厚煤層高強(qiáng)度綜放開采覆巖結(jié)構(gòu)及礦壓顯現(xiàn)特征研究

劉 捷

(山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西省大同市，037003)

?

厚煤層高強(qiáng)度綜放開采覆巖結(jié)構(gòu)及礦壓顯現(xiàn)特征研究

劉 捷

(山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西省大同市，037003)

為掌握厚煤層高強(qiáng)度綜放開采覆巖結(jié)構(gòu)及礦壓顯現(xiàn)特征，以長平礦2308工作面為工程背景，運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)測等方法對其覆巖結(jié)構(gòu)和礦壓顯現(xiàn)特征進(jìn)行研究。結(jié)果表明，2308工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律主要由主關(guān)鍵層和亞關(guān)鍵層共同控制，分別在頂板下位形成短組合懸臂梁結(jié)構(gòu)，上位形成鉸接巖梁結(jié)構(gòu)；下位短組合懸臂梁+上位鉸接巖梁結(jié)構(gòu)是造成工作面存在大小周期來壓的直接原因。

厚煤層 短組合懸臂梁 鉸接巖梁 周期來壓

隨著對綜合機(jī)械化開采的深入研究，我國厚煤層開采逐漸采用綜采放頂煤一次采全高、大采高綜采的開采方法。與分層開采相比，綜采一次采全高具有工作面推進(jìn)速度快、日產(chǎn)量高、資源采出率高、資源開采強(qiáng)度大的優(yōu)點(diǎn)，但這種開采方式造成頂板活動空間增加，使工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和頂板結(jié)構(gòu)特征呈明顯變化。研究厚煤層綜放工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律對預(yù)防頂板事故、減少人員傷亡具有重要作用。有學(xué)者認(rèn)為，頂板結(jié)構(gòu)以懸臂梁+鉸接巖梁的形式存在，但這些研究成果實(shí)際應(yīng)用和驗(yàn)證較少，有必要在這些研究成果的基礎(chǔ)上繼續(xù)深入研究和驗(yàn)證。為了實(shí)現(xiàn)工作面的安全高效開采，本文以長平礦2308工作面為背景，為此類礦井頂板災(zāi)害事故防治提供參考。

2308回采工作面走向長度為1133.5 m，傾斜長度為175 m。東部為丹河保護(hù)煤柱，西部為柳村村莊保護(hù)煤柱，北部為Ⅲ2309綜放工作面，南部為柳村河保護(hù)煤柱。工作面設(shè)計平均采高為5.04 m。老頂為泥巖，厚度為10.55 m，具有垂直層面的裂隙充填。直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度為5.22 m。直接底為泥巖，厚度為0.7 m，薄層狀，水平裂隙發(fā)育。巖層具體狀況見表1。

表1 長平礦2308工作面巖層具體情況

1 工作面頂板破斷距及頂板結(jié)構(gòu)分析

在采場上部存在對局部或全部覆巖存在控制作用的巖層，此巖層為關(guān)鍵層。關(guān)鍵層的判別需要滿足變形判別條件和強(qiáng)度判別條件。

(1)變形條件。該巖層的變形值即撓度小于下部巖層的變形值，使得兩部分巖層有一定范圍的離層，判別表達(dá)式為:

式中：q1/n+1——第n+1層荷載，MPa；

Ei——第i層彈性模量，MPa；

hi——第i層巖層厚度，m；

γi——第i層巖層容重，kN/m3。

(2)強(qiáng)度條件。假設(shè)第n+1層為關(guān)鍵層，則該巖層的破斷距l(xiāng)n+1必須大于第一層的破斷距離l1。

由于工作面前方、后方、左邊、右邊的保護(hù)煤柱寬度均大于40m，因此將2308工作面簡化為固支梁。則第i層的破斷距計算公式為:

(4)

式中：li——第i層巖層的破斷距，m；

σti——第i層巖層抗拉強(qiáng)度，MPa。

假設(shè)第a、b、c巖層為自下而上的堅硬巖層，如果Lc>Lb>La，則第c層位為關(guān)鍵層，第b層為亞關(guān)鍵層；如果Lb>Lc>La，將第c層荷載加到第b層上面，再計算破斷距，破斷距大的是關(guān)鍵層，其次是亞關(guān)鍵層，第c層不是關(guān)鍵層，只是作為堅硬巖層存在。經(jīng)計算，得到長平礦2308工作面上部共有兩個關(guān)鍵層，結(jié)果見表2。

表2 關(guān)鍵層破斷特征

長平礦雖然存在兩個關(guān)鍵層，但由于采出厚度增大，頂板活動空間增大，亞關(guān)鍵層距離煤層較近，活動空間較大，采空區(qū)矸石不能對頂板起到有效的支撐作用，亞關(guān)鍵層很難以鉸接巖梁結(jié)構(gòu)的形式存在。本文認(rèn)為亞關(guān)鍵層及其控制的部分巖層，在破斷前以組合懸臂梁的結(jié)構(gòu)形式存在，破斷后作為垮落矸石有規(guī)則的垮落，成為垮落帶的組成部分；主關(guān)鍵層離煤層較遠(yuǎn)，其破斷后回轉(zhuǎn)空間不大，不會發(fā)生滑落失穩(wěn)，將以鉸接巖梁結(jié)構(gòu)的形式存在。

在工作面推進(jìn)過程中，亞關(guān)鍵層首先破斷，其控制的上部層位，即亞關(guān)鍵層至主關(guān)鍵層之間的層位也隨之破斷，造成工作面較小的來壓現(xiàn)象。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，達(dá)到上位主關(guān)鍵層的破斷距，主關(guān)鍵層破斷，隨著壓力的增大，下位亞關(guān)鍵層也隨著破斷，造成工作面的大周期來壓現(xiàn)象。根據(jù)主關(guān)鍵層和亞關(guān)鍵層破斷距分析可知，在一個大的周期來壓內(nèi)，可能存在數(shù)次的小來壓現(xiàn)象，下位短組合懸臂梁+上位鉸接巖梁結(jié)構(gòu)是造成2308工作面來壓不穩(wěn)定的重要原因。

由表2可知，工作面的小周期來壓步距為13m，大周期來壓步距為23.3m。小周期來壓步距的2倍大于一次周期來壓步距，因此2308工作面在一個周期來壓范圍內(nèi)存在一個小周期來壓。具體來說，工作面推進(jìn)過程中，在一個周期來壓范圍內(nèi)，下位短懸臂梁破斷并垮落形成小周期來壓，然后上位鉸接巖梁結(jié)構(gòu)發(fā)生破斷，導(dǎo)致再次形成的短懸臂梁也隨之發(fā)生破斷，形成大周期來壓。

2 覆巖結(jié)構(gòu)特征數(shù)值模擬研究

為了驗(yàn)證2308工作面下位形成了短組合懸臂梁結(jié)構(gòu)，上位形成了鉸接巖梁結(jié)構(gòu)，利用UDEC數(shù)值模擬軟件，依照2308工作面綜合柱狀圖，建立了數(shù)值模擬模型。模型尺寸為500m×170m，模擬開采步距為20m。

圖1 短組合懸臂梁+鉸接巖梁結(jié)構(gòu)示意圖

工作面推進(jìn)140m時頂板形成的垮落結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，頂板下位形成明顯的短懸臂梁結(jié)構(gòu)，其初始懸臂結(jié)構(gòu)起始層位為亞關(guān)鍵層部位；下位的懸臂結(jié)構(gòu)長度并不完全一致，而是由下到上逐漸變大；上位鉸接巖梁結(jié)構(gòu)明顯。綜上所述，2308工作面的頂板結(jié)構(gòu)為下部短組合懸臂+上位鉸接巖梁結(jié)構(gòu)。工作面開采過程中，懸臂結(jié)構(gòu)垮落，形成小周期來壓，達(dá)到一定長度后主關(guān)鍵層破斷，也使懸臂結(jié)構(gòu)破斷，形成大的周期來壓，此結(jié)果與基于關(guān)鍵層理論分析得出2308工作面的頂板結(jié)構(gòu)一致。

3 工作面礦壓顯現(xiàn)特征

為進(jìn)一步驗(yàn)證理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果，對工作面支架工作阻力進(jìn)行觀測，以證實(shí)覆巖結(jié)構(gòu)以下位短組合懸臂梁+上位鉸接巖梁直接導(dǎo)致了工作面存在大小周期來壓現(xiàn)象。根據(jù)工作面2條支架載荷測線觀測數(shù)據(jù)的P-L變化曲線分析老頂周期來壓過程，分別如圖2和圖3所示。監(jiān)測期間，工作面推進(jìn)100m左右，平均經(jīng)歷4次大周期來壓，檢測結(jié)果見表3。

圖2 50#支架工作阻力隨工作面推進(jìn)距離變化曲線

圖3 65#支架工作阻力隨工作面推進(jìn)距離變化曲線

由圖2、圖3和表3可知，工作面存在明顯的周期來壓現(xiàn)象。對于50#支架，在一個大周期來壓范圍內(nèi)，存在一個明顯的小周期來壓現(xiàn)象，其大周期來壓平均步距為21.5m，小周期來壓平均步距為11m；對于65#支架，在一個大周期來壓范圍內(nèi)，同樣存在一個明顯的小周期來壓現(xiàn)象，其大周期來壓平均步距為25m，小周期來壓平均步距為13.6m。50#和65#支架工作阻力的變化現(xiàn)象表明，下位短組合懸臂梁破斷并垮落，造成小周期來壓，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，主關(guān)鍵層斷裂，但回轉(zhuǎn)空間不大，形成上位鉸接巖梁。該結(jié)構(gòu)發(fā)生一定回轉(zhuǎn)，同時造成下位短組合懸臂梁破斷并垮落，最終作用于支架上部形成大的周期來壓。

表3 歷次周期來壓步距分析表

4 結(jié)論

(1)理論分析表明，控制2308綜放工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的巖層為主關(guān)鍵層和亞關(guān)鍵層，主關(guān)鍵層破斷距為23m,亞關(guān)鍵層破斷距為13m，分別在采場下位形成了短組合懸臂梁結(jié)構(gòu)，上位形成了鉸接巖梁結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是造成工作面存在大小周期來壓的直接原因；2308工作面在一個大周期來壓過程中，存在一個小周期來壓過程。

(2)數(shù)值模擬研究表明，2308工作面頂板結(jié)構(gòu)為短組合懸臂+鉸接巖梁結(jié)構(gòu)。

(3)液壓支架工作阻力在線監(jiān)測表明，工作面存在大小周期來壓現(xiàn)象，大周期來壓平均步距為21.5m，小周期來壓步距為11m左右，在一個大周期來壓過程中，存在一個小周期來壓，理論分析結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性。

(4)數(shù)值模擬、現(xiàn)場實(shí)測、理論分析均表明，2308工作面頂板結(jié)構(gòu)為短組合懸臂+鉸接巖梁結(jié)構(gòu)。

[1] 杜鋒，白海波 . 厚松散層薄基巖綜放開采覆巖破斷機(jī)理研究[J] . 煤炭學(xué)報，2012(7)

[2] 柴敬，高登彥，王國旺等 . 厚基巖淺埋大采高加長工作面礦壓規(guī)律研究 [J]. 采礦與安全工程學(xué)報，2009(4)

[3] 弓培林，靳鐘銘.大采高采場覆巖結(jié)構(gòu)特征及運(yùn)動規(guī)律研究 [J] . 煤炭學(xué)報，2004(1)

[4] 張風(fēng)達(dá)，孟祥瑞，許文松 . 極近煤層大采高綜采面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律 [J] . 煤炭科技，2015(1)

[5] 于雷，閆少宏，尹希文等 . 支護(hù)阻力作用下綜放開采頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析及應(yīng)用 [J] . 煤礦開采，2012(1)

[6] 閆少宏,尹希文,許紅杰等 . 大采高綜采頂板短懸臂梁-鉸接巖梁結(jié)構(gòu)與支架工作阻力的確定 [J] . 煤炭學(xué)報，2011(11)

[7] 龐成 . 特厚煤層大采高綜放開采礦壓規(guī)律 [J] . 中國煤炭，2017(3)

[8] 彭帥，魏英楠，常坤林 . 淺埋深雙關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)采場礦壓規(guī)律研究 [J] . 中國煤炭，2017(2)

(責(zé)任編輯 陶 賽)

Research on roof structure and mining pressure characteristics of thick coal seam of high intensity full-mechanized caving mining

Liu Jie

(School of Coal Engineering, Shanxi Datong University, Datong, Shanxi 037003, China)

In order to understand overlying strata behavior laws and roof structure of fully mechanized mining face in thick coal seam, using field observation, theoretical analysis and numerical simulation, taking 2308 work face of Changping Mine as project background, studied the roof structure and mining pressure characteristics. The results showed that the main key strata and inferior key strata controlled strata behavior laws, the structure of short cantilever-articulated rock beam was formed at lower level of roof and hinge beam structure was formed at upper level. This combination of structures was believed to have caused strengthened and weak periodic weighting.

thick coal seam, short cantilever beam structure, hinge structure, periodic weighting

國家自然科學(xué)基金(51504136)

劉捷 . 厚煤層高強(qiáng)度綜放開采覆巖結(jié)構(gòu)及礦壓顯現(xiàn)特征研究[J] . 中國煤炭，2017,43(6)：72-75.LiuJie.ResearchonRoofstructureandminingpressurecharacteristicsofthickcoalseamofhighintensityfull-mechanizedcavingmining[J] .ChinaCoal，2017,43(6)：72-75.

TD

A

劉捷(1980-)，男，山西大同人，碩士，講師，主要從事礦山壓力與巖層控制方面的研究。