淺埋綜采工作面頂板巖層等步切落特征分析

李正杰，于海湧

(1.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院，北京100013;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013)

長(zhǎng)期以來，礦山壓力理論在埋深較大綜采工作面條件下得到了長(zhǎng)足和充分地發(fā)展，所建立的砌體梁、懸臂梁、關(guān)鍵層和壓力拱理論均得到了公認(rèn)并被接受，對(duì)我國(guó)綜采發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。然而近年來，我國(guó)大規(guī)模煤炭開采開始轉(zhuǎn)移到了內(nèi)蒙、陜北和新疆地區(qū)，2012年該區(qū)域的煤炭產(chǎn)量約占全國(guó)煤炭產(chǎn)量的三分之一，且開采強(qiáng)度越來越大，該區(qū)域最大的開采特征就是煤層屬于埋藏淺、基巖薄、厚風(fēng)積沙賦存條件，因此非常有必要在傳統(tǒng)礦壓理論的基礎(chǔ)上，深入研究淺埋綜采工作面頂板巖層垮落特征及來壓規(guī)律。

1 淺埋煤層頂板巖層垮落特征

通常認(rèn)為淺埋工作面頂板體現(xiàn)單一主關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)特征，來壓具有明顯動(dòng)載現(xiàn)象［1］，上覆巖層在運(yùn)動(dòng)過程中不能形成完整“三帶”，不能形成穩(wěn)定承載結(jié)構(gòu)［2－4］。其共同特點(diǎn)是隨著工作面推進(jìn)，頂板呈現(xiàn)周期性臺(tái)階下沉，且直接切落至地表。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在鄂爾多斯礦區(qū)支架被壓死的綜采工作面均是頂板切落形式。

圖1是神東公司榆家梁煤礦44305工作面對(duì)應(yīng)地表特征及對(duì)礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析后得到的周期來壓步距曲線，44305工作面煤層厚度為1.7～2.0m，上覆基巖厚度約12～38m，松散層厚度約30m，工作面長(zhǎng)度為300.5m，推進(jìn)長(zhǎng)度為2298.1m，圖中各支架壓力記錄儀沿工作面共分為3個(gè)測(cè)站，分別位于44305工作面的中上部45，46號(hào)支架 (對(duì)應(yīng)記錄儀編號(hào)1，2)、中部60，61，92，93號(hào)支架(對(duì)應(yīng)記錄儀編號(hào)3，4，5，6)和中下部132，133號(hào)支架 (對(duì)應(yīng)記錄儀編號(hào)7，8)。從初采到末采期間沿工作面走向根據(jù)地表地勢(shì)差異分析3個(gè)時(shí)期礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，各時(shí)期對(duì)應(yīng)的地表特征如圖1(a)所示。由于第Ⅰ時(shí)期與第Ⅱ，Ⅲ時(shí)期對(duì)應(yīng)地表地勢(shì)差異較大，表現(xiàn)出明顯不同的周期來壓步距特征，但在同一時(shí)期內(nèi)，工作面的周期來壓步距基本等長(zhǎng)，如圖1(b)所示。

圖1 榆家梁煤礦地表特征及周期來壓步距

圖2分別是采用CDW－60型支架壓力記錄儀和KJ216A/B型礦壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)際得到的神東公司石圪臺(tái)22上204－1綜采工作面、納林廟一號(hào)井316－2上04綜采工作面和納林廟二號(hào)井621－05綜采工作面在整個(gè)回采期間的平均周期來壓步距曲線圖，圖中各支架壓力記錄儀均按每10架支架布置1臺(tái)，編號(hào)由小到大分別對(duì)應(yīng)于工作面中下部(機(jī)頭)、中部和中上部 (機(jī)尾)位置，各礦綜采工作面的地質(zhì)條件穩(wěn)定，平均周期來壓步距在開采過程中大致相同。

圖2 各礦周期來壓步距

鄂爾多斯公溝煤礦4107綜采工作面回采4號(hào)煤層，賦存穩(wěn)定，近水平分布，埋深20～94m，煤層平均厚度3.04m，頂板為6.02m灰色細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖，所選支架為ZY6400/17/35型掩護(hù)式液壓支架。2013年7月周期來壓時(shí)工作面頂板沿煤壁整體切落，對(duì)應(yīng)地表出現(xiàn)明顯臺(tái)階下沉，支架安全閥大面積開啟，中部數(shù)部支架被壓死，支架側(cè)護(hù)板與刮板輸送機(jī)電纜槽擠壓受損嚴(yán)重，不得不升井維修。根據(jù)地面在線礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)顯示，中部支架立柱壓力普遍位于警戒值。

由此可見，淺埋、薄基巖、厚風(fēng)積沙工作面頂板垮落以切落破壞形式為主，在開采過程中具有明顯的等距離周期來壓規(guī)律，以此推論，淺埋工作面頂板巖層普遍具有“等距”切落特征。

2 滑動(dòng)切落體力學(xué)模型建立

淺埋薄基巖采場(chǎng)初次來壓后，隨著工作面向前推進(jìn)，采場(chǎng)基巖層形成宏觀“懸臂”結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)與上一來壓過程產(chǎn)生的破斷面接觸廣泛且緊密，回轉(zhuǎn)下沉空間非常有限，因此，“懸臂”破斷過程中拉應(yīng)力破壞不占主導(dǎo)地位。由于松散層承載能力弱，其重量將均勻作用于基巖層上部，加之基巖層自身重量，導(dǎo)致宏觀“懸臂”結(jié)構(gòu)最終的剪切破斷。頂板周期性發(fā)生整體切落式破斷后，宏觀“懸臂”結(jié)構(gòu)隨工作面推進(jìn)重新形成、擴(kuò)大，使得這一剪切破斷過程是必然發(fā)生的。

淺埋深薄基巖采場(chǎng)頂板巖層具有不同于較大埋深覆巖在拉應(yīng)力作用下，發(fā)生斷裂破壞形成各式假說結(jié)構(gòu)力學(xué)形式，其頂板巖層主要承受垂直剪切力，當(dāng)外界剪切力大于巖層最大抗剪強(qiáng)度時(shí)，頂板巖層發(fā)生切落式破壞，破壞范圍直接波及至地表，切落結(jié)構(gòu)具有整體性且非承載體，在此將其稱為切落體結(jié)構(gòu)，其不同于常規(guī)的砌體梁、懸臂梁和壓力拱結(jié)構(gòu)體保護(hù)工作面，而是將上覆載荷直接傳遞給支架，因此頂板巖層在發(fā)生切落破壞時(shí)，支架承受著整個(gè)切落體的重量和其上的風(fēng)積沙重量。

淺埋采場(chǎng)頂板切落角度與其巖層物理力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。對(duì)于淺埋薄基巖煤層，可將其上覆基巖層看作整體組合結(jié)構(gòu)，各組合巖層強(qiáng)度、剛度、層理、厚度等不同，其切落形式也不相同。針對(duì)剪切裂隙分割的直接頂巖層斷裂回轉(zhuǎn)趨向問題，煤炭科學(xué)研究總院史元偉將直接頂劃分為3種類型:R2型 (斷裂角α=90°)、R3型 (斷裂角α＜90°)、R4型 (斷裂角α＞90°)［5］。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)曹勝根研究直接頂變形破壞特征時(shí)視直接頂為可變性體，研究得出直接頂巖層破斷角與直接頂?shù)膹?qiáng)度和高度有關(guān)，軟弱直接頂破斷角遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于堅(jiān)硬直接頂破斷角，直接頂越硬，破斷角越小等結(jié)論［6］。鑒于此，對(duì)于厚層堅(jiān)硬巖層組合，頂板破斷面向后傾斜，破斷角小于90°，如圖3(a)所示，對(duì)于薄層松軟巖層組合，頂板破斷面向前傾斜，破斷角大于90°如圖3(c)所示，對(duì)于硬、軟復(fù)合型巖層組合，則介于前述二者之間，破斷面近似垂直向上，如圖3 (b)所示。結(jié)合開采實(shí)踐，可以將切落體形式劃分為3類，即超前切落體、垂直切落體和滯后切落體，如圖3所示。

3 切落體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)理論分析

由圖3可見，可以將切落體看作巨型巖塊，每個(gè)切落體除了自重G垂直向下作用于支架上外，還要傳遞風(fēng)積沙重力P。此外，由于巖塊與巖塊之間咬合和擠壓，在水平力T的作用下，產(chǎn)生一個(gè)向上的反力抵消部分G和P的值。也正是塊體之間接觸摩擦力的存在，使得支架在實(shí)際中只承受部分切落體重量和風(fēng)積沙重力。這一特點(diǎn)與常規(guī)的砌體梁、懸臂梁承擔(dān)部分上覆巖層載荷一樣，因此，在分析切落體對(duì)支架作用力時(shí)，最重要的因素是切落體垮落角度和切落面摩擦系數(shù)。

圖3 頂板不同切落體形式

圖4為典型切落體與支架相互作用受力模型，沿切落面和垂直于切落面方向按力學(xué)平衡關(guān)系計(jì)算。

圖4 切落體結(jié)構(gòu)受力

對(duì)于滯后切落體，有

得

再根據(jù)支架結(jié)構(gòu)，由幾何關(guān)系可求得支架立柱受力公式為:

同理，對(duì)于超前切落體，有

其中，

把上式帶入(4)并整理得

再由幾何關(guān)系得

式中，R立柱為支架立柱阻力，kN;R為沿切面方向頂板對(duì)支架作用力，kN;P為風(fēng)積沙重力，kN;G為切落體自重，kN;tanφ為切落面摩擦系數(shù);φ為巖體內(nèi)摩擦角，(°);α為基巖切落角，(°); T，T'為兩切落體間相互作用力，kN;β為支架頂梁與立柱夾角，(°);μ為支架支撐效率;ε為上一切落體對(duì)本切落體的作用力系數(shù)，邊界條件是當(dāng)α=90°時(shí)ε=0。

令α=90°，代入公式(3)或(7)，均可求出垂直切落時(shí)支架立柱受力的計(jì)算公式:

根據(jù)各切落體計(jì)算公式(3)、(7)、(8)易知，R立柱|α=90°＞R立柱|α＜90°，R立柱|α=90°＞R立柱|α＞90°，即巖層垂直切落時(shí)支架立柱受力要大于滯后切落和超前切落，垂直切落是最危險(xiǎn)的支架受力狀態(tài)，容易導(dǎo)致支架被壓死。當(dāng)α＜90°時(shí)，切落體重心遠(yuǎn)離工作面方向，支架受力作用點(diǎn)后移，頂梁受力不均，易造成支架的“高射炮”狀態(tài);當(dāng)α＞90°，切落體重心和支架受力作用點(diǎn)均前移，易造成頂板巖層沿煤壁發(fā)生切落，造成支架整體被壓死。因此，淺埋深薄基巖工作面支架選型時(shí)應(yīng)充分考慮上覆巖層可能產(chǎn)生的切落體形式。

4 結(jié)論

(1)淺埋綜采工作面頂板巖層具有明顯的“等步”滑動(dòng)切落特征，所表現(xiàn)出來的礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)是等距離周期來壓。該切落體不同于常規(guī)工作面上覆巖層中的懸臂梁、砌體梁及壓力拱等力學(xué)結(jié)構(gòu)，它不再承載上覆巖層重量，而是直接傳遞上覆巖層載荷。

(2)滑動(dòng)切落體可分3大類，超前切落體、垂直切落體和滯后切落體，垂直切落體最易導(dǎo)致工作面支架被壓死，滯后切落體最易導(dǎo)致支架處于“高射炮”狀態(tài)。

(3)在垂直切落體狀態(tài)下，淺埋支架的最小合理工作阻力是R立柱=(G+P)/μsinβ，這也是最危險(xiǎn)狀態(tài)下的支架工作阻力理論值。

［1］黃慶享.淺埋煤層的礦壓特征與淺埋煤層定義［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21(8):1174－1177.

［2］任艷芳，齊慶新.淺埋煤層長(zhǎng)壁開采圍巖應(yīng)力場(chǎng)特征研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2011(10):1612－1618.

［3］石平五，侯忠杰.神府淺埋煤層頂板破斷運(yùn)動(dòng)規(guī)律［J］.西安礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1996(9):204－207.

［4］劉 江.薄基巖淺埋煤層長(zhǎng)壁開采覆巖運(yùn)動(dòng)與破壞規(guī)律研究［D］.煤炭科學(xué)研究總院，2011.

［5］史元偉.液壓支架與圍巖力學(xué)相互作用及支架選型研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，1999(5):26－31.

［6］曹勝根.采場(chǎng)圍巖整體力學(xué)模型及應(yīng)用研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1999(12).