錯層位關(guān)鍵層穩(wěn)定性研究

宋 平，李世超，趙景禮，樊志剛，李海亞

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京100083)

錯層位采煤法是由中國礦業(yè)大學(xué)(北京)趙景禮教授提出的，并獲得了國家發(fā)明專利。錯層位采煤法改變了傳統(tǒng)的巷道布置，將工作面進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷呈立體化布置，接續(xù)工作面進(jìn)風(fēng)巷布置在上一工作面的采空區(qū)下方[1]，具體布置如圖1所示。

1-區(qū)段進(jìn)風(fēng)巷； 2-上區(qū)段回風(fēng)平巷；3-丟失的三角煤柱；4-下區(qū)段運輸巷；5-區(qū)段回風(fēng)巷圖1 錯層位巷道布置圖

錯層位采煤法上覆巖層是如何運動的呢？與傳統(tǒng)巷道布置又有什么差別呢？目前對此研究比較少。隨著人們對采場上覆巖層運動規(guī)律的不斷深入研究，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵層在破斷前后以某種力學(xué)結(jié)構(gòu)對上覆巖層的變形和破壞中起主要控制作用[2]，研究上覆巖層的運動規(guī)律就要對采場上方關(guān)鍵層進(jìn)行研究，從而將問題轉(zhuǎn)化為對其關(guān)鍵層的研究。

1 錯層位關(guān)鍵層理論分析

關(guān)鍵層上部或全部巖層的變形是同步協(xié)調(diào)的，上部巖層的載荷由該關(guān)鍵層承擔(dān)。假設(shè)采場上方共有n層巖層，自采場上方第1層巖層起至上方第m(m≤ n)層巖層變形是同步協(xié)調(diào)的，則第1層巖層上承受的載荷集度為式(1)。

(1)

式中：Ei(i=1，2，…，m)為第i層巖層的彈性模量；hi(i=1,2，…，m)為第i層巖層的厚度。m+1層巖層要成為關(guān)鍵層須滿足剛度條件(式(2))。

q1(x)|m+1

(2)

山西某礦工作面上覆巖層實際情況如表1所示，通過式(1)、式(2)確定該礦首采工作面開采結(jié)束后，工作面上方20m處的粉砂巖2為關(guān)鍵層，上覆各巖層對該層的作用載荷：q1=173.7kPa，(q2)1=237.1kPa，(q3)1=258kPa，(q4)1=141.4kPa，(q4)1<(q3)1。粉砂巖2對上覆巖層起控制作用，粉砂巖2所受載荷為258kPa。

表1 山西某礦上覆巖層巖性參數(shù)

由于工作面的采高較大，破碎的矸石無法完全充填滿采空區(qū)，首采工作面還未斷裂的關(guān)鍵層四邊由實體巖層支撐，其力學(xué)模型可以簡化為四邊固支板結(jié)構(gòu)[3]。四邊固支板的彎矩見式(3)。

(3)

式中：q為堅硬巖層載荷；a，b分別為采場上覆巖層懸露的幾何邊界值；λ=b/a。隨著接續(xù)工作面的不斷推進(jìn)，關(guān)鍵層的跨度隨之不斷增加，當(dāng)關(guān)鍵層跨度達(dá)到某一臨界值時，關(guān)鍵層上的正應(yīng)力大于等于其抗拉極限強(qiáng)度時，即σmax≥[σ]時，關(guān)鍵層開始斷裂。其中σmax=Mmax/Wmax，Wz=b’h2/6，式中，b’，h分別為截面寬度與高度，b’取單位寬度。關(guān)鍵層開始斷裂的極限跨距如式(4)所示。

(4)

式中：h1，h2分別為關(guān)鍵層厚度及其承載上覆巖層厚度。

由式(1)～(4)計算得出式(5)。

(5)

結(jié)合該礦實際條件得出粉砂巖2關(guān)鍵層保持穩(wěn)定的極限跨距為b≤78m。

與傳統(tǒng)巷道布置相比，錯層位巷道布置由于取消了區(qū)段煤柱，接續(xù)工作面巷道布置屬于完全沿空巷道布置形式，與傳統(tǒng)留小煤柱沿空巷道布置形式有區(qū)別，進(jìn)風(fēng)巷道是在上一工作面采空區(qū)冒落矸石已穩(wěn)定狀態(tài)下開掘的，接續(xù)工作面頂板初次垮落前為三邊固支狀態(tài)，初次垮落后為工作面前方和工作面回風(fēng)巷一側(cè)為實體煤的兩邊固支，兩邊簡支板結(jié)構(gòu)。

工作面上覆巖層斷裂步距與簡支邊數(shù)成反比，且與λ有關(guān)，如圖2所示，當(dāng)λ≤0.3時，首采和接續(xù)工作面上覆巖層的垮落步距基本相同，當(dāng)λ>0.3時，接續(xù)工作面上覆巖層的極限跨距小于首采工作面上覆巖層的極限跨距[4]。

圖2 系數(shù)λ對極限跨距的影響

當(dāng)工作面推進(jìn)到某一臨界值時，關(guān)鍵層的跨度達(dá)到臨界值，關(guān)鍵層將會斷裂垮落，不再發(fā)揮關(guān)鍵層的作用，巖層將繼續(xù)向上發(fā)展尋求新的平衡，直到上覆某一巖層對其活動起控制作用為止，這種狀況周而復(fù)始，與傳統(tǒng)工作面相比，錯層位首采工作面和接續(xù)工作面的頂板連成一個整體，工作面之間的關(guān)鍵層呈現(xiàn)單一超長關(guān)鍵層特點[5]。

2 錯層位關(guān)鍵層FLAC3D數(shù)值模擬

在對錯層位上覆巖層進(jìn)行理論分析后，現(xiàn)對其進(jìn)行FLAC3D數(shù)值模擬分析，山西某礦煤層埋藏深度400m，3#煤層厚度為6m，煤層為近水平煤層，平均傾角為5°。煤層層理明顯，節(jié)理、裂隙發(fā)育，煤質(zhì)較好。工作面采用綜放開采，采高為3.0m，采放比為1∶1，工作面采用錯層位巷道布置。實驗?zāi)M分析以3#煤錯層位綜放工作面作為研究對象，模型模擬的煤層距離地面約400m，模擬各巖層參數(shù)如表2所示。

在不影響計算結(jié)果的前提下對模型進(jìn)行簡化，簡化后模型的尺寸為長×寬×高為314m×150m×86.5m，計算模型共劃分226080個單元，240877個節(jié)點。

表2 巖層參數(shù)表

2.1 首采工作面

錯層位首采工作面與傳統(tǒng)工作面相類似，工作面開挖后引起上覆巖層斷裂垮落，圖3為首采工作面推進(jìn)30m上覆巖層垂直位移分布云圖，上覆巖層垮落形態(tài)為拱形，隨著工作面的不斷推進(jìn)，上覆巖層的活動將不斷向上發(fā)展，直至該工作面關(guān)鍵層對上覆巖層的活動起控制作用為止。

錯層位首采工作面開采完后，上覆巖層的應(yīng)力分布云圖如圖4所示，首采工作面兩端產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力集中系數(shù)3，首采工作面回風(fēng)巷下方為應(yīng)力降低區(qū)，從圖5可以看出，首采工作面進(jìn)風(fēng)巷下方應(yīng)力降低40%以上，錯層位接續(xù)工作面進(jìn)風(fēng)巷布置在該處，只承受部分?jǐn)嗔褞r石的載荷，有利于巷道掘進(jìn)和維護(hù)。

圖3 首采工作面推進(jìn)30m上覆巖層垂直位移分布云圖

圖4 首采工作面開采完上覆巖層垂直應(yīng)力分布云圖

圖5 首采工作面開采完上覆巖層垂直應(yīng)力

2.2 接續(xù)工作面

隨著接續(xù)工作面的不斷開采，工作面懸露的邊界不斷增加，上覆巖層懸露跨距達(dá)到某一臨界值時，上覆巖層斷裂垮落，與首采工作面相比，接續(xù)工作面上覆巖層由三邊固支，一邊簡支發(fā)展為兩邊固支，兩邊簡支板結(jié)構(gòu)。沿工作面傾向布置測線，接續(xù)工作面上覆巖層的垂直應(yīng)力如圖6所示，從圖6中可以看出上覆巖層各自垮落步距。

圖6 沿工作面傾向上覆巖層垂直應(yīng)力

表3為錯層位首采和接續(xù)工作面上覆巖層垮落步距，接續(xù)工作面上覆巖層的跨距小于等于首采工作面上覆巖層跨距，且與工作面開采邊界有關(guān)，這與理論分析相符合。

表3 錯層位工作面巖層垮落步距

在接續(xù)工作面推進(jìn)45～50m時，首采工作面上的關(guān)鍵層的跨度超過其臨界值，關(guān)鍵層開始斷裂垮落，不再發(fā)揮關(guān)鍵層的作用，巖層活動將繼續(xù)向上發(fā)展，尋求新的關(guān)鍵層，直到上覆中砂巖對其上覆巖層起控制作用為止。

從圖7中可以看出由于錯層位巷道布置取消了區(qū)段煤柱，首采工作面和接續(xù)工作面的頂板將連成一個整體，錯層位兩工作面之間關(guān)鍵層變?yōu)閱我怀L工作面關(guān)鍵層。

接續(xù)工作面開采完后沿工作面走向上覆巖層的應(yīng)力如圖8所示，首采和接續(xù)工作面上覆應(yīng)力相差不大，兩工作面公共關(guān)鍵層支撐著上覆巖層重量。

在兩個工作面上方布置測線，上覆巖層下沉情況如圖所示，從圖9可以看出，由于首采和接續(xù)工作面搭接處上方巖層的垮落，兩工作面變?yōu)閱我怀L工作面，引起上覆較大范圍巖層的運動，錯層位上覆巖層越往上運動，巖層下沉的不均勻性逐漸減小，達(dá)到地表時，下沉是緩慢均勻的。

圖7 推進(jìn)60m首采和接續(xù)工作面上覆巖層應(yīng)力分布云圖

圖8 工作面開采結(jié)束首采和接續(xù)工作面上覆巖層應(yīng)力

圖9 接續(xù)工作面開采完后上覆巖層下沉圖

3 結(jié)論

錯層位首采工作面上覆巖層運動與傳統(tǒng)開采方法相類似，由于將接續(xù)工作面進(jìn)風(fēng)巷布置在上一工作面采空區(qū)下方，取消了區(qū)段煤柱，在開采接續(xù)工作面時，接續(xù)工作面上覆巖層運動有些特殊。

1)接續(xù)工作面上覆巖層由四邊固支板結(jié)構(gòu)變?yōu)槿吂讨В贿吅喼О褰Y(jié)構(gòu)，上覆巖層的垮落步距較首采工作面的小，且與工作面懸露幾何值有關(guān)。

2)錯層位首采工作面上覆巖層的垮落形態(tài)為拱形，首采工作面上覆關(guān)鍵層控制著上覆巖層的活動；首采工作面開采完之后，錯層位接續(xù)工作面進(jìn)風(fēng)巷布置在上一工作面采空區(qū)下方，處于應(yīng)力降低區(qū)，有利于巷道掘進(jìn)和維護(hù)。

3)錯層位首采和接續(xù)工作面的頂板連成一個整體，隨著接續(xù)工作面不斷開采，首采和接續(xù)工作面之間的公共關(guān)鍵層位置不斷升高，直至地表，表現(xiàn)為單一超長工作面關(guān)鍵層的特點，引起上覆巖層較大范圍內(nèi)的移動。

4)錯層位兩個工作面上覆巖層的運動越往地表下沉越緩慢均勻，與傳統(tǒng)工作面相比，錯層位巷道布置工作面地表的下沉是緩慢均勻。

[1] 趙景禮.厚煤層全高開采新論[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2004.

[2] 錢鳴高,繆協(xié)興,許家林.巖層控制中的關(guān)鍵層理論[J].煤炭學(xué)報,1996,21(3):225-230.

[3] 付寶連.彎曲薄板功的互等新理論[M].北京:科學(xué)出版社,2003.

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[5] 王志強(qiáng),趙景禮，張寶優(yōu)，等.錯層位巷道布置放頂煤開采關(guān)鍵層的穩(wěn)定特征[J].煤炭學(xué)報，2008,33(9):961-965.