厚黏土層對(duì)薄基巖工作面礦壓規(guī)律的影響

鄧鵬海，郭良銀，張文科，劉 昂，游家梁，李 朋

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；2.山東黃金礦業(yè)股份有限公司 新城金礦，山東 萊州 261438)

厚黏土層對(duì)薄基巖工作面礦壓規(guī)律的影響

鄧鵬海1，郭良銀2，張文科1，劉 昂1，游家梁1，李 朋1

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；2.山東黃金礦業(yè)股份有限公司 新城金礦，山東 萊州 261438)

薄基巖厚黏土層煤層開采時(shí)具有與普通薄基巖厚松散層工作面不一樣的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，基于趙固二礦的具體地質(zhì)條件通過(guò)UDEC4.0模擬研究了當(dāng)基巖厚度為0m，30m和60m時(shí)工作面初次來(lái)壓步距、周期來(lái)壓步距、支承壓力分布和上覆頂板巖層垮落形態(tài)等，通過(guò)模擬得知，黏土層頂板有較小的來(lái)壓步距，能緩和工作面煤壁前方的支承壓力，并能與薄基巖共同成拱或獨(dú)立成拱用以承擔(dān)上覆巖層的重量，且厚黏土層以彎曲下沉為主，對(duì)于防止地表水侵入工作面也是有利的。

厚黏土層；薄基巖；礦壓顯現(xiàn)規(guī)律；UDEC數(shù)值模擬；頂板垮落形態(tài)

在我國(guó)西北部某些礦區(qū)(如神東等)都存在著大量的薄基巖厚松散層淺埋煤層，其工作面礦壓顯現(xiàn)的基本特點(diǎn)是工作面頂板臺(tái)階下沉明顯，上覆巖層為滑落失穩(wěn)；頂板巖層運(yùn)動(dòng)直接波及至地表，上“三帶”分布不明顯，呈“兩帶”分布等[1-3]。而在我國(guó)中原某些礦區(qū)，存在著部分埋深大、基巖薄、上覆黏土層厚的煤層，實(shí)踐表明，開采這些煤層時(shí)其工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與薄基巖厚松散層淺埋煤層工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律差異性較大，主要體現(xiàn)在頂板臺(tái)階下沉不明顯，來(lái)壓正常，地表無(wú)明顯的沉降變形，究其原因主要是由于埋深較大和上覆厚度大、強(qiáng)度較大的黏土層的影響[4-5]。目前對(duì)如此巨厚的黏土層頂板垮落特征的研究尚不深入，在實(shí)際煤礦開采過(guò)程中沒(méi)有成熟的經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。本文基于趙固二礦的具體地質(zhì)條件，通過(guò)UDEC4.0數(shù)值模擬研究了較大埋深下上覆厚黏土層對(duì)薄基巖工作面礦壓顯現(xiàn)的影響。

1 地質(zhì)概況

趙固二礦位于中原地區(qū)的河南省新鄉(xiāng)市，礦井開采深度在650m以上，主采煤層為二1煤層，傾角多在6°以內(nèi)，屬于近水平煤層開采，平均厚度6.3m，頂板基巖厚度變化頻繁，有的地方基巖較厚，有的地方基巖較薄，厚度變化范圍為37～79m?；卷敒閺?qiáng)度大的灰?guī)r和砂巖，有的區(qū)域有厚度較小的泥巖夾層，對(duì)開采影響不大，基巖上部黏土層和風(fēng)化帶的平均厚度分別達(dá)到528m和85 m，屬于薄基巖厚黏土層煤層開采。該礦11050工作面沿走向推進(jìn)，傾斜布置，工作面長(zhǎng)183m，進(jìn)行大采高一次采全厚開采，開采高度6.0m，采用全部垮落法管理頂板。

2 黏土層力學(xué)性質(zhì)分析

本礦賦存厚度達(dá)500m以上的黏土層滲透性很差，垂直滲透系數(shù)都在10-7以下，且不少層段為液性指數(shù)IL<0的堅(jiān)硬黏土，這種黏土一般具有較大的容許承載力，抗剪強(qiáng)度大，成拱性較好，且有較大的塑性變形，與基巖共同形成或獨(dú)自形成頂板承載拱結(jié)構(gòu)，承擔(dān)上覆巖層的重量和緩和工作面支架的應(yīng)力，對(duì)防止冒頂、防潰砂(地表水)和保護(hù)支架都是有利的[6]。

3 數(shù)值模擬模型的建立

為研究該礦上覆厚黏土層的存在對(duì)工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的影響，采用離散元模擬軟件UDEC4.0建立數(shù)值模型，其計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值模擬計(jì)算模型

根據(jù)該礦的基巖厚度為37～79m的地質(zhì)條件，模擬基巖厚度為0m，30m和60m時(shí)研究頂板的初次來(lái)壓步距、周期來(lái)壓步距、支承壓力分布規(guī)律和頂板垮落形態(tài)等。采用基巖厚度為0m主要是考慮在極端情況下，頂板全部為黏土層時(shí)圍巖所能破壞的最大高度、支承壓力分布規(guī)律及其黏土層的垮落破壞形態(tài)。模型尺寸為長(zhǎng)×高=180m×100m，埋深取650m，其余上部約550m巖層載荷采用σ=γH的方式加載，水平側(cè)壓系數(shù)取λ=1.0。模型老底留12m，開采煤層高度6m，左右兩側(cè)至少留40m煤體用以觀測(cè)支承壓力的分布規(guī)律。模擬巖層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖層力學(xué)參數(shù)

4 模擬結(jié)果與分析

4.1 初次來(lái)壓步距和周期來(lái)壓步距模擬結(jié)果分析

當(dāng)基巖厚度分別為0m，30m和60m時(shí)其初次來(lái)壓步距和周期來(lái)壓步距如表2所示。

表2 模擬來(lái)壓步距結(jié)果

由表2可以看出，當(dāng)頂板全部為黏土層時(shí)，其初次來(lái)壓步距和周期來(lái)壓步距均較小，這是由于在頂板初次垮落之前，巖梁是作為一個(gè)固定梁存在的，分別固定在煤壁側(cè)和采空區(qū)側(cè)煤(巖)體上，若巖梁在該處的正應(yīng)力達(dá)到該處的抗拉強(qiáng)度極限，巖層將在該處拉裂破斷，其極限跨距LIT為：

(1)

式中，h為巖梁厚度，m；RT為巖梁抗壓強(qiáng)度；MPa；q為巖梁所受的均布載荷，MPa。

頂板初次來(lái)壓前，巖梁的跨距主要取決于承載巖梁的厚度h、單軸抗壓強(qiáng)度RT和所承受的載荷q，在承載層厚度和上覆載荷相同的情況下，頂板為強(qiáng)度較小的黏土層更容易拉斷，初次來(lái)壓步距偏小；當(dāng)初次來(lái)壓之后，強(qiáng)度較小的黏土層無(wú)明顯的周期來(lái)壓現(xiàn)象，隨工作面的推進(jìn)而彎曲下沉，其原因?qū)⒃?.3(1)中得到說(shuō)明。

4.2 支承壓力分布規(guī)律分析

當(dāng)基巖厚度分別為0m，30m和60m時(shí)工作面經(jīng)歷一次周期來(lái)壓后支承壓力分布情況如圖2，圖中數(shù)字代表應(yīng)力集中系數(shù)，字母為該區(qū)域編號(hào)。

圖2 不同基巖厚度支承壓力分布

通過(guò)圖2可以看出，當(dāng)頂板全部為黏土層時(shí)，其超前支承壓力峰值為原巖應(yīng)力的2.0倍，距離工作面約25m；當(dāng)頂板基巖厚度為30m時(shí)，其超前支承壓力峰值為原巖應(yīng)力的2.5倍，距離工作面約25m；當(dāng)頂板基巖厚度為60m時(shí)，其超前支承壓力峰值為原巖應(yīng)力的3.5倍，距離工作面約35m。這種應(yīng)力集中是由于頂梁的前腳拱作用于前方煤體形成的，當(dāng)直接頂上覆有巨厚的軟弱黏土層時(shí)，可以緩和工作面超前支承壓力峰值，其影響范圍也相對(duì)較小，這對(duì)于回采巷道的維護(hù)是有利的[7]。

4.3 頂板巖層垮落形態(tài)分析

從圖2中可以看出，當(dāng)煤層頂板基巖厚度為0m，30m和60m時(shí)，在工作面前方頂板巖層均出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)力集中，如表3所示。

從圖2中同樣可以看出，處于工作面的支架只承受A3，B3，C3區(qū)域已與頂板分離冒落的巖石的重量，而更上方的頂板由于存在“砌體梁”結(jié)構(gòu)其應(yīng)力并未直接作用于工作面支架上，主要是靠位于工作面前方的前拱腳起承擔(dān)作用的，但這種“砌體梁”由于頂板巖層組成的不同而呈現(xiàn)不同的形態(tài)，如圖3所示，其示意圖見圖4。

表3 不同基巖厚度頂板支承壓力分布情況

圖3 不同基巖厚度頂板局部放大圖

圖4 不同基巖厚度的上覆巖層成拱結(jié)構(gòu)

從表3和圖3、圖4可以看出，頂板巖層組成不一樣會(huì)導(dǎo)致不同的支承壓力分布和頂板巖層垮落形態(tài)。

(1)能承受較大塑性變形的黏土層頂板只在A1區(qū)域出現(xiàn)一次應(yīng)力集中，其集中系數(shù)也較小，為1.2，且其塑性變形區(qū)域與工作面的推進(jìn)平行，這說(shuō)明其懸臂作用差，不能承受巨大的上覆巖層壓力，而是靠變形來(lái)承擔(dān)這種壓力，但由于其允許較大的塑性變形而不至于斷裂造成大的應(yīng)力集中，巖層主要體現(xiàn)整體彎曲下沉，這也是基巖厚度為0m頂板無(wú)明顯周期來(lái)壓現(xiàn)象的原因。在采空區(qū)側(cè)已下沉的巖層和工作面前方煤體未彎曲下沉的巖層依靠黏土層的塑性變形保持了黏土層的完整性，并用以承擔(dān)小量的集中應(yīng)力，上覆巖層的冒頂帶和裂縫帶不明顯，這對(duì)于防止?jié)⑺⑸笆羌捌溆欣?，這體現(xiàn)出了厚黏土層的獨(dú)立成拱作用并保護(hù)工作面的支架。

(2)當(dāng)黏土層下存在30m的薄基巖時(shí)，下部的基巖在工作面前方約8m處產(chǎn)生斷裂，斷裂處由于巖梁的相互咬合產(chǎn)生了應(yīng)力集中，集中系數(shù)較大，為2.5；越往上，其斷裂位置越接近工作面，直至距離煤層上部約30m處基巖最頂部斷裂位置已處于工作面后方約11m處，此時(shí)30m基巖全部斷裂，并在斷裂處相互咬合形成應(yīng)力集中，上覆的厚黏土層彎曲下沉，與相鄰的基巖緊密接觸一起承擔(dān)上覆巖層的重量并保護(hù)工作面的支架。

(3)當(dāng)基巖厚度達(dá)到60m時(shí)，下部基巖在工作面前方約8m處產(chǎn)生斷裂并相互咬合，形成應(yīng)力集中，集中系數(shù)為3.0，隨著基巖上移，在距離煤層垂直約40m處的斷裂位置已距離煤壁后方約14m，此處應(yīng)力集中系數(shù)為2.5，并與上覆基巖存在明顯的離層現(xiàn)象，認(rèn)為上覆基巖層為此煤層開采的關(guān)鍵層，上覆黏土層隨關(guān)鍵層的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，對(duì)采場(chǎng)支架的維護(hù)作用不明顯，由下部的基巖獨(dú)立成拱，用以保護(hù)工作面的支架。

5 結(jié)論

(1)趙固二礦存在的巨厚的黏土層能緩和工作面超前支承壓力，應(yīng)力峰值較小，這對(duì)于回采巷道的維護(hù)是有利的；且由于厚黏土層的存在其初次來(lái)壓步距和周期來(lái)壓步距均減小許多，甚至當(dāng)頂板全部為黏土層時(shí)，無(wú)明顯的周期來(lái)壓現(xiàn)象，頂板隨工作面的推進(jìn)而彎曲下沉，如此巨厚的黏土層不產(chǎn)生裂隙破壞，而是整體彎曲下沉，對(duì)防潰水、潰砂是有利的。

(2)塑性變形較大的黏土層可獨(dú)立成拱，或與薄基巖共同成拱用以承擔(dān)上覆巖層的重量，用以保護(hù)工作面支架，支架僅承受下部少量冒落巖石的重量，這種結(jié)構(gòu)對(duì)保護(hù)支架有利。

[1]張 杰，侯忠杰.厚土層淺埋煤層覆巖移動(dòng)破壞規(guī)律研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2007，24(1)：56-59.

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[3]黃慶享.淺埋煤層長(zhǎng)壁開采頂板結(jié)構(gòu)及巖層控制研究[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2000.

[4]方新秋，黃漢富，金 桃，等.厚表土薄基巖煤層開采覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(S1).

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[7]顏治國(guó)，戴 俊.隧道鋼拱架支護(hù)的失穩(wěn)破壞分析與對(duì)策[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32(3)：348-352.

[責(zé)任編輯：潘俊鋒]

InfluenceofThickClayStratumonUndergroundPressureofMiningFaceunderThinBasementRock

DENG Peng-hai1, GUO Liang-yin2, ZHANG Wen-ke1, LIU Ang1, YOU Jia-liang1, LI Peng1

(1.Resources & Safety Engineering School, China University of Mining & Technology (Beijing), Beijing 100083, China； 2.Xincheng Gold Mine of Shandng Gold Group,Laizhou 261438,China)

There was different underground pressure rule in mining under thin basement rock, thick clay stratum and under ordinary thin basement rock and thick loose bed.On the basis of geological condition of Zhaogu 2nd Mine, applying UDEC to simulating first roof caving pace, periodical weighting pace, abutment pressure distribution and roof caving form when basement rock thickness was 0m, 30m and 60m.Result showed that weighting pace of clay stratum roof was small, and could relax abutment pressure in front of mining face and formed arch itself or with thin basement rock to bear weight of surrounding rock.Thick clay stratum mainly took on bending and subsidence deformation characteristic, which was favorable for preventing ground water entering mining face.

thin basement rock;thick clay stratum;underground pressure behavior; UDEC numerical simulation; roof caving form

2013-12-09

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.04.030

鄧鵬海(1990-)，男，江西贛州人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)槌涮畈傻V和礦山壓力及其控制。

鄧鵬海，郭良銀，張文科，等.厚黏土層對(duì)薄基巖工作面礦壓規(guī)律的影響[J].煤礦開采，2014，19(4)：100-102.

TD323

A

1006-6225(2014)04-0100-03