長(zhǎng)溝峪煤礦大傾角中厚煤層變薄帶的頂板壓力

孫廣義, 陳 剛, 王興華

(1.黑龍江科技學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院,哈爾濱 150027;2.北京昊華集團(tuán)公司,北京 100000)

長(zhǎng)溝峪煤礦大傾角中厚煤層變薄帶的頂板壓力

孫廣義1, 陳 剛1, 王興華2

(1.黑龍江科技學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院,哈爾濱 150027;2.北京昊華集團(tuán)公司,北京 100000)

大傾角煤層開(kāi)采后,受采空區(qū)冒落矸石下滑充填的影響,特別是工作面中部煤層變薄帶的影響,工作面頂板巖層的變形、破壞和運(yùn)動(dòng)形式不同于其他煤層。以長(zhǎng)溝峪大傾角煤層變薄帶頂板壓力觀測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬方法,分析該煤層頂板壓力特點(diǎn)。數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)分析均顯示工作面煤層變薄帶下部頂板壓力大。這為相近條件下采煤工作面頂板支護(hù)設(shè)計(jì)提供了技術(shù)指導(dǎo)。

煤層變薄帶;大傾角;矸石充填;頂板

Abstract:This paper introduces an insight into the steeply dipping seamswhich following the mining operation,are subjected to the defo rmation,destruction and movement occurring in roof rock in the differentway from other coal seam,due to the impact of waste rock falling down from Gob,especially the thinner zone of coal face at the medium steep seam.The approach involves an analysis of the character of roof pressure at steeply dipping seam,based on observation pressure data of the similar geological condition in Changouyu and combined with the numerical s imulation method.Both numerical s imulation and experimental analysis show that the lowerpartof thinner zone of coal face is exposed to a higher roofpressure.This research provides technical guide for roof support designed for coal faceswith the similar conditions.

Key words:thinner zone of coal seam;large inclined angle;waste-filling;roof

大傾角煤層一般指煤層傾角 35°～55°的煤層,煤層變薄帶則指沿傾斜方向工作面中部煤層厚度小,上下端頭厚度大且頂板平整、底板隆起的煤層。受煤層傾角與巖層傾斜分力的影響,采空區(qū)中、上部冒落矸石下滑充填至采空區(qū)下部。由于工作面中部煤層厚度小、直接頂冒落高度小、矸石下滑充填的數(shù)量少,影響矸石充填距離。工作面開(kāi)采后,受采空區(qū)矸石充填與非充填范圍的影響,頂板壓力表現(xiàn)出與緩傾斜煤層不同的特點(diǎn)[1-2]。筆者通過(guò)對(duì)長(zhǎng)溝峪煤礦大傾角中厚煤層的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),研究工作面煤層變薄帶下部頂板壓力的變化,以期為相近條件的頂板支護(hù)設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 受力分析

1.1 矸石充填長(zhǎng)度與煤層傾角

大傾角煤層采用走向長(zhǎng)壁方法開(kāi)采時(shí),采空區(qū)冒落矸石受其自重分力的作用向下滑動(dòng),充填至采空區(qū)下部,影響頂板壓力分布狀態(tài)。采空區(qū)充填長(zhǎng)度受工作面斜長(zhǎng)與煤層傾角的影響,其統(tǒng)計(jì)參數(shù)關(guān)系為[1,3]:

式中:s——采空區(qū)充填距離;

α——煤層傾角,>36°;

L——工作面長(zhǎng)度;

h1——直接頂厚度;

d——煤層厚度。

式 (1)表明,煤層傾角越大,采空區(qū)冒落矸石的下滑力越大,采空區(qū)下部充填距離也長(zhǎng),對(duì)頂板的支撐效果就更好。工作面長(zhǎng)度大,采空區(qū)冒落的矸石數(shù)量多,矸石下滑充填的數(shù)量大,充填的距離長(zhǎng)。同時(shí),采空區(qū)矸石充填受直接頂厚度與煤層厚度比 k的影響,當(dāng) k>0.5時(shí),大傾角冒落矸石一般不下滑。工作面中部煤層變薄,影響采空區(qū)下部的充填距離。

采空區(qū)下部受矸石充填影響,直接頂僅有初期小量的下沉,待冒落矸石被壓實(shí)后直接頂下沉量受到限制,一般不發(fā)生冒落現(xiàn)象,頂板壓力較小。采空區(qū)上部直接頂發(fā)生冒落、矸石下滑,沒(méi)有形成充填區(qū)域,頂板壓力變化較大[4]。

1.2 基本頂

大傾角煤層傾斜方向基本頂斷裂結(jié)構(gòu)特征,限制了基本頂走向結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)與失穩(wěn)。在傾斜分力的影響下,大傾角煤層工作面的周期來(lái)壓一般顯現(xiàn)不明顯。

工作面基本頂在巖層自重與強(qiáng)度的作用下[5],一般沿傾斜方向巖梁會(huì)斷裂形成 2～4塊的砌體梁。工作面最下部的斷裂巖梁位于矸石充填的范圍內(nèi),其他斷裂巖梁則位于非充填范圍內(nèi)。斷裂巖梁互相鉸接形成砌體梁結(jié)構(gòu),完成頂板壓力傳遞功能。非充填部分的砌體梁結(jié)構(gòu)的一個(gè)拱腳位于采空區(qū)被充填矸石附近,另一個(gè)巖梁拱腳位于采空區(qū)上部煤柱側(cè),使冒落充填矸石與上部煤柱的基本頂受力狀態(tài)復(fù)雜,承擔(dān)的壓力較大。三巖梁力學(xué)模型如圖 1所示。

圖 1 大傾角煤層傾向三巖梁結(jié)構(gòu)力學(xué)模型Fig.1 Structure mechan icsmodel of incline coal among three rocks

式中:Li——基本頂巖梁長(zhǎng)度;

h——基本頂厚度;

K——矸石充填系數(shù)。

對(duì)式(2)分析可知,大傾角煤層基本頂巖梁擠壓力的特點(diǎn)為 pi+1>pi[7],即下一鉸接點(diǎn)的推力大于上鉸接點(diǎn)[8]?；卷敂嗔褞r梁上拱腳處擠壓力p1最小,下拱腳處擠壓力 p4最大。p4點(diǎn)的擠壓力最大,但處在冒落矸石充填區(qū)域內(nèi),頂板回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)被限制,下沉量很小。

因工作面中部煤層變薄,基本頂下沉距離小,引起巖梁間運(yùn)動(dòng)回轉(zhuǎn)角度θ2小。根據(jù)式 (2),回轉(zhuǎn)角度θ2小,使擠壓力 p3小,平衡基本頂?shù)募魬?yīng)力小,頂板易發(fā)生滑落失穩(wěn)。

據(jù)式 (3)、(4)[5],τ3>τ2。τ3處在采空區(qū)冒落矸石充填與非充填之間的范圍,基本頂運(yùn)動(dòng)不受充填矸石的限制,而受巖梁回轉(zhuǎn)角度的影響。

影響基本頂平衡與失穩(wěn)的主要參數(shù)是巖梁間擠壓力 pi、剪切力τi與巖梁的回轉(zhuǎn)角度θi。在相同的條件下,p3小、τ3大,達(dá)到 p3tanφ>τ3(φ為巖石內(nèi)摩擦角)的平衡能力小,即在煤層變薄帶下部,基本頂回轉(zhuǎn)角度θ2小,引起的擠壓力 p3平衡剪切應(yīng)力τ3的能力小,易形成滑落失穩(wěn),也是煤層變薄帶下部頂板壓力大的主要原因。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型條件

長(zhǎng)溝峪煤礦工作面煤層傾角 34°～48°,平均38°;工作面長(zhǎng) 84 m;煤層厚度 1.2～3.9 m,平均2.0 m;工作面中部煤層厚度最小,上下端頭煤層厚度大。采用 ZH1600-16-24Z型整體頂梁組合支架支護(hù),爆破落煤。煤層厚度小于 1.6 m時(shí)采用臥底方法通過(guò),超過(guò) 2.3 m時(shí)利用留底煤方法回采。模型寬度取 200 m,高度取 150 m。模型中煤巖層力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表 1。

表 1 煤巖層力學(xué)參數(shù)Table 1 Parameter of coal-series strata mechan ics

2.2 結(jié)果分析

針對(duì)所建立的模型,通過(guò)非線性有限元分析得到工作面上覆巖層的應(yīng)力分布情況,如圖 2所示。

圖 2 大傾角煤層變薄帶頂板沿傾斜方向的應(yīng)力分布曲線Fig.2 Roof pressure distributing to dip charts of large inclined angle coal seam thinn ing zone

由模型分析結(jié)果可以看出,工作面上、下端頭煤柱壓力最大。在大傾角工作面中部煤層變薄情況下,變薄帶下部應(yīng)力值升高,即距工作面下端頭 45 m處煤層最薄時(shí),頂板壓力在煤層變薄帶下部升高。工作面下部與上部頂板壓力最大相差 40 kN。

3 實(shí)測(cè)分析

長(zhǎng)溝峪煤礦回采工作面采用 YHY60(B)型礦用數(shù)字壓力計(jì)、KBJ-60 III-2型礦用數(shù)字壓力數(shù)據(jù)采集器收集數(shù)據(jù)。

工作面支架編號(hào)從工作面下端頭依次排序。各頂板壓力測(cè)點(diǎn)連續(xù)觀測(cè) 20 d,觀測(cè)結(jié)果如圖 3所示。

由圖 3可以看出,采空區(qū)下部充填長(zhǎng)度 20 m,充填效果較好的僅有 15 m左右。工作面“三鉸拱”結(jié)構(gòu)的第二個(gè)巖梁的下拱腳位于 25#支架上部,處于采空區(qū)矸石非充填范圍內(nèi),引起頂板壓力增大。工作面 5#支架處于采空區(qū)矸石充填范圍內(nèi),頂板壓力較小。15#、25#、35#支架處于煤層變薄帶的下部,觀測(cè)期間平均工作阻力分別達(dá)到 24.1、26.5與 23.4 MPa。工作面上部的 65#、75#支架工作阻力較小,平均值為 18.6 MPa,這與理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果一致。

圖 3 工作面實(shí)際壓力觀測(cè)曲線Fig.3 Observation curve of real pressure on coal face

4 結(jié) 論

(1)大傾角工作面采空區(qū)冒落矸石下滑充填距離受煤層傾角、工作面長(zhǎng)度與煤層厚度等因素的影響。頂板壓力分布不均勻,表現(xiàn)出非對(duì)稱(chēng)的狀態(tài)。當(dāng)工作面煤層中部變薄時(shí),因煤層厚度小、冒落矸石少,故采空區(qū)下部充填距離小。

(2)受煤層變薄帶的影響,基本頂運(yùn)動(dòng)下沉回轉(zhuǎn)角度小,巖梁間擠壓力小,剪切力大,形成工作面頂板下部壓力大、上部壓力小的狀態(tài)。

(3)基本頂斷裂巖梁處在煤層厚度變薄帶下部、采空區(qū)非矸石充填范圍時(shí),該范圍頂板壓力大,是工作面支護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域。

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(編輯 晁曉筠)

Roof pressure of thinner zone at thick coal seam with large inclined angle in Changgouyu

SUN Guangyi1, CHEN Gang1, WANG X inghua2
(1.College of Resource&Environment Engineering,Heilongjiang Institute of Science&Technology,Harbin 150027,China;2.Group ofBeijing Haohua,Beijing 100000,China)

TD355

A

1671-0118(2011)01-0040-04

2010-12-22

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51074068)

孫廣義 (1957-),男,遼寧省遼陽(yáng)人,教授,博士,研究方向:煤礦深部開(kāi)采,E-mail:sgy8866@sohu.com。