梨园河煤矿综放工作面，属于511采区，地面标高为+1 654～+1 813 m，工作面标高为+1 338～+1 380 m，平均埋深430 m，可采长度为730 m，倾向长为200 m,51104回采工作面煤层近似东西走向，煤层沿倾向的倾角为9°～13°，平均11°。

5#煤层在井田中南部和南部与6#煤层合并，煤层厚度增加。5#与6#煤层合并开采，平均厚度为15.6 m。51104工作面的直接顶是由一层厚度为5.37 m的砂泥岩和9.83 m厚的粗砂岩构成的，煤层顶、底板情况如图1所示。

图1煤层顶、底板岩层

2、数值模拟分析

(1）数值模型建立

基于梨园河煤矿51104综放工作面的地质条件，采用Rhino建立地质三维模型后导入FLAC3D软件进行数值计算，模拟工作面回采过程中顶板塑性区演化规律和工作面围岩应力的分布。模型尺寸245 m×200 m×150 m，模型分为3个方向：x方向为工作面走向，y方向为工作面倾向，z方向为竖直方向；对煤层上下40 m范围进行加密处理，煤层沿倾向的倾角为11°。数值计算模型如图2所示。采用Mohr-Coulomb本构模型进行计算分析。煤层顶、底板及各岩层物理力学参数如表1所示。

图2数值模拟计算模型

表1工作面顶、底板煤岩物理力学参数

(2）不同推进距离塑性区分布

工作面进行回采后，塑性区的分布能够直观地反映顶板的破坏状态和区域，进而可以对顶板的初次破断步距进行判断。数值模型初始平衡后，为消除边界效应，在模型两边分别设置30 m的煤柱，不同推进距离工作面塑性区变化如图3所示。

图3不同推进距离工作面塑性区变化

从图3可以看出，在工作面推进的早期，顶板塑性区只有4 m左右，而在工作面的前部则有3 m左右的煤壁破裂；顶板塑性区的发展深度随工作面推进而不断加大。在工作面推进到10 m时，在大面积的直接顶上发生了大面积的塑性破断，并且在煤壁前方3.5 m处形成了一个剪切破裂区；工作面推进至到20 m后，顶板塑性破断区域发展到了中-下段，直接顶为剪切与拉伸复合损伤，在煤壁前方5 m范围内形成了剪切破裂区；在开采到30 m后，顶板塑性区已经发展到了基本顶上方，而在采场的前端则发生了小范围的张裂；在工作面推进到35 m时，塑性区已经贯穿了基本顶，可认为基本顶发生了垮落。综上所述，当工作面推进30～35 m时，基本顶发生了初次垮落。

(3）工作面回采后垂直应力演化规律

工作面回采后，围岩应力场重新分布，在工作面前方造成应力集中，形成超前支承应力，并向工作面前方传递，通过分析工作面回采后的围岩应力分布，有利于更好地掌握矿压显现规律。不同推进距离工作面围岩的垂直应力分布规律如图4所示。工作面回采后，采空区周围围岩垂直应力分布存在明显的对称特性，在工作面上下围岩形成应力释放区，采空区中部顶、底板应力释放最为充分，并以此为中心，向深部围岩传递拱形应力递增圈，在其上覆岩层出现7.5 MPa以下的极低应力区域；由于垮落矸石未能对关键层结构起刚性支撑作用，因此岩层载荷迅速转移至煤壁处，引起工作面前方出现应力集中区域。不同推进距离超前支承压力分布规律如图5所示。

由图4、图5可知，工作面推进10 m时，在工作面前方0～4 m是卸压区，在6～15 m存在着应力集中，其最大应力值为15.08 MPa,应力集中系数为1.49，超前支护的应力区域为50 m；在20 m的工作面前方0～4 m为卸压区，6～15 m为最大应力集中区，最大应力为16.6 MPa，应力集中系数为1.64，超前支护的应力区域为55 m；在30 m的工作面前方0～4 m为卸压区，6～15 m为最大应力集中区域，最大应力和应力集中系数分别为17.9 MPa和1.77，超前支护的应力影响区为64 m；在35 m的工作面前方0～4 m为卸压区，8～15 m出现应力集中，最大应力和应力集中系数分别为18.13 MPa和1.79，超前支护应力影响范围为66 m，此时峰值应力增量相较于30 m仅为0.23 MPa，且应力峰值点距工作面距离增大，此时可认为工作面顶板发生断裂，顶板初次破断发生在工作面推进30～35 m。综上所述，超前支护的最大应力随着开采深度的增加而增加，推进至35 m时，峰值应力增量最小，同时应力峰值距煤壁距离增大，可认为此时工作面顶板发生破断。

图4不同推进距离应力分布规律

图5不同推进距离超前支承压力分布规律

3、上覆岩层强度条件及极限跨距计算

强度条件是指位于下部岩层的极限跨距Lx必须小于位于上部岩层的极限跨距Lx+1，即Lx<Lx+1，此处的岩层指的是经过载荷条件分析出的对应岩层。若Lx>Lx+1，则还要把第x+1层岩层所受的载荷再加至第x层岩层并重新计算Lx，如果经过重新计算后得出Lx<Lx+1，则取Lx=Lx+1并继续比较是否有Lx<Lx+2，若Lx<Lx+2，则第x层岩层会与第x+1层岩层同步破断，且第x层岩层的破断也会使第x层岩层到第x+2层岩层之间的岩层（不包括第x+2层）相继破断。

第x层岩层的极限跨距

式中h———第x层岩层的厚度；

RT———第x层岩层的抗拉强度；

q———第x层岩层所承受的载荷强度。

根据以上分析，将51104工作面地质条件带入式（1）得到顶板初次破断距L=33.7 m，和数值模拟的结果基本吻合。

4、结语

(1）针对51104综放工作面建立了一边固支、一边简支的特厚煤层综放工作面顶板初次破断模型，并求得解析解；

(2）求得基于此模型的特厚煤层综放工作面的基本顶初次破断步距表达式，得到51104工作面基本顶初次破断距离为33.7 m;

(3）数值模拟研究了51104综放工作面围岩应力演化规律和上覆岩层塑性区变化，当工作面推进至30～35 m时，基本顶发生破断，与理论分析结果相符。

参考文献:

[1]宁静,徐刚,张春会,等.综放工作面多区支撑顶板的力学模型及破断特征[J].煤炭学报,2020,45(10):3418-3426.

[2]徐刚,张春会,蔺星宇,等.基于分区支承力学模型的综放工作面顶板矿压演化与压架预测[J].煤炭学报,2022,47(10):3622-3633.

[3]侯文光,李飞.基于电阻率法的复合破碎顶板裂隙带研究[J].煤矿机械,2021,42(11):73-76.

[4]雷丰励.顶板裂隙带以孔代巷定向钻进技术的研究[J].煤矿机械,2022,43(10):68-71.

[5]梁家豪.顶板动态监测系统在陈四楼煤矿的应用[J].煤矿机械,2017,38(9):182-184.

[6]吴锋锋,岳鑫,刘长友,等.急倾斜特厚煤层开采覆岩结构演化特征及支架工作阻力计算[J].采矿与安全工程学报,2022,39(3):499-506.

基金资助:国家自然科学基金项目(51974007);

文章来源:张君宝,刘增辉,吴子扬,等.特厚煤层综放工作面顶板破断及围岩应力分析[J].煤矿机械,2024,45(09):68-70.

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期刊名称：煤矿机械

期刊人气：2105

期刊详情

主管单位：国家煤矿安全监察局

主办单位：哈尔滨煤矿机械研究所

出版地方：黑龙江

专业分类：煤矿

国际刊号：1003-0794

国内刊号：23-1280/TD

邮发代号：14-38

创刊时间：1980年

发行周期：月刊

期刊开本：大16开

见刊时间：1年以上

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