大采高工作面覆巖運(yùn)移規(guī)律及礦壓顯現(xiàn)特征特殊性研究

鄧小鵬

(山西能源學(xué)院，山西省晉中市，030600)

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大采高工作面覆巖運(yùn)移規(guī)律及礦壓顯現(xiàn)特征特殊性研究

鄧小鵬

(山西能源學(xué)院，山西省晉中市，030600)

針對(duì)大采高工作面礦壓控制難題，利用相似模擬材料對(duì)覆巖運(yùn)移過程中礦壓顯現(xiàn)特征特殊性進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，大采高工作面初次來壓步距可達(dá)到90 m，在開采初期周期來壓步距較穩(wěn)定，強(qiáng)度較?。还ぷ髅嫱七M(jìn)190 m之后，周期來壓步距及強(qiáng)度離散性較大，易發(fā)生強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)事故；工作面的超前支承壓力峰值可達(dá)到40 kN，與覆巖垮落厚度呈線性正相關(guān)關(guān)系。

大采高工作面 覆巖運(yùn)移規(guī)律 礦壓顯現(xiàn)特征 超前支承壓力

相比普通綜放采煤法，大采高綜放采煤法具有煤炭采出率高、巷道布置優(yōu)化和煤炭資源回收率高等優(yōu)勢(shì)。但是采高的增大與推進(jìn)速度的加快都會(huì)導(dǎo)致工作面覆巖垮落方式改變、煤壁片幫嚴(yán)重和液壓支架不穩(wěn)定等問題，阻礙了大采高開采技術(shù)的發(fā)展。我國(guó)學(xué)者針對(duì)大采高采場(chǎng)圍巖控制理論進(jìn)行細(xì)致的研究，并取得豐碩成果。但覆巖結(jié)構(gòu)變異過程中礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、覆巖時(shí)空分布規(guī)律及其與小采高情況相比產(chǎn)生的變異性仍然是目前亟待解決的問題。

本文以山西晉城寺河煤礦綜采工作面為工程背景，在結(jié)合相似模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，揭示覆巖結(jié)構(gòu)變異過程中礦壓顯現(xiàn)時(shí)空分布規(guī)律及其與小采高情況相比的特殊性，指導(dǎo)山西晉城寺河煤礦大采高工作面的安全生產(chǎn)，并為大采高開采技術(shù)推廣和安全保障提供技術(shù)支撐。

1 工程背景

寺河煤礦位于山西省晉城市，主采煤層為2#煤層。傾角小于11.5°，煤層平均厚度為6.2 m，走向長(zhǎng)2811 m，傾向長(zhǎng)276 m。2#煤層頂板屬于II類頂板，裂隙較發(fā)育。直接頂由泥巖和炭質(zhì)泥巖組成，厚度為6.35 m，水平層理，松軟易破碎?；卷斢芍辛Ｉ皫r和粉砂巖組成，厚度為35.4 m，泥質(zhì)膠結(jié)，巖石堅(jiān)硬，穩(wěn)定性較好。在進(jìn)行走向長(zhǎng)壁回采過程中，工作面出現(xiàn)礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度大、冒頂、片幫等現(xiàn)象。

2 相似模擬試驗(yàn)

2.1 模型鋪設(shè)

采用外形尺寸為5.0 m×0.2 m×1.5 m的平面應(yīng)變模型架，確定模擬試驗(yàn)的幾何相似比例為1∶100，容重相似比為1∶1.61，應(yīng)力相似比為1∶161，時(shí)間相似比為1∶10。模擬材料由煤粉、河砂、石膏、石灰和水組成，經(jīng)計(jì)算得到各分層所需要的材料配比見表1。

2.2 監(jiān)測(cè)方案

從模型左端30 cm處做切眼，然后一次向右推進(jìn)，每次開采10 cm，直至推進(jìn)至距模型右端30 cm處。預(yù)計(jì)共模擬開采440 m，實(shí)際開采430 m。在開采一定距離后通過全站儀對(duì)每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，記錄此時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移情況，從而分析巖層運(yùn)移的規(guī)律。設(shè)計(jì)模擬ZY10000/28/62D支架，此支架工作阻力為39.8 MPa，初撐力為31.5 MPa，支架上裝有與壓力監(jiān)測(cè)儀相連的電纜，可以監(jiān)測(cè)開采過程中頂板的來壓情況。在煤層下面鋪裝有壓力盒，從模型左端鋪裝至模型右端，監(jiān)測(cè)開采過程中超前支承壓力的變化特征。

表1 相似模擬試驗(yàn)材料配比表

3 大采高工作面礦壓顯現(xiàn)特征

3.1 頂板運(yùn)移規(guī)律及支架阻力變化

從模型左端30 cm處切眼推進(jìn)，工作面向前推進(jìn)30 m處，直接頂初步垮落，垮落厚度為1 m，此時(shí)支架荷載為15 kN。當(dāng)推進(jìn)至40 m時(shí)，直接頂?shù)诙慰迓?，垮落厚度約3 m，采空區(qū)中部老頂15 m處出現(xiàn)離層，此時(shí)支架荷載為17 kN。當(dāng)工作面推至90 m時(shí)，支架荷載突然增加至45 kN，老頂出現(xiàn)斷裂，頂板垮落巖層厚度為23 m，垮落長(zhǎng)度為90 m，斷裂巖塊平均長(zhǎng)度為5～9 m，工作面初次來壓。由此可見，該工作面初次來壓步距遠(yuǎn)大于普通綜采工作面，礦壓顯現(xiàn)劇烈。

當(dāng)工作面推進(jìn)100～190 m時(shí)，基本頂隨著支架的推移呈周期性出現(xiàn)“裂隙-離層-懸空-垮落”的垮落模式。周期來壓步距一般為25 m，來壓期間的支架荷載一般為30 kN，垮落角為60°，移架后上覆頂板垮落高度一般為40～50 m。

工作面推進(jìn)190 m移架后覆巖移動(dòng)情況如圖1所示。由圖1可以看出，工作面繼續(xù)推進(jìn)至190 m時(shí)，上覆巖層斷裂并局部垮落。支架斜后方一條傾角為60°的裂縫延伸至地表，引發(fā)地表的流沙層發(fā)生流動(dòng)，支架荷載增大至48 kN。此時(shí)是大采高工作面推進(jìn)中期，是易發(fā)生強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)事故的危險(xiǎn)時(shí)空點(diǎn)。

圖1 工作面推進(jìn)190 m移架后覆巖移動(dòng)情況

工作面推進(jìn)220 m時(shí)，上覆巖層斷裂形成的垮落頂板充填采空區(qū)，在采面附近逐漸形成鉸接巖梁，阻礙了基本頂?shù)恼？迓?。支架后?0 m范圍內(nèi)頂板懸空。工作面推進(jìn)至230 m時(shí)，基本頂突然垮落，此時(shí)支架阻力為48 kN，基本頂垮落厚度達(dá)到10 m，周期來壓步距為40 m。所以開采至停采線前應(yīng)當(dāng)提前做好斷頂工作，減小周期來壓形成的沖擊。工作面推進(jìn)至350～400 m范圍內(nèi)時(shí)，基本頂下沉垮落角變大，周期來壓步距增大至35～40 m。

圖2 開采前后觀測(cè)點(diǎn)高程對(duì)比圖

開采前后觀測(cè)點(diǎn)高程變化如圖2所示。由圖2可知，覆巖下沉量由下位巖層向上位逐漸減小，三帶分布特征較為明顯?？拷乇淼?6 m粗砂巖最終平均下沉量為0.1 m。距離模型頂部0.3 m～0.55 m的粉砂巖等巖層下沉量逐漸增大，說明粗砂巖為上覆巖層的關(guān)鍵層，起到橋式屏蔽作用。一旦此關(guān)鍵層斷裂將導(dǎo)致上覆巖層荷載傳遞至支架，加之支架附近斷裂巖層形成鉸接結(jié)構(gòu)，使得來壓步距與強(qiáng)度均明顯增大。所以工作面推進(jìn)至200 m后，周期來壓步距離散性大，工作面推進(jìn)至350 m時(shí)，基本頂懸頂面積最大，來壓強(qiáng)度最大。

圖3 覆巖運(yùn)移與支架阻力統(tǒng)計(jì)

距離模型頂部0.65 m～0.75 m為基本頂，基本頂?shù)南鲁亮恐饾u減小，說明采空區(qū)內(nèi)碎脹空間較小，下位巖層對(duì)于基本頂?shù)闹巫饔妹黠@，采空區(qū)內(nèi)形成較穩(wěn)定的鉸接巖梁結(jié)構(gòu)。

覆巖運(yùn)移與支架阻力統(tǒng)計(jì)如圖3所示。由圖3可以看出，工作面從90 m位置開采至430 m位置共發(fā)生16次周期來壓，初次來壓步距為90 m，周期來壓步距分布在10～40 m范圍內(nèi)，平均為22.67 m。開采至190 m之前周期來壓步距較穩(wěn)定，保持在20 m左右，支架阻力在20～35 kN范圍內(nèi)。開采初期基本頂周期斷裂強(qiáng)度較小，基本頂隨著支架的推移呈現(xiàn)周期性“裂隙-離層-懸空-垮落”的模式。開采至190 m后，周期來壓步距及強(qiáng)度離散性較大，190 m、270 m和350 m等位置的周期來壓步距達(dá)到40 m左右，支架阻力維持在40 kN以上。

大采高綜放工作面當(dāng)滿足式(1)的條件時(shí)，距煤層較近的亞關(guān)鍵層則會(huì)以懸臂梁形態(tài)出現(xiàn)，否則會(huì)以砌體梁的結(jié)構(gòu)形態(tài)出現(xiàn)：

(1)

式中：M——煤層采高，m；

K——直接頂垮落的碎脹系數(shù)，取1.3；

∑hi——關(guān)鍵層下部直接頂厚度，m；

h——關(guān)鍵層厚度，m；

q——關(guān)鍵層上方巖體壓力，kPa；

l——關(guān)鍵層斷裂步距，m；

σc——關(guān)鍵層抗壓強(qiáng)度，取16 MPa。

利用式(1)對(duì)該礦的亞關(guān)鍵層斷裂形式進(jìn)行判斷。當(dāng)l小于28.9 m時(shí)，亞關(guān)鍵層為砌體梁的結(jié)構(gòu)形態(tài)出現(xiàn)，當(dāng)l大于28.9 m時(shí)，亞關(guān)鍵層為懸臂梁的結(jié)構(gòu)形態(tài)出現(xiàn)。所以當(dāng)工作面推進(jìn)至190 m和270 m時(shí)，亞關(guān)鍵層斷裂部分呈“懸臂梁”特征，對(duì)支架形成的沖擊較大，支架阻力增加明顯。加之開采后期的上覆巖層“橋式屏蔽作用”減小，遠(yuǎn)端頂板部分荷載傳遞至支架，導(dǎo)致來壓強(qiáng)度增大。

開采后期周期來壓步距離散性較大的主要因素在于靠近煤層的亞關(guān)鍵層“懸臂梁-砌體梁”形式交替斷裂，而且上覆巖層垮落導(dǎo)致巖塊面積增大，在支架附近斷裂巖層形成鉸接結(jié)構(gòu)。鉸接結(jié)構(gòu)失穩(wěn)與碎脹系數(shù)不斷變化阻礙了頂板斷裂、下沉。

3.2 超前支承壓力變化

對(duì)大采高工作面開采中期(190 m)進(jìn)行超前支承壓力測(cè)試，得到超前支承壓力曲線如圖4所示。由圖4可知，大采高工作面煤體超前支承壓力峰值點(diǎn)到煤壁距離一般為10 m左右，超前影響范圍為40 m，集中應(yīng)力區(qū)為25 m，峰值在25～40 kN，在此區(qū)域內(nèi)極有可能出現(xiàn)頂板大面積切落導(dǎo)致的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象。

圖4 超前支承壓力分布曲線

將支承壓力峰值與覆巖垮落厚度進(jìn)行對(duì)比可知，超前支承壓力峰值與覆巖垮落厚度基本呈線性關(guān)系。所以在生產(chǎn)時(shí)期，應(yīng)注意初次來壓、周期來壓等頂板運(yùn)移頻繁時(shí)段，至少對(duì)工作面前方50 m范圍內(nèi)的超前單體液壓支柱測(cè)力計(jì)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)做好礦壓防治與加強(qiáng)支護(hù)工作。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

在工作面下巷超前100 m范圍內(nèi)每隔10 m進(jìn)行超前單體液壓支柱壓力監(jiān)測(cè)。采區(qū)兩平巷超前單體支柱壓力監(jiān)測(cè)曲線如圖5所示。

圖5 采區(qū)上下兩巷超前單體支柱壓力監(jiān)測(cè)曲線

由圖5可以看出，上、下巷超前壓力峰值位于20～25 m范圍內(nèi)，超前影響范圍在40～50 m范圍內(nèi)，與相似材料模擬試驗(yàn)結(jié)果基本一致。超前支承壓力峰值距離工作面煤壁較遠(yuǎn)，有利于對(duì)工作面前方煤體應(yīng)力的控制。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)山西晉城寺河綜采工作面進(jìn)行相似模擬試驗(yàn)，得出其覆巖運(yùn)移規(guī)律與礦壓顯現(xiàn)特征的特殊性有以下幾個(gè)方面：

(1)大采高工作面的初次來壓步距與礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于普通綜采工作面。根據(jù)相似模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)山西晉城寺河綜采工作面初次來壓步距為90 m。

(2)大采高工作面開采初期的周期來壓步距與后期不同。在開采初期周期來壓步距較穩(wěn)定，保持在20 m左右，支架阻力在20～35 kN范圍內(nèi)。工作面推進(jìn)190 m之后，周期來壓步距及強(qiáng)度離散性較大。在190 m、270 m和350 m等位置的基本頂懸頂面積較大。

(3)大采高工作面開采后期的周期來壓強(qiáng)度比初期大。由于在190 m、270 m和350 m等位置亞關(guān)鍵層為懸臂梁的結(jié)構(gòu)形態(tài)出現(xiàn)，所以來壓期間頂板斷裂對(duì)支架形成的沖擊較大，支架阻力增加明顯。

(4)大采高工作面的超前支承壓力峰值距煤壁距離較遠(yuǎn)，峰值相對(duì)較高。大采高工作面煤體超前支承壓力峰值點(diǎn)到煤壁距離一般為10 m左右，超前影響范圍為40 m，集中應(yīng)力區(qū)為25 m，峰值在25～40 kN。

(5)大采高工作面超前支承壓力峰值與覆巖垮落厚度呈線性正相關(guān)關(guān)系。在生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)時(shí)期應(yīng)注意頂板運(yùn)移劇烈時(shí)期超前工作面50 m范圍內(nèi)的礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

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(責(zé)任編輯 陶 賽)

Study on overlying strata movement rules and special features of mining pressure at working face with large mining height

Deng Xiaopeng

(Shanxi Institute of Energy, Jinzhong, Shanxi 030600, China)

Aiming at mining pressure control problem of working face with large mining height, similarity simulation experiment was conducted to figure out the specific features of mining pressure during overlying strata movement. The results showed that the roof weighting step of working face was 90 m, the periodic weighting distance was stable, and weighting intensity was low. Once face advanced 190 m, the discreteness of periodic weighting distance and intensity were high, which may cause strong weighing accident. The peak value of abutment pressure could reach 40 kN and had linear relationship with strata failure height.

working face with large mining height, overlying strata movement rules, mine pressure feature, abutment pressure

鄧小鵬. 大采高工作面覆巖運(yùn)移規(guī)律及礦壓顯現(xiàn)特征特殊性研究 [J]. 中國(guó)煤炭，2017，43(3)：66-69，73. Deng Xiaopeng. Study on overlying strata movement rules and special features of mining pressure at working face with large mining height [J]. China Coal，2017，43(3)：66-69，73.

TD355

A

鄧小鵬(1977)，江西奉新人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事工程地質(zhì)和礦壓控制的研究。