大傾角下綜合機械化開采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

大傾角下綜合機械化開采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

目前，綜合機械化開采一般適用于緩坡煤層。隨著煤炭開采時間的推移和開采強度的不斷增加，大型傾角煤層中的綜合機械化開采方法也越來越普遍。大型傾角綜合機械化開采是綜合機械化開采技術的發(fā)展方向和目標，是煤炭行業(yè)的研究主題。在大傾角復雜的地質(zhì)條件下，研究了大傾角葉片結構的特點和礦壓，這對安全高效開采技術的應用、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。本文結合淮南礦區(qū)某礦大傾角復雜地質(zhì)條件下的綜采工作面,運用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、圍巖應力分布特征和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,結合現(xiàn)場實測得出頂板垮落特征及圍巖應力對綜合機械化采煤的影響,對同類條件下的煤層開采具有借鑒和指導意義.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,上限工程標高-412m,下限工程標高-506m,走向長1000m,適合綜采走向長900m,傾斜長200m.本面所采B4煤層為結構復雜的厚煤層,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,塊狀結構,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造裂隙水,預計采區(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的煤層,且具有爆炸危險性,自然發(fā)火期為3~6個月.2模型的構建和分析2.1采動應力分析利用FLAC5.02D軟件對大傾角煤層開采過程中頂板垮落及圍巖應力分布特征進行模擬研究.模型網(wǎng)格劃分為24900個網(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)圍巖應力分布規(guī)律.各巖層物理力學參數(shù)如表1所示.采用傾向平面應變模型,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模擬結果分析2.2.1工作面底板內(nèi)的垂直應力.面煤層開采后,工作面圍巖的垂直應力分布如圖1a所示.可知,工作面上區(qū)段底板內(nèi)的垂直應力要大于下區(qū)段,工作面上區(qū)段頂板的垂直應力降低區(qū)比下區(qū)段的偏大,并有向上發(fā)展的趨勢.而在工作面底板中,工作面上區(qū)段底板內(nèi)的垂直應力要大于下區(qū)段,上區(qū)段頂板的垂直應力降低區(qū)比下區(qū)段的偏小,下區(qū)段應力降低區(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,應力在此較集中;下端頭顯現(xiàn)出下幫偏上方垂直應力較集中.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,應特別注意加強支護,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,底板的管理重點應是工作面上端頭.2.2.2頂板水平應力與頂板水平應力分布特征煤層開采后圍巖的水平應力分布情況如圖1b所示.由圖可知,傾斜工作面圍巖水平應力分布特點為:工作面上區(qū)段頂板水平應力小于工作面下區(qū)段頂板水平應力,而在底板中的水平應力大小恰好與頂板相反.在上下端頭,水平應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?都應該把重點放在工作面的上端頭.2.2.3垂直位移與正位移的復合運動工作面煤層開采后,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合運動.從垂直位移看,整個工作面具有明顯的不對稱特征,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,整個工作面的位移量較均勻,都是正位移,向采空區(qū)空間運動,其中上端頭水平位移出現(xiàn)正位移與負位移交錯現(xiàn)象.3工程實踐3.1頂板周期來壓時間特征由于工作面在推進過程中,受到煤層厚度變化、工作面傾斜、地質(zhì)構造及推進速度等各種復雜條件的影響,導致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,且周期來壓時間不一致,即使在同一測區(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力分布特點.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端頭支護,加大單體支護密度和超前支護距離.通過在煤壁前方的回風平巷內(nèi)設置頂?shù)装遄冃螠y點,測出采動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,巷道表面變形速度出現(xiàn)一定的波動變化趨勢,巷道累計移近量逐漸增大;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;距離測點5m時,其兩幫移近速度為105mm/d,頂?shù)滓平俣葹?8mm/d,巷道兩幫累計移近量為437mm,頂?shù)装謇塾嬕平繛?54mm.由此可知,工作面前方44m范圍內(nèi)受采動影響,采動對工作面前方的明顯影響區(qū)在30m范圍內(nèi),采動對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,上部可能充填不實,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)運動首先受到限制,并影響著整個破斷系統(tǒng)的后運動過程,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,這與數(shù)值模擬結果吻合.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,應選用較大型號的液壓支架,同時開采過程中,加大對中下部支架的安全管理.3.4工作面角度導致工作面失穩(wěn),導致工作面出現(xiàn)片幫、漏頂,上覆地層和上覆地層大傾角煤層開采過程中,對液壓支架,采煤機及其配套設備技術參數(shù)要求較高.如果液壓支架工作阻力不夠,很可能被壓死.同時工作面出現(xiàn)片幫、漏頂,嚴重時影響正常回采和人員安全.工作面傾角變大導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).煤機在上行和下行過程中應采取不同的采煤工藝,如果對煤機的牽引力、力矩等參數(shù)調(diào)整不當,容易發(fā)生抱砸或抱死現(xiàn)象.因此,對綜采設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到2.5m左右.因此,為了防治煤壁片幫應做到如下防范措施: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速度,減小煤壁暴露時間;③加強對支架的管理,做到帶壓移架并及時調(diào)整支架,保證支架垂直頂?shù)装?④及時伸出伸縮梁和護幫板,護好新露出的頂板及煤幫.4巷道圍巖變形、支護方案1)傾斜工作面中上區(qū)段底板內(nèi)的垂直應力要大于工作面下區(qū)段,而頂板上區(qū)段的垂直應力降低區(qū)比工作面下區(qū)段的偏小;上區(qū)段頂板水平應力小于工作面下區(qū)段頂板水平應力,而在底板中的水平應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