大傾角下綜合機(jī)械化開采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

大傾角下綜合機(jī)械化開采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

目前，綜合機(jī)械化開采一般適用于緩坡煤層。隨著煤炭開采時(shí)間的推移和開采強(qiáng)度的不斷增加，大型傾角煤層中的綜合機(jī)械化開采方法也越來越普遍。大型傾角綜合機(jī)械化開采是綜合機(jī)械化開采技術(shù)的發(fā)展方向和目標(biāo)，是煤炭行業(yè)的研究主題。在大傾角復(fù)雜的地質(zhì)條件下，研究了大傾角葉片結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和礦壓，這對(duì)安全高效開采技術(shù)的應(yīng)用、綜合開采的適用性、全球開采的潛力以及綜合開采的重要性具有重要意義。綜合開采和煤炭開采的ri。本文結(jié)合淮南礦區(qū)某礦大傾角復(fù)雜地質(zhì)條件下的綜采工作面,運(yùn)用FLAC5.02D數(shù)值模擬軟件建立巖層數(shù)值分析模型,模擬分析了大傾角綜采工作面的頂板垮落特征、圍巖應(yīng)力分布特征和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得出頂板垮落特征及圍巖應(yīng)力對(duì)綜合機(jī)械化采煤的影響,對(duì)同類條件下的煤層開采具有借鑒和指導(dǎo)意義.1煤層煤厚、底板、采區(qū)性質(zhì)56104工作面屬于淮南礦區(qū)某礦五水平六采區(qū)一階段B4回采工作面,位于F5和F6斷層之間,上限工程標(biāo)高-412m,下限工程標(biāo)高-506m,走向長(zhǎng)1000m,適合綜采走向長(zhǎng)900m,傾斜長(zhǎng)200m.本面所采B4煤層為結(jié)構(gòu)復(fù)雜的厚煤層,煤厚為1.2~4.0m,平均為3.2m,煤厚變異系數(shù)較大,局部有底鼓、變薄、夾矸插入體等.煤層傾角25°~32°,平均30°.B4煤層直接頂板為灰色砂質(zhì)泥巖,局部為粉砂巖,厚2~7m,平均為4.5m,向上為B5a(厚0~1.0m,平均0.5m),B5b(厚0~1.0m,平均0.4m)煤層,B5a與B5b層間距為1.5m,B5b煤層頂板為砂質(zhì)泥巖.B4煤層直接底板為灰色泥巖,塊狀結(jié)構(gòu),含大量植物根莖化石,厚2.0~5.0m.主要充水因素為上階段老塘水及構(gòu)造裂隙水,預(yù)計(jì)采區(qū)最大涌水量為12.0m3/h,正常涌水量為5.0m3/h.B4煤層屬煤與瓦斯突出危險(xiǎn)的煤層,且具有爆炸危險(xiǎn)性,自然發(fā)火期為3~6個(gè)月.2模型的構(gòu)建和分析2.1采動(dòng)應(yīng)力分析利用FLAC5.02D軟件對(duì)大傾角煤層開采過程中頂板垮落及圍巖應(yīng)力分布特征進(jìn)行模擬研究.模型網(wǎng)格劃分為24900個(gè)網(wǎng)格單元,且單元全部為四邊形參數(shù)單元,采用一次開挖的開采方式,B4煤層一次采全高,模擬走向長(zhǎng)壁工作面采空區(qū)在傾斜方向上的頂板垮落和采空區(qū)圍巖應(yīng)力分布規(guī)律.各巖層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示.采用傾向平面應(yīng)變模型,模型寬度為300m,兩端各留60m邊界煤柱,模型高度250m,B4煤頂?shù)装搴穸确謩e為60m.模型的底界和左、右邊界,采用零位移邊界條件,即:左右邊界:u=0,v≠0(u為x方向位移,v為y方向位移),即單約束邊界;下部邊界:u=v=0,為全約束邊界;上部邊界:不約束,為自由邊界,上部末模擬的巖層作為外載荷施加在模型的上邊界上.2.2模擬結(jié)果分析2.2.1工作面底板內(nèi)的垂直應(yīng)力.面煤層開采后,工作面圍巖的垂直應(yīng)力分布如圖1a所示.可知,工作面上區(qū)段底板內(nèi)的垂直應(yīng)力要大于下區(qū)段,工作面上區(qū)段頂板的垂直應(yīng)力降低區(qū)比下區(qū)段的偏大,并有向上發(fā)展的趨勢(shì).而在工作面底板中,工作面上區(qū)段底板內(nèi)的垂直應(yīng)力要大于下區(qū)段,上區(qū)段頂板的垂直應(yīng)力降低區(qū)比下區(qū)段的偏小,下區(qū)段應(yīng)力降低區(qū)逐漸向下發(fā)展.在工作面上端頭上幫底板圍巖由于承受上方巖層的自重,應(yīng)力在此較集中;下端頭顯現(xiàn)出下幫偏上方垂直應(yīng)力較集中.這說明傾斜工作面下端頭支架載荷要大于工作面其他區(qū)段,應(yīng)特別注意加強(qiáng)支護(hù),保證足夠的支架初撐力及工作阻力;而工作面上端頭更容易發(fā)生底鼓現(xiàn)象,底板的管理重點(diǎn)應(yīng)是工作面上端頭.2.2.2頂板水平應(yīng)力與頂板水平應(yīng)力分布特征煤層開采后圍巖的水平應(yīng)力分布情況如圖1b所示.由圖可知,傾斜工作面圍巖水平應(yīng)力分布特點(diǎn)為:工作面上區(qū)段頂板水平應(yīng)力小于工作面下區(qū)段頂板水平應(yīng)力,而在底板中的水平應(yīng)力大小恰好與頂板相反.在上下端頭,水平應(yīng)力在上端頭右下方底板和下端頭左上方幫部都較集中.這說明工作面下區(qū)段頂板在水平應(yīng)力的作用下更趨于穩(wěn)定,而工作面上區(qū)段更容易發(fā)生冒頂片幫現(xiàn)象,另外由于上端頭底板中的水平應(yīng)力明顯大于下端頭,也說明工作面上端頭更容易發(fā)生底鼓現(xiàn)象.所以傾斜工作面的頂?shù)装骞芾?都應(yīng)該把重點(diǎn)放在工作面的上端頭.2.2.3垂直位移與正位移的復(fù)合運(yùn)動(dòng)工作面煤層開采后,工作面圍巖的垂直和水平方向位移特點(diǎn)如圖2所示.由圖可知,傾斜煤層開采過程中,支架上方的巖層產(chǎn)生了水平位移與垂直位移的復(fù)合運(yùn)動(dòng).從垂直位移看,整個(gè)工作面具有明顯的不對(duì)稱特征,具體表現(xiàn)為越接近工作面上端頭垂直位移量越大,而越接近工作面下端頭則垂直位移量越小.從水平位移來看,整個(gè)工作面的位移量較均勻,都是正位移,向采空區(qū)空間運(yùn)動(dòng),其中上端頭水平位移出現(xiàn)正位移與負(fù)位移交錯(cuò)現(xiàn)象.3工程實(shí)踐3.1頂板周期來壓時(shí)間特征由于工作面在推進(jìn)過程中,受到煤層厚度變化、工作面傾斜、地質(zhì)構(gòu)造及推進(jìn)速度等各種復(fù)雜條件的影響,導(dǎo)致56104工作面頂板周期來壓表現(xiàn)出:工作面上和下部來壓步距略大于中上、中、中下部,且周期來壓時(shí)間不一致,即使在同一測(cè)區(qū),每次周期來壓步距也有差異.工作面基本頂4次周期來壓步距在6.3~18.4m之間變化,平均步距在9.9~15.0m.且來壓持續(xù)時(shí)間情況和步距大小分布特征基本能反映出數(shù)值模擬中工作面頂板的應(yīng)力分布特點(diǎn).3.2巷道表面位移速度特征由于數(shù)值模擬過程中得出工作面上下端頭壓力較大,尤其頂?shù)装遄冃屋^大,因此,在工作面回采過程中提前加強(qiáng)端頭支護(hù),加大單體支護(hù)密度和超前支護(hù)距離.通過在煤壁前方的回風(fēng)平巷內(nèi)設(shè)置頂?shù)装遄冃螠y(cè)點(diǎn),測(cè)出采動(dòng)影響下的巷道表面變形特征如圖3所示.由頂?shù)缀蛢蓭鸵平俣惹€可知,隨著工作面推進(jìn),巷道表面變形速度出現(xiàn)一定的波動(dòng)變化趨勢(shì),巷道累計(jì)移近量逐漸增大;工作面前方44~78m范圍內(nèi)巷道兩幫最大移近速度為16mm/d,頂?shù)鬃畲笠平俣葹?1mm/d;工作面前方30~44m范圍內(nèi)巷道兩幫最大移近速度為32mm/d,頂?shù)鬃畲笠平俣葹?9mm/d;距離測(cè)點(diǎn)5m時(shí),其兩幫移近速度為105mm/d,頂?shù)滓平俣葹?8mm/d,巷道兩幫累計(jì)移近量為437mm,頂?shù)装謇塾?jì)移近量為254mm.由此可知,工作面前方44m范圍內(nèi)受采動(dòng)影響,采動(dòng)對(duì)工作面前方的明顯影響區(qū)在30m范圍內(nèi),采動(dòng)對(duì)工作面前方的劇烈影響范圍在17m以內(nèi),且兩巷頂?shù)装遄冃蔚玫接行Э刂?3.3液壓支架選型工作面開采過程中冒落的頂板破斷巖塊向下滾落,形成采空區(qū)沿傾斜方向不同的充填特征,下部填實(shí),上部可能充填不實(shí),這不僅改變基本頂?shù)闹螚l件,而且基本頂破斷后下部板塊的失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)首先受到限制,并影響著整個(gè)破斷系統(tǒng)的后運(yùn)動(dòng)過程,這也是工作面下部礦壓顯現(xiàn)較上部緩和的原因,基本反映了模擬分析的結(jié)果.工作面液壓支架工作阻力分布情況如表2所示.由表2可知,工作面支架初撐力都達(dá)到額定值的86.3%以上,而循環(huán)末阻力表現(xiàn)為從中上往下逐漸升高,說明頂板壓力從上往下逐漸加強(qiáng),這與數(shù)值模擬結(jié)果吻合.另外,支架最大初撐力和循環(huán)末阻力都普遍大于額定值,說明液壓支架選型偏小.因此,應(yīng)選用較大型號(hào)的液壓支架,同時(shí)開采過程中,加大對(duì)中下部支架的安全管理.3.4工作面角度導(dǎo)致工作面失穩(wěn),導(dǎo)致工作面出現(xiàn)片幫、漏頂,上覆地層和上覆地層大傾角煤層開采過程中,對(duì)液壓支架,采煤機(jī)及其配套設(shè)備技術(shù)參數(shù)要求較高.如果液壓支架工作阻力不夠,很可能被壓死.同時(shí)工作面出現(xiàn)片幫、漏頂,嚴(yán)重時(shí)影響正?；夭珊腿藛T安全.工作面傾角變大導(dǎo)致上覆巖層作用到支架上的壓力有一定的角度,容易使支架產(chǎn)生下滑力,使其失穩(wěn).煤機(jī)在上行和下行過程中應(yīng)采取不同的采煤工藝,如果對(duì)煤機(jī)的牽引力、力矩等參數(shù)調(diào)整不當(dāng),容易發(fā)生抱砸或抱死現(xiàn)象.因此,對(duì)綜采設(shè)備的防滑裝置和液壓支架選型要求較高.3.5煤壁片幫防治煤層開采過程中,煤壁出現(xiàn)周期性片幫現(xiàn)象,尤其在頂板周期來壓期間煤壁片幫較為嚴(yán)重,且工作面中上部片幫深度比中下部要大,上部最大片幫深度達(dá)到2.5m左右.因此,為了防治煤壁片幫應(yīng)做到如下防范措施:①盡可能提高泵站的供液壓力,保證支架初撐力滿足要求;②保持正常工作面推進(jìn)速度,減小煤壁暴露時(shí)間;③加強(qiáng)對(duì)支架的管理,做到帶壓移架并及時(shí)調(diào)整支架,保證支架垂直頂?shù)装?④及時(shí)伸出伸縮梁和護(hù)幫板,護(hù)好新露出的頂板及煤幫.4巷道圍巖變形、支護(hù)方案1)傾斜工作面中上區(qū)段底板內(nèi)的垂直應(yīng)力要大于工作面下區(qū)段,而頂板上區(qū)段的垂直應(yīng)力降低區(qū)比工作面下區(qū)段的偏小;上區(qū)段頂板水平應(yīng)力小于工作面下區(qū)段頂板水平應(yīng)力,而在底板中的水平應(yīng)力大小恰好與頂板相反,且上下端頭圍巖變形較大.2)煤層開采過程中,老頂來