特厚煤層大采高綜放工作面礦壓及頂板破斷特征

李化敏,蔣東杰,李東印

(河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院,河南焦作 454003)

特厚煤層大采高綜放工作面礦壓及頂板破斷特征

李化敏,蔣東杰,李東印

(河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院,河南焦作 454003)

針對(duì)大采高綜放工作面覆巖活動(dòng)空間大、開(kāi)采擾動(dòng)強(qiáng)烈的特點(diǎn),以不連溝煤礦特厚煤層大采高綜放開(kāi)采為背景,采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和理論分析等方法對(duì)大采高綜放采場(chǎng)礦壓及頂板運(yùn)移破斷特征進(jìn)行分析,建立了大采高綜放采場(chǎng)周期來(lái)壓巖層破斷的力學(xué)模型,得出了液壓支架工作阻力的計(jì)算方法。結(jié)果表明：大采高綜放工作面來(lái)壓時(shí)安全閥開(kāi)啟頻繁、頂板快速下沉,額定工作阻力13 800 kN的液壓支架不能滿足頂板控制的需要;開(kāi)采空間的增大、直接頂厚度增大,低位基本頂轉(zhuǎn)化為直接頂成為懸臂結(jié)構(gòu)、高位基本頂形成砌體梁,二者形成“上位砌體梁-下位倒臺(tái)階組合懸臂結(jié)構(gòu)”;工作面來(lái)壓強(qiáng)烈、動(dòng)載明顯、持續(xù)時(shí)間短的礦壓現(xiàn)象是由于高位砌體梁結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)造成的,據(jù)其力學(xué)特征確定了液壓支架的工作阻力。

特厚煤層;大采高;綜放工作面;組合懸臂梁;砌體梁;支架工作阻力

隨著大采高和綜放技術(shù)及裝備的發(fā)展,將大采高綜放開(kāi)采二者有機(jī)結(jié)合,形成了我國(guó)8～15 m煤層開(kāi)采的獨(dú)具特色的采煤方法,成為條件適宜礦井實(shí)現(xiàn)安全高產(chǎn)高效開(kāi)采的重要技術(shù)途徑[1-2]。近年來(lái),很多學(xué)者對(duì)大采高綜放工作面頂板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究,文獻(xiàn)[3-4]通過(guò)相似模擬實(shí)驗(yàn)和理論分析認(rèn)為綜放開(kāi)采時(shí)直接頂巖塊在漸進(jìn)流動(dòng)過(guò)程中能形成上位直接頂“散體拱”結(jié)構(gòu),并對(duì)“散體拱”的失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[5]以數(shù)值模擬為手段,對(duì)綜放工作面支護(hù)強(qiáng)度與采出厚度之間的關(guān)系進(jìn)行了研究,認(rèn)為支護(hù)強(qiáng)度與采出厚度成正相關(guān)關(guān)系。文獻(xiàn)[6-7]通過(guò)理論分析,將頂板巖層分為“無(wú)變形壓力巖層”和“有變形壓力巖層”,認(rèn)為開(kāi)采厚度的增大導(dǎo)致“有變形壓力巖層”的范圍明顯加大是導(dǎo)致礦壓顯現(xiàn)異常強(qiáng)烈的原因,并提出了“懸臂梁-鉸接巖梁”結(jié)構(gòu),給出了特厚煤層綜放開(kāi)采支架工作阻力的計(jì)算式。文獻(xiàn)[8-10]采用微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)塔山礦15 m特厚煤層頂板運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測(cè),確定了直接頂、低位基本頂、高位基本頂?shù)奈恢?認(rèn)為特厚煤層綜放工作面高位巖層的斷裂運(yùn)動(dòng)將強(qiáng)迫下位巖層的斷裂運(yùn)動(dòng),從而在支架上形成沖擊載荷,將支架工作狀態(tài)分為3類：正常情況、低位基本頂來(lái)壓和高位基本頂來(lái)壓,其中高位基本頂來(lái)壓時(shí)所需支架工作阻力最大?？梢钥闯?大采高綜放工作面開(kāi)采空間大,開(kāi)采擾動(dòng)過(guò)程強(qiáng)烈,引起頂板能量的突然釋放、轉(zhuǎn)移、傳遞的動(dòng)力學(xué)過(guò)程劇烈,礦壓顯現(xiàn)明顯,甚至存在支架動(dòng)載沖擊現(xiàn)象。對(duì)于特厚煤層大采高綜放工作面覆巖破斷及頂板控制的理論仍落后于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐,不連溝煤礦13 800 kN的液壓支架仍不能滿足頂板需求,動(dòng)載現(xiàn)象明顯,本文根據(jù)特厚煤層的開(kāi)采條件,進(jìn)一步研究其覆巖結(jié)構(gòu)特征,旨在為大采高綜放工作面頂板控制提供一種新的方法。

1 工作面概況及礦壓觀測(cè)

1.1 工作面概況

不連溝煤礦是位于鄂爾多斯準(zhǔn)格爾煤田的千萬(wàn)噸級(jí)礦井,黃土高原地貌,溝壑發(fā)育。F6202綜放工作面為二盤(pán)區(qū)第2個(gè)回采工作面,開(kāi)采6號(hào)煤層,煤層產(chǎn)狀平緩,裂隙較發(fā)育,煤層厚11～21 m,平均厚度15．2 m,煤層傾角平均4°。采用大采高綜采放頂煤開(kāi)采,工作面傾向長(zhǎng)240 m,走向長(zhǎng)1 300 m,機(jī)采高度3．8 m,放煤高度11．2 m,采放比達(dá)到1∶2．95。采用中煤北京煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司生產(chǎn)的ZF13800/27/42型四柱放頂煤液壓支架。

1.2 礦壓觀測(cè)分析

采用常規(guī)方法對(duì)F6202綜放工作面前6次周期來(lái)壓進(jìn)行觀測(cè),工作面周期來(lái)壓步距統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1,支架工作阻力統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表1 周期來(lái)壓步距統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of periodic weighting lengthm

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看,大采高綜放工作面周期來(lái)壓步距與普通綜放工作面來(lái)壓步距差別不大,來(lái)壓步距為7．6～16．8 m,平均11．5 m;正常階段液壓支架平均工作阻力7 586 kN;來(lái)壓期間支架工作阻力急劇增大,來(lái)壓一般持續(xù)1～3個(gè)割煤循環(huán),平均工作阻力達(dá)14 998 kN,動(dòng)載系數(shù)平均達(dá)1．83,說(shuō)明頂板活動(dòng)劇烈,動(dòng)載現(xiàn)象明顯,靜壓小、動(dòng)壓大,支架安全閥開(kāi)啟頻繁,現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)亦顯示來(lái)壓期間頂板下沉速度快、下沉量大,呈現(xiàn)所謂的“活柱急速下縮”現(xiàn)象,尤其是當(dāng)工作面推進(jìn)速度慢時(shí),頂板下沉量更大,存在壓架危險(xiǎn)(圖1),可見(jiàn),額定工作阻力13 800 kN的液壓支架不能滿足頂板控制的需求。

表2 支架工作阻力統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of working resistancekN

圖1 支架活柱下縮Fig．1 Subsidence of movable column of support

2 頂板結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

大采高綜放工作面采空區(qū)覆巖運(yùn)動(dòng)空間大,活動(dòng)劇烈,形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的層位高,對(duì)于一次開(kāi)采厚度15 m的特厚煤層,在采高較小情況下上覆能形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的基本頂巖層轉(zhuǎn)化為大采高綜放情況下的直接頂,直接頂破斷后不能傳遞水平力,但對(duì)于具有較高強(qiáng)度的直接頂來(lái)說(shuō)易形成懸臂梁結(jié)構(gòu)而作用于支架上,同時(shí),高位堅(jiān)硬巖層作為基本頂仍可形成砌體梁結(jié)構(gòu)(圖2)。當(dāng)支架工作阻力較小,在難以阻止上覆頂板過(guò)大下沉量的情況下,砌體梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵塊將進(jìn)一步下沉,迫使懸臂梁結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn),懸臂梁回轉(zhuǎn)下沉導(dǎo)致作用于砌體梁的支護(hù)阻力減小,尤其是來(lái)壓階段,易造成砌體梁滑落失穩(wěn),從而造成工作面礦壓強(qiáng)烈、支架沖擊荷載現(xiàn)象,這是不連溝綜放工作面來(lái)壓強(qiáng)烈的主要原因。

2.1 正?；夭呻A段

在工作面正?；夭呻A段,支架僅需承受懸臂梁結(jié)構(gòu)對(duì)支架的作用力。

對(duì)于懸臂結(jié)構(gòu)[11-14]：

式中,hi為第i層一端固定懸臂梁的厚度,m;γm為頂煤的容重,kN/m3;hm為頂煤厚度,m;b為支架寬度,m;ld為支架頂梁長(zhǎng)度,m;Li為第i層一端固定懸臂梁的長(zhǎng)度,m;RTi為巖石的抗拉強(qiáng)度,其值可通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定,MPa;qi為懸臂梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度上的荷載, MPa;Gi為第i層懸臂梁的自重,kN;xi為煤壁至第i層懸臂梁重心的水平距離,m;lr為煤壁至支架立柱作用中心線的距離,m;k為考慮相鄰支架前移后的設(shè)計(jì)系數(shù),取1．10～1．25;b為液壓支架的寬度, 1．75 m;Fc為支架需承擔(dān)懸臂梁作用力,kN。

圖2 大采高綜放采場(chǎng)頂板結(jié)構(gòu)Fig．2 Roof structure of fully-mechanized top coal caving with large mining height

2.2 來(lái)壓階段

隨著工作面的推進(jìn),懸臂梁結(jié)構(gòu)隨著頂煤的放出而逐漸延長(zhǎng)而回轉(zhuǎn)破斷,至來(lái)壓階段,支架控制采場(chǎng)覆巖穩(wěn)定的關(guān)鍵是控制砌體梁結(jié)構(gòu),支架除提供支撐懸臂梁的阻力外,還要對(duì)砌體梁結(jié)構(gòu)提供一定的支撐力,以控制懸臂梁與砌體梁組合結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。因此,有效控制頂板所需的工作阻力分為2部分：一部分用于防止高位砌體梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的作用力;另一部分用于支護(hù)低位懸臂梁結(jié)構(gòu)的作用力。

對(duì)于砌體梁結(jié)構(gòu)[15]：

式中,Fj為支架需承擔(dān)頂板的作用力,kN;l為周期來(lái)壓步距,m;φ為巖塊間摩擦角,(°);θ為巖塊破斷角, (°);h為關(guān)鍵塊的層厚,m;s為關(guān)鍵塊的下沉量,m; Q0為關(guān)鍵層自身及其上控制巖層的荷載,kN。

因此,大采高綜放工作面支架工作阻力的計(jì)算表達(dá)式為

在支架阻力不足以防止砌體梁失穩(wěn)的情況下,砌體梁滑落失穩(wěn)必然導(dǎo)致懸臂梁的剪切破壞,懸臂梁破斷失穩(wěn)后僅會(huì)在支架頂梁長(zhǎng)度范圍內(nèi)作用于支架,此時(shí)“懸臂梁-砌體梁結(jié)構(gòu)”演化為“砌體梁結(jié)構(gòu)”。

3 支架工作阻力的確定

F6202綜放工作面煤層柱狀圖如圖3所示,液壓支架工作阻力的確定方法按照上述力學(xué)模型計(jì)算。

圖3 煤層柱狀圖Fig．3 Coal seam column map

按式(7)可計(jì)算直接頂?shù)暮穸葹?/p>

式中,∑h為直接頂厚度,m;M為煤層厚度,15 m;p為工作面采出率,80%;kp為直接頂巖層碎漲系數(shù), 1．15～1．30,直接頂巖性砂巖巖層厚、多,取1．25。

根據(jù)F6202開(kāi)采條件,垮落的矸石能充滿采空區(qū)需直接頂厚度48 m。因此,煤層上方厚度為5．1 m的粗砂巖及6．9 m的細(xì)砂巖2層硬巖均不能形成砌體梁結(jié)構(gòu),而轉(zhuǎn)化為直接頂。

3.1 正?；夭芍Ъ茏枇?/p>

正常階段支架承受懸臂梁的作用,而懸臂梁結(jié)構(gòu)是根據(jù)直接頂巖性的不同形成的“倒臺(tái)階組合懸臂梁”。

頂煤上方的炭質(zhì)泥巖、風(fēng)化煤、泥巖、炭質(zhì)泥巖4層巖層強(qiáng)度不大,但底部的炭質(zhì)泥巖形成長(zhǎng)度較短懸臂仍會(huì)對(duì)其上方的3層巖層起支撐作用,形成第1層組合懸臂梁;以此類推,其上的粗砂巖和泥巖會(huì)組合形成第2層組合懸臂梁;上部的細(xì)砂巖強(qiáng)度較大,細(xì)砂巖、泥巖互層形成第3層組合懸臂梁。各懸臂梁長(zhǎng)度可按式(1)計(jì)算,3層不同長(zhǎng)度的組合懸臂梁形成“倒臺(tái)階組合懸臂梁”,共同作用于支架,支架上方的頂煤作為靜荷載作用于支架。

F6202綜放工作面直接頂形成的“倒臺(tái)階組合懸臂梁”結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 倒臺(tái)階組合懸臂梁結(jié)構(gòu)Fig．4 Structure of inverted step combination of cantilever beam

根據(jù)直接頂巖層的性質(zhì)可計(jì)算出懸臂巖梁的長(zhǎng)度,結(jié)合式(1)～(4),支架承擔(dān)頂煤及直接頂懸臂梁作用的工作阻力為

頂煤的體積力為14 kN/mm3,頂煤厚度為11．2 m,支架寬度為1．75 m;支架頂梁長(zhǎng)度為5．5 m,煤壁至支架立柱作用中心線的距離為3．8 m,將其他參數(shù)代入式(8)得

這也是支架處在正常階段,支架工作阻力集中在6 500～8 500 kN的原因。

3.2 來(lái)壓階段支架阻力

在工作面來(lái)壓階段,為防止高位砌體梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的支護(hù)阻力按式(5)計(jì)算,工作面平均周期來(lái)壓步距11．5 m,巖塊間摩擦角取45°,關(guān)鍵巖塊下沉量3．54 m,關(guān)鍵巖塊厚度14．3 m,將參數(shù)代入式(5)得

(1)防止砌體梁結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn),支架需要提供的阻力為Fj的同時(shí),保持懸臂梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,支架需要提供的阻力為Fc。此時(shí)支架工作阻力為(2)若支架不能提供上述支撐力的情況下,砌體梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn),組合懸臂梁必然切落破斷轉(zhuǎn)化為荷載,支架承擔(dān)直接頂?shù)暮奢d為

式中,γi為第i層懸臂梁的容重,kN/m3。

此時(shí),頂板作用于支架的作用力不小于：

可見(jiàn),支架有效控制為控制倒臺(tái)階組合懸臂梁和砌體梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的工作阻力至少為18 000 kN,在支架工作阻力低于18 000 kN的情況下,砌體梁結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生滑落失穩(wěn),會(huì)造成支架承擔(dān)更大的頂板作用力,甚至對(duì)支架造成沖擊,這也是不連溝煤礦工作阻力為13 800 kN支架易發(fā)生壓架的原因。

4 結(jié) 論

(1)15 m特厚煤層大采高綜放工作面頂板擾動(dòng)空間大,正?；夭呻A段支架平均工作阻力7 586 kN;來(lái)壓期間支架平均工作阻力14 998 kN,動(dòng)載明顯,頂板下沉速度快。靜壓小,動(dòng)壓大,來(lái)壓安全閥開(kāi)啟頻繁,工作面停滯易造成支架壓死。

(2)特厚煤層大采高綜放工作面開(kāi)采空間大,直接頂厚度增大后能形成“上位砌體梁-下位倒臺(tái)階組合懸臂梁”的大小結(jié)構(gòu),工作面正?；夭呻A段時(shí)支架僅需承受懸臂梁結(jié)構(gòu)的作用力,來(lái)壓階段,砌體梁失穩(wěn)致使支架受力驟然增大,動(dòng)載明顯。

(3)“下位懸臂梁”結(jié)構(gòu)并不是懸臂梁的簡(jiǎn)單組合,而是根據(jù)直接頂巖層巖性差異形成“倒臺(tái)階組合懸臂梁”。

(4)根據(jù)“上位砌體梁-下位倒臺(tái)階組合懸臂梁”結(jié)構(gòu)模型得出,在支架工作阻力大于18 000 kN的情況下才能防止砌體梁結(jié)構(gòu)的滑落失穩(wěn),在支架工作阻力小于此值時(shí)砌體梁滑落失穩(wěn)會(huì)導(dǎo)致頂板對(duì)支架的作用力不小于21 950 kN,因此,不連溝特厚煤層大采高綜放工作面支架工作阻力不宜小于18 000 kN。

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Analysis of ground pressure and roof movement in fully-mechanized top coal caving with large mining height in ultra-thick seam

LI Hua-min,JIANG Dong-jie,LI Dong-yin

(School of Energy Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China)

In terms of lager space of overlying strata movement and strong mining disturbance in working face of top coal caving with large mining height,this paper investigated the ultra-thick seam at Buliangou Coal Mine．The ground pressure behavior and roof movement characteristics of top coal caving with large mining height were analyzed using the methods such as in-situ observation,and theoretical analysis,etc．The mechanical model of the periodic weighting rock failure of main roof of top coal caving with large mining height was established,and the calculation method of hydraulic support working resistance was obtained．The results show that the hydraulic safety valve opens frequently and the roof subsidence speed is fast when the roof periodic weighting occurs,the rated resistance 13 800 kN hydraulic support cannot meet the requirements of roof control．The larger mining space,the thicker immediate roof,and then,the low main roof becomes immediate roof as a cantilever beam and the high main roof forms masonry beam,which called“Up Masonry Beam and Down Inverted Step Combination of Cantilever Beam”．The phenomena of intensive ground pressure,dynamic loads and short duration are due to the structure of“Masonry Beam”sliding instability,which determines the hydraulic support working resistance．

ultra-thick seam;large mining height;fully-mechanized top coal caving face;combination of cantilever beam;masonry beam;support working resistance

TD325

A

0253-9993(2014)10-1956-05

2013-09-23 責(zé)任編輯：王婉潔

國(guó)家自然科學(xué)基金煤炭聯(lián)合基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(U1261207);河南理工大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文培育基金資助項(xiàng)目

李化敏(1957—),男,河南鎮(zhèn)平人,教授,博士生導(dǎo)師。Tel：0391-3987921,E-mail：lihm@hpu．edu．cn。通訊作者：蔣東杰(1984—),男,河南永城人,博士研究生。Tel：0391-3987937,E-mail：jiangdongjie306@126．com

李化敏,蔣東杰,李東?。睾衩簩哟蟛筛呔C放工作面礦壓及頂板破斷特征[J]．煤炭學(xué)報(bào),2014,39(10)：1956-1960．

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Li Huamin,Jiang Dongjie,Li Dongyin．Analysis of ground pressure and roof movement in fully-mechanized top coal caving with large mining height in ultra-thick seam[J]．Journal of China Coal Society,2014,39(10)：1956-1960．doi：10．13225/j．cnki．jccs．2013．1366