仰采工作面頂板移動特征的研究

惠興田,許 剛,馮 超,劉 偉

(1.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,陜西西安 710054;2.長慶科技工程有限責(zé)任公司,陜西西安 710021)

仰采工作面頂板移動特征的研究

惠興田1,許 剛1,馮 超1,劉 偉2

(1.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,陜西西安 710054;2.長慶科技工程有限責(zé)任公司,陜西西安 710021)

在應(yīng)用特殊采煤方法的情況下,使得頂板的移動特征有所不同,通過理論分析,并結(jié)合紅會四礦仰斜開采實例,研究了仰斜開采時頂板的一些移動特征,得出巖梁的自重和巖梁端部豎向反力是有利于基本頂?shù)钠屏?而端部水平擠壓力有利于阻止巖層的斷裂。

仰采工作面;頂板;移動特征;數(shù)值分析

Research on Roof M ovement Characteristic in Overhand M in ing Face

目前,我國大多數(shù)傾斜長壁工作面采用仰斜開采。近年來,傾斜長壁工作面在綜采、放頂煤采煤法中均有成功應(yīng)用,尤其有的礦區(qū)在大傾角傾斜長壁工作面綜采、放頂煤方面也作了大膽嘗試,積累了有益的成功經(jīng)驗。本文通過理論分析,并結(jié)合紅會四礦實例來說明仰斜開采時頂板移動特征,從而為確保煤礦開采的安全性提供可靠依據(jù)。

1 仰采技術(shù)

傾斜長壁回采工作面,按推進方向可分為仰斜和俯斜開采。當(dāng)煤層頂板破碎、煤質(zhì)較硬,或頂板淋水較大時,宜采用仰斜開采。

2 頂板穩(wěn)定性分析

2.1 直接頂穩(wěn)定性分析

在仰斜開采條件下,基本頂斷裂回轉(zhuǎn)以及由此引起的直接頂斷裂下滑,使工作面頂板處于難控狀態(tài)。尤其當(dāng)斷裂位于煤壁上方時,由于基本頂能形成自身平衡,因而直接頂?shù)姆€(wěn)定性控制是工作面頂板管理的重要內(nèi)容。

在仰斜開采條件下,隨仰斜角的變化,支柱的極限初撐力一是要確保頂板不離層;二是要確保力矩平衡使頂板不發(fā)生回轉(zhuǎn)推棚[1-3]。

(1)保持頂板不發(fā)生離層的極限初撐力由下式求得：

式中,Lz為柱距,m;Lp為排距,m;γ為直接頂密度;Σh為垮落帶直接頂厚度,m;β為工作面仰斜角;α為支柱迎山角;k為系數(shù),k=3.5。

(2)使控頂區(qū)頂板不發(fā)生回轉(zhuǎn),不產(chǎn)生推棚的極限初撐力由下式求得：

式中,Lk為初次來壓期間平均控頂距,m。

根據(jù)極限初撐力與工作面傾斜角的關(guān)系可得出：隨著工作面仰斜角的增大,保持頂板不離層所需的初撐力減小,而防止頂板回轉(zhuǎn)失穩(wěn)所需的初撐力卻在增大。根據(jù)前人研究,當(dāng)工作面仰斜角小于10°時,初撐力應(yīng)以控制頂板不離層為主,且隨仰斜角的減小所需初撐力增大;當(dāng)工作面仰斜角大于10°時,初撐力應(yīng)以防止頂板回轉(zhuǎn)下滑失穩(wěn)為主,且隨仰斜角增大所需初撐力增大。因此,只需要針對具體的開采條件,確定合適的初撐力就能保證直接頂?shù)姆€(wěn)定。

2.2 基本頂斷裂分析

傾斜長壁開采,回采工作面沿煤層傾斜方向推進,采用一對直截面沿短跨方向截取一單位寬度的巖梁[1-3]。如圖 1所示,圖中 Ma,Ra,Ta,Mb,Rb,Tb分別是巖梁兩端的支座反力。

由于基本頂巖梁在承載區(qū)斷裂后受到上覆巖層的約束,同時也受到自身幾何結(jié)構(gòu)尺寸的制約,因此,在承載區(qū)斷裂處的受力情況是復(fù)雜的,為研究方便,仍按固定梁來考慮。巖梁達到其強度極限斷裂后,由于梁兩端頭的上表面處受拉,使斷裂縫呈“V”形擴展,而其上表面受擠壓。梁體完全斷裂后,在原來的擠壓處形成鉸接,在鉸接處產(chǎn)生了強大的水平擠壓力,其斷裂后的力學(xué)模型如圖 2。

圖1 基本頂巖梁受力

圖2 巖梁斷裂后的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

式中,VA,VB分別是巖梁兩端豎向反力;FA,FB分別是巖梁兩端水平反力;L0為巖梁長度;且 L0=L1+L2;δ為巖梁最大撓度值;q為巖梁自重集度;h為巖梁高度;L′1和 L′2分別 L1和 L2在水平方向投影;L′0是 L0在水平方向投影。

基本頂初次斷裂后,隨工作面不斷向前推移,基本頂巖層發(fā)生有規(guī)律斷裂,這種現(xiàn)象是回采工作面不斷向前推進的結(jié)果。由基本頂初次斷裂模型可以看出,在極限平衡狀態(tài)下,如果工作面在拱腳的任何一方向前推進,那么工作面上方未斷裂巖體在其自重和拱腳作用力 V的作用下,就會開始彎曲下沉,從而使拱腳下移,兩拱腳的跨度擴大。這時可能出現(xiàn)下述 2種情況：

第一種可能是由于鉸腳的下沉,鉸接拱下移。在第一種情況下,基本頂初次斷裂后,隨工作面向前推進,采面上方未斷裂的基本頂巖體呈懸梁狀態(tài),對于傾斜長壁開采,仰斜推進時,基本頂及其上覆巖層的切向分力向著采空區(qū),這種結(jié)構(gòu)的巖體斷裂主要是受拉破壞,因此,切向分力有助于巖體的破壞。如圖 3所示。

圖3 傾斜開采基本頂呈懸臂梁的力學(xué)模型

由此可看出,仰斜開采時,在切向力 qsinβ的作用下,巖體斷裂后具有向采空區(qū)方向運動的趨勢,在其運動過程中,使斷裂裂縫拉大,不易與前方未斷裂巖體形成鉸接,從而使采場頂板下沉量和壓力增大,支架向后傾斜,端面距加大,煤壁片幫嚴(yán)重,甚至發(fā)生漏、冒頂事故,惡化了頂板條件。

在第二種情況下,巖體在鉸接轉(zhuǎn)動過程中,由于擠壓力 P的作用,鉸接處已被擠碎轉(zhuǎn)變?yōu)殂q接面,維持這種結(jié)構(gòu)的平衡主要是靠水平擠壓力和由此而產(chǎn)生的鉸接面間的摩擦力?；卷攷r體的力學(xué)模型如圖 4所示 ：

圖4 傾斜開采基本頂巖體鉸接的力學(xué)模型

從這種情況可以看出,仰斜開采時,切向分力qsinβ有助于基本頂巖層的破斷;而水平擠壓力 F使巖層受壓,從而阻止巖層的破斷;豎向反力 VB與集度荷載 qcosβ的作用方向一致,使得支撐端上表面拉應(yīng)力增加,也有助于基本頂巖層的破斷。

3 數(shù)值模擬

本次模型模擬根據(jù)紅會四礦 4704仰采工作面采區(qū)工程地質(zhì)特征和開采技術(shù)條件,對不同開采階段、不同開采長度煤層頂板位移和應(yīng)力分布、破壞狀態(tài)的影響進行數(shù)值模擬分析。本次數(shù)值模擬采用3D模型,根據(jù)具體情況只對基本頂進行模擬,模型長 530m,高 264m,寬度 75m。共劃分 16695個單元,19008個節(jié)點,煤層傾角 21.5°。

3.1 模擬結(jié)果及其分析

(1)位移分析 工作面位移量和頂板位移量隨工作面推進距離的變化情況,見圖 5和圖 6。從圖中可知：在傾斜煤層仰斜開采到 70m時,開采空間中部頂板的最大下沉量為 332mm,底板的最大隆起量為 499mm,并且隨著與開采空間的距離的增大,垂直方向的位移逐漸減小,同時,垂直方向的位移等值線變得越來越稀疏。工作面較開采區(qū)域中部產(chǎn)生更大的水平位移,并且工作面朝開采區(qū)域內(nèi)部傾斜,最大水平位移量達到 502mm;開采區(qū)域達到 340m時,開采區(qū)域內(nèi)最大下沉位移達到1967mm,最大水平位移為 770mm,同時工作面也是朝開采區(qū)域傾斜。

圖5 X方向位移

圖6 Z方向位移

(2)應(yīng)力分析 主要針對最大主應(yīng)力隨開采工作面推進距離的變化情況進行分析,得出頂板的移動特征。

從圖 7最大主應(yīng)力隨開采工作面掘進距離變化分布圖上可看出：當(dāng)沿煤層仰斜開采到 70m時,開采區(qū)域上部部分區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力,范圍可達到頂板以上 45m左右,最大拉應(yīng)力為 0.079MPa,根據(jù)自穩(wěn)隱形拱理論[5-6],在這個區(qū)域內(nèi)頂板很有可能發(fā)生垮塌;當(dāng)開采區(qū)域為 340m時,開采區(qū)域上部的拉應(yīng)力區(qū)域有所擴大,可達到 75m左右,而此時的最大拉應(yīng)力已達到 0.345MPa,也就是說這使頂板發(fā)生塌落的可能性加大,采空區(qū)垮塌。

圖7 最大主應(yīng)力隨開采工作面推進距離的變化

經(jīng)過以上分析可以看出,隨著仰采工作面的不斷向前推進,在采空區(qū)必然會發(fā)生坍塌,根據(jù)自穩(wěn)隱形拱理論可知,其坍塌的范圍不會無限制的擴大,最終會達到平衡,此外,自穩(wěn)隱形拱也會隨之?dāng)U大,但擴大的速度會逐漸減緩。這與理論分析的結(jié)果是一致的,都表明隨著開采空間的變大,基本頂巖層出現(xiàn)鉸接力學(xué)模式。由于頂板位移量加大使得巖梁端部水平擠壓力變大,阻止巖梁的斷裂,從而保證了頂板巖層的穩(wěn)定。

此外,當(dāng)開采范圍到達 340m時,頂板巖層的位移量將變得很大,出現(xiàn)懸臂巖梁這種情況,這與理論分析的情況也是一致的。

4 工程實例

4.1 工作面概況

紅會四礦 4704綜放工作面可采走向平均長75m,傾斜長 530m,開采深度 346.38～389.38m。直接頂和偽頂缺失,基本頂與煤層沖刷接觸,基本頂平均厚度 6.5m,含礫粗砂巖,淺灰色,成份以石英為主,次為風(fēng)化長石,全層含礫較粗,局部風(fēng)化,分選差,最大礫度 30mm。直接底為泥巖,平均厚度 1.05m,灰白色,泥質(zhì)膠結(jié),硬度差。老底為細(xì)砂巖,平均厚度 2.13m,灰綠 -灰白色,成份以石英為主,次為風(fēng)化長石,層面夾大量白超級大云母碎片,水平層理及斜層理發(fā)育,下部含煤屑夾煤線,分選中等,鈣質(zhì)膠結(jié),致密堅硬。煤層厚度為 6.2～11.8m,平均厚度 9.0m,密度 1.35t/m3,硬度系數(shù) f=1.8～2.2。外表包裹黃鐵礦薄膜,參差狀斷口,局部層理發(fā)育,在斷裂構(gòu)造牽引下,煤層破碎風(fēng)化成粉沫狀、團塊狀。

4.2 現(xiàn)場監(jiān)測分析

根據(jù)理論分析的結(jié)果,在紅會四礦主要針對頂板下沉量和工作面水平位移量隨工作面推進距離的變化情況進行了監(jiān)測,并將結(jié)果繪制成曲線。見圖8和圖 9。

圖8 頂板下沉量隨工作面推進距離的變化

由圖 8和圖 9可以看出：隨著開采區(qū)域的不斷增大,頂板的下沉量是越來越大,并且變化率變大,即,隨著工作面的不斷向前推進,其采空區(qū)必然會發(fā)生塌落,塌落較嚴(yán)重區(qū)域往往發(fā)生在開采區(qū)域的中部,并隨著工作面不斷向前推進,最終整個采空區(qū)將會垮塌。

圖9 工作面水平位移隨推進距離的變化曲線

然而,開采區(qū)域的最大水平位移往往發(fā)生在采空區(qū)的末端和工作面一端,同樣也是隨著開采區(qū)域的增大,其值變大,但變化較均勻,基本上呈線性變化。因此,可以得出,在沒有任何支護的情況下,采空區(qū)必然會塌落,其程度主要與開采區(qū)域的大小等因素有關(guān)。

可以得出監(jiān)測結(jié)果與理論分析是相互吻合的。

5 結(jié)論

通過理論研究并結(jié)合工程實例進行現(xiàn)場監(jiān)測,得出以下有關(guān)仰斜開采的結(jié)論：

(1)在進行仰斜開采時,頂板下沉量最大點隨著工作面不斷向前推移,其位置也不斷向工作面方向移動。

(2)巖梁的自重和巖梁端部豎向反力是有利于基本頂?shù)钠屏?而端部水平擠壓力有利于阻止巖層的斷裂。

(3)結(jié)合紅會四礦具體情況 (工作面仰角為21.5°),得出支柱的初撐力應(yīng)以防止頂板回轉(zhuǎn)下滑失穩(wěn)為主,且隨仰斜角增大所需初撐力增大。

(4)隨仰采工作面的不斷向前推進,由于頂板位移量加大使得巖梁端部水平擠壓力變大,阻止巖梁的斷裂,從而保證頂板巖層的最終穩(wěn)定性。

[1]張小軍 .大傾角仰斜開采采場頂板控制的研究 [D].安徽理工大學(xué),2005.

[2]林東才,耿獻文 .大傾角煤層傾斜長壁仰斜開采問題分析及技術(shù)措施 [J].煤炭科學(xué)技術(shù),2001,29(7)：1-2.

[3]徐景賢,程云鳳 .傾斜長壁工作面的礦壓顯現(xiàn)特點 [J].華北科技學(xué)院學(xué)報,2002,4(1)：9-10.

[4]惠興田 .巷道頂板中的自穩(wěn)隱形拱 [J].建井技術(shù),2000,21(5)：17-19.

[5]惠興田,韋正范,蘇培莉 .自穩(wěn)隱形拱的研究與應(yīng)用 [J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2006,33(6)：38-40.

TD322.1

B

1006-6225(2010)01-0085-04

2009-10-12

惠興田 (1958-),男,陜西大荔人,碩士,從事巷道穩(wěn)定機理和支護技術(shù)研究,創(chuàng)立自穩(wěn)隱形拱支護理論,獲多項技術(shù)專利。

王興庫]