急傾斜煤層淺部開采頂板破斷致災原理與控制

急傾斜煤層淺部開采頂板破斷致災原理與控制

索永錄，祁小虎，劉建都，肖江

(西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054)

[摘要]為掌握急傾斜煤層淺部開采時頂板的破斷規(guī)律，確保水平分段綜放開采時的安全生產，采用物理相似模擬實驗研究急傾斜煤層淺部開采時頂板的垮落規(guī)律，通過力學建模分析頂板垮落的條件，運用3DEC對人工爆破強制放頂的效果進行了數值模擬與分析。研究結果表明：淺部開采時急傾斜煤層的頂板不易垮落，容易出現(xiàn)大面積懸頂現(xiàn)象。工作面上方覆巖大面積垮落，產生沖擊礦壓，危害工作面安全生產；而在第一分段、第二分段回采過程中采用強制放頂的措施可以有效削減頂板的勢能，頂板垮落后形成的覆浮矸墊層也可以保證急傾斜煤層下分段的生產安全。

[關鍵詞]急傾斜煤層；淺部開采；水平分段；頂板

[中圖分類號]TD325[文獻標識碼]A

[收稿日期]2014-05-20

DOI[]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.01.025

[作者簡介]索永錄(1960-)，男，陜西寶雞人，教授，博士生導師，主要從事綜采放頂煤和系統(tǒng)工程等方面的研究工作。

Roof Breakage and Disaster Principle and Control of Shallow

Mining in Steeply-inclined Coal-seam

SUO Yong-lu, QI Xiao-hu, LIU Jian-du, XIAO Jiang

(Energy School, Xi'an University of Science & Technology, Xi'an 710054 , China)

Abstract:In order to obtain the roof breakage rule of mining shallow steeply-inclined coal-seam with horizontal slicing mining and ensure safety, applying physical analogue experiment to researching roof caving rule, roof caving condition was analyzed by mechanics model.Numerical simulation was used to simulate the effect of blasting roof with 3DEC.Result showed that roof was difficult to cave in shallow mining steeply-inclined coal-seam and roof hanging was easy to occur.large area of roof caving could result into rock-burst.By forced caving in mining the first and second slice, roof potential energy could be effectively reduced, and caved gangue could aslo ensure safety of mining lower slices.

Keywords:steeply-inclined coal-seam; shallow mining; horizontal slicing mining; roof

[引用格式]索永錄，祁小虎，劉建都，等.急傾斜煤層淺部開采頂板破斷致災原理與控制[J].煤礦開采，2015，20(1)：86-88，81.

急傾斜煤層回采期間頂板巖層的破斷對礦山壓力有直接影響。王明立等研究認為急斜煤層開采時巖層分楔形破壞區(qū)、滑移變形區(qū)兩個非均衡破壞區(qū)。邢望等研究認為急斜工作面基本頂變形的最大彎曲點位置基本保持在距工作面上端頭約1/4 至1/3 長度處。屠洪盛等研究認為急傾斜工作面初次開采時中上部頂板可能出現(xiàn)“U”字型破斷，自下而上擴展。邵小平等研究了急斜煤層大采高開采條件下，工作面沿走向礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，得出周期來壓步距在21～26m左右。周清龍等通過研究認為急傾斜煤層開采過程中頂板中部最容易產生彎曲破斷，頂板破斷后呈人字型。曹樹剛等研究認為：急斜煤層工作面頂板壓力上部最大,下部次之,中部最小。張嘉凡等研究認為頂板厚度大于4m可作為急斜煤層上覆巖層關鍵層的幾何特征。高召寧等研究認為當煤層傾角大于65°，且分段高度小于30m 時, 頂煤冒落不穩(wěn)定平衡拱的周期性失穩(wěn)使其不斷向上位發(fā)展, 形成了工作面的來壓。鞠文君等研究認為急斜煤層工作面頂板懸臂梁所積聚的能量與其載荷的2次方成正比, 與其長度的5次方成正比。本文在相似模擬的基礎上，通過力學建模分析急傾斜煤層頂板垮落條件及過程，提出控制頂板措施，通過數值模擬驗證了控制措施有效性，為安全生產提供保障。

1工作面及頂板概況

明鑫煤炭公司的生產礦井目前正在開采基本合為一體的C2+3+4+5+6煤層，煤層總厚度達到26.5m。采煤工作面走向長1000m，傾向長32m，工作面回風平巷沿C4+6煤層頂板布置，運輸平巷沿C2+3煤層底板布置。根據巷道已經揭露的煤層實測結果，合并層的下分層為C2+3煤層，厚度8.5～11.7m，平均8.7m；上分層為C4+6煤層，厚度11.2～16.6m，平均12m。上述煤層厚度均自西向東逐漸變薄。C3,C4煤層的間距為2～4.5m，由西向東逐漸增大，平均2.6m，煤層傾角58～72°。煤層節(jié)理較為發(fā)育，含有層狀的構造，煤質為性脆中硬易膨脹。揭露處煤層的斷口多為參差狀，僅局部比較平整或出現(xiàn)貝殼狀形態(tài)。C6煤層直接頂板為含植物化石碎片比較松軟的黑色層狀結構的炭質泥巖，厚度1.78m；C2煤層直接底板為厚度4.65m的深灰色厚層狀結構的泥巖。

2相似模擬實驗

實驗模擬工作面上部無隔離煤柱的情況，實驗比例1∶200，模型長和高均為1.2m，煤層傾角取65°,實驗全景見圖1(a)。開采第一分段，采高20m，如圖1(b)所示頂板沒有垮落和離層現(xiàn)象。開采第二分段，采高20m，6m厚直接頂垮落，如圖1(c)所示，在下分段上方形成了約6m厚的墊層，此次垮落對下分段工作面具有一定的沖擊性；此水平采完，基本頂空頂40m未垮落，證明依靠基本頂的自重力將無法使其垮落。開采第三分段，采高20m，采空區(qū)矸石向下移動，此分段的2m厚直接頂斷裂未垮落，見圖1(d)。開采第四分段，采高20m，如圖1(e)所示，直接頂、基本頂都發(fā)生斷裂和垮落，此時工作面上方僅有6m厚的墊層，而頂板垮落總厚度為24m，長度約66.21m，垮落頂板的中心距工作面約30m，故此次垮落對工作面的沖擊力極大，工作面走向方向近采空區(qū)側也會受到頂板垮落引起的氣體沖擊[10]。

急傾斜煤層淺部開采時，頂板在自重條件下極

圖1　頂板垮落過程

難垮落，無法形成有效的覆浮矸墊層。隨著懸露面積的增大，頂板巖層在自重及上覆巖層的作用下將發(fā)生離層和拉伸變形，與周圍巖體間產生大量裂隙和節(jié)理，當裂隙和節(jié)理發(fā)育充分，失去束縛，塊體就會垮落下來。頂板大面積垮落會對工作面造成沖擊礦壓。為了保護工作面的生產安全，必須在第一、二分段進行人工爆破強制放頂，并且保證頂板垮落形成足夠厚度的墊層，在下分段開采時，可以有效緩沖頂板自然垮落引起的沖擊應力，保證后續(xù)階段的生產安全。

3理論分析計算

對明鑫煤礦急傾斜煤層頂板建模以分析其頂板的垮落步距與開采深度的關系。在下述分析中，對地質條件進行適當簡化，同時用密度等參數協(xié)調模型，使模型盡可能接近實際地質情況。對所分析巖層的密度取為細粒砂巖的密度，此密度為上覆巖層最大密度，而巖層破壞強度取最小值。取沿巖層走向長度b，巖層厚度a，設所分析巖層在懸露高度達到h時垮落。頂板拉伸破壞示意如圖2所示。

圖2　頂板拉伸破壞示意

由巖體力學極限強度理論可知，Rm<σc<σbc，即巖石的抗拉強度小于抗剪強度和抗壓強度。由此可知，急傾斜煤層頂板在破壞時將沿巖層法線方向運動，在巖層深h處首先拉伸破壞，巖層塊體繞破壞面下邊緣旋轉一定角度，然后整體垮落下來。計算h的大小。

巖體自重力所引起的彎矩為：

(1)

造成巖體拉伸破壞所需的彎矩為：

(2)

由上述兩式得：

(3)

由式(3)可知，巖層傾角越大，抗拉強度值越大，密度越小，急傾斜煤層頂板越難自然垮落。

4數值模擬

4.1　模型基本參數

采用數值模擬軟件3DEC對強制放頂的方案進行論證，以檢驗在第一、二分段進行人工爆破，在下分段開采時頂板能否垮落并形成有效的墊層以及頂板垮落對工作面的沖擊力大小。在建模時依據實際尺寸取煤礦地層的一部分，模型大小為85m×60m×90m，其中煤層、直接頂和底板厚度均取平均值，煤層傾角取65°。劃分網格時細化直接頂、煤層和底板，采用1m×1m×1m劃分；其余部位采用2m×2m×2m劃分。

模型除了頂部外，全部采用固支，限制其水平和豎直向下的位移。

模擬所選取的主要力學參數如表1所示。

表1　煤巖力學參數

4.2　模擬計算方案

模擬開采時依據實際生產情況，分步進行開采，同時檢測下分段采煤工作面在強制放頂時的受力情況。第一步，開挖第一分段，計算機運行直至底板完全垮落下來；第二步開挖第二分段，計算機同樣運行直至底板完全垮落下來；第三步，開挖第三分段同時檢測頂板垮落對工作面的沖擊應力，計算機運行8萬時步；第四步，開挖第四分段同時檢測頂板垮落對工作面的沖擊應力，計算機運行14萬時步。

4.3　模擬結果分析

通過監(jiān)測強制放頂后開采下分段時工作面受到的應力變化情況，如圖3，圖4所示。

圖4(a)，圖4(b)為開采第三分段時工作面上方應力曲線；圖4(c)，圖4(d)為開采第四分段時工作面上方應力曲線圖。

圖4(a)測點位置在1600m水平標高，距煤層頂板7m處，圖中所示應力波動范圍為-11.34～0.06MPa，大部分集中在-8.13～-1.75MPa。圖4(b)測點位置在1600m水平標高，距煤層底板7m處，圖中所示應力波動范圍為-9.18～3.89MPa，[11]大部分集中在-5.32～0.28MPa。這表明由于強制[11]

圖3　強制放頂示意

圖4　工作面應力曲線

放頂后形成了有效的覆浮矸墊層，工作面受到的應力整體位于合理區(qū)間內；在開采第三分段過程中，工作面近底板側受到的沖擊應力整體小于近頂板側的應力。

圖4(c)測點位置在1580m水平標高，距煤層頂板7m處，圖中所示應力波動范圍為-8.21～1.03MPa，大部分集中在-5.83～-0.21MPa。圖4(d)測點位置在1580m水平標高，距煤層底板5m處，圖中所示應力波動范圍為-7.53～1.51MPa，大部分集中在-3.21～1.47 MPa。第四分段開采時，工作面受到的應力特征與第三分段相似，近頂板側受到的應力明顯大于近底板側。

綜合分析上述應力圖，得知經第一、二分段強制放頂后，在下分段回采過程中，工作面近底板側受到的應力小于近頂板側受到的應力；在第四分段回采過程中，工作面受到的應力整體小于第三分段，這表明第一、二分段的強制放頂措施是有效的。

5結論

(1)在急傾斜煤層淺部開采過程中，煤層頂板依靠自重很難垮落，極易出現(xiàn)大面積懸頂現(xiàn)象。破斷頂板的尺寸具有規(guī)律性，只有沿走向方向和傾向方向的距離滿足一定條件，頂板才會從中部發(fā)生離層、破斷和垮落；且頂板巖層的賦存角度越大，頂板就越難垮落。

(2)直接頂在自重作用下垮落形成的覆浮矸墊層太薄，無法緩沖其上頂板大面積垮落引起的應力沖擊和氣體沖擊。為保證生產安全，必須在第一、二分段進行強制放頂，保證足夠體積的頂板垮落，形成足夠厚度的覆浮矸墊層。

(3)在急傾斜煤層回采期間，工作面近底板側受到的應力整體小于近頂板側的應力。強制放頂措施可以有效減小工作面周期來壓的大小。

[參考文獻]

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[責任編輯：潘俊鋒]

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