近距離煤層采空區(qū)下工作面覆巖結(jié)構(gòu)特征研究

李　忠

(西山煤電集團(tuán)公司 西銘礦，山西　太原　030053)

對(duì)于工作面覆巖結(jié)構(gòu)的研究，現(xiàn)有成果主要是針對(duì)單一煤層的開(kāi)采，而對(duì)于近距離煤層，由于上煤層開(kāi)采后，頂?shù)装宓慕Y(jié)構(gòu)和特性受到采動(dòng)影響而發(fā)生改變，因此下煤層開(kāi)采時(shí)的礦壓特征與單一煤層相比有著一定的區(qū)別。本文以西銘礦實(shí)際地質(zhì)情況為工程背景，通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬的方法，對(duì)上煤層開(kāi)采后覆巖運(yùn)動(dòng)特征和底板破壞情況做分析研究，并對(duì)下煤層工作面支架阻力進(jìn)行合理推算，為礦井安全開(kāi)采奠定基礎(chǔ)。

1　工作面概況

西銘礦是西山煤電集團(tuán)的主力礦井，43108工作面位于西十一采區(qū)，主采3#煤層，煤層厚度為1.30～2.80 m，平均2.37 m，煤層傾角為2°～8°，平均5°，煤層埋深約220 m.

工作面上覆2#煤層采空區(qū)，2#煤層厚度為1.65～2.40 m，平均2.0 m，上下煤層間距為9～17 m，平均12 m.其主要巖層綜合柱狀圖見(jiàn)圖1.

圖1　綜合巖層柱狀圖

2　覆巖結(jié)構(gòu)分析

2.1　上煤層開(kāi)采覆巖破壞情況

隨著2#煤層的開(kāi)采，其覆巖結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一定改變，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，2#煤層的垮落帶高度為：

(1)

式中：

Hm—垮落帶高度，m；

M—煤層厚度，m，取2.0；

Kp—巖層碎漲系數(shù)，取1.2.

將數(shù)據(jù)代入式(1)，得2#煤層垮落帶高度為10 m.

煤層開(kāi)采后，其裂隙帶高度可由式(2)表示：

(2)

式中：

Hl—裂隙帶高度，m.

將數(shù)據(jù)代入式(2)，可得2#煤層的裂隙帶高度為23.81～35.01 m.

2.2　上煤層底板破壞深度

隨著2#煤層的開(kāi)采，會(huì)對(duì)其底板造成一定的損傷破壞，嚴(yán)重影響3#煤層的正常開(kāi)采，根據(jù)彈塑性理論，底板最大破壞深度為：

(3)

式中：

Dmax——底板破壞最大深度，m；

γ—巖層容重，kN/m3，取25;

H—埋深，m，取208；

L—工作面長(zhǎng)度，mm，取200；

Rc—單軸抗壓強(qiáng)度，MPa，取35.

將數(shù)據(jù)代入式(3)，可得2#煤層的底板破壞最大深度為1.73 m，而上下煤層間距平均為12 m，大于最大破壞深度，故3#煤層開(kāi)采時(shí)，只有部分老頂受到破壞。

2.3　下煤層覆巖結(jié)構(gòu)分析

3#煤層頂板的垮落高度也可由式(1)求得，取煤層厚度M為2.37 m，碎漲系數(shù)KP為1.2，則3#煤層垮落高度為11.85 m，層間巖層厚度平均為12 m，剩余完整部分厚度過(guò)小，難以形成平衡結(jié)構(gòu)。因此，3#煤層工作面支架所受壓力為層間巖層和上煤層采空區(qū)垮落矸石重量之和，其結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖2.

圖2　下煤層覆巖結(jié)構(gòu)圖

3　數(shù)值模擬

3.1　建立模型

根據(jù)圖1及礦井實(shí)際地質(zhì)資料，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立數(shù)值模型，見(jiàn)圖3.

圖3　數(shù)值模型圖

如圖3，模型采用Mohr-Coulomb材料模型，長(zhǎng)200 m×寬250 m×高50 m，模型底部固支，四周設(shè)置水平位移，頂部施加應(yīng)力模擬上部載荷。利用數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)近距離煤層礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行研究。

3.2　上煤層開(kāi)采的礦壓規(guī)律

首先，對(duì)2#煤層進(jìn)行開(kāi)挖，每次推進(jìn)1 m，記錄工作面塑性破壞區(qū)圖，見(jiàn)圖4.

圖4　上煤層開(kāi)采后塑性破壞區(qū)圖

為方便觀察，將剪切破壞區(qū)域全部用淺色表示，拉伸破壞區(qū)域全部用深色表示。由圖4可以看出，覆巖塑性區(qū)呈“馬鞍形”分布，拉伸破壞區(qū)域即為頂板垮落范圍，距2#煤層約9.5 m，剪切破壞區(qū)域即為導(dǎo)水裂隙帶范圍，距2#煤層約31 m. 結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果十分接近，進(jìn)一步驗(yàn)證了理論計(jì)算的準(zhǔn)確性。

3.3　下煤層開(kāi)采的礦壓規(guī)律

開(kāi)采3#煤層之前，改變2#煤層采空區(qū)材料特征，模擬矸石對(duì)頂板的支撐作用，然后對(duì)3#煤層進(jìn)行開(kāi)挖，記錄塑性破壞區(qū)圖，見(jiàn)圖5.

圖5　下煤層開(kāi)采后塑性破壞區(qū)圖

由圖5可以看出，下煤層開(kāi)采后，其冒落巖層貫通上煤層的采空區(qū)，但上煤層的覆巖破壞范圍未發(fā)生明顯改變。說(shuō)明下煤層開(kāi)采后，頂板破壞高度即為層間巖層的厚度，未造成上煤層垮落帶的進(jìn)一步擴(kuò)大，進(jìn)一步驗(yàn)證了圖2所示的結(jié)構(gòu)模型。

4　下煤層支架阻力的確定

對(duì)于下煤層的開(kāi)采，合理支架阻力的選擇也十分重要，下面通過(guò)3種不同的計(jì)算方法，確定合理的支架阻力。

4.1　理論計(jì)算

1) 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，一般的，工作面支護(hù)強(qiáng)度可由式(4)表示：

p=nHzγ

(4)

式中：

p—支架支護(hù)強(qiáng)度，kN/m2；

n—增載系數(shù)，一般取2；

Hz—直接頂厚度，m，取12.

將數(shù)據(jù)代入，可得支架支護(hù)強(qiáng)度為600 kN/m2.

根據(jù)支護(hù)強(qiáng)度，可得支架工作阻力為：

Q=p(b+L)B/η

(5)

式中：

Q—支架工作阻力，kN；

b—端面距，m，取0.34；

L—頂梁長(zhǎng)度，m，取3.89；

B—支架中心距，m，取1.5；

η—支架效率，取0.98.

將數(shù)據(jù)代入，可得支架工作阻力為3 884.7 kN.

2) 根據(jù)結(jié)構(gòu)模型。

通過(guò)前面的分析，可知下煤層覆巖結(jié)構(gòu)模型如圖2所示，下煤層支架阻力應(yīng)為層間巖層與上覆采空區(qū)垮落巖層重量之和，則支架的工作阻力可由下式表示：

Q=KsBLz(Hm1+hcj)γ

(6)

式中：

Hm1—上煤層冒落高度，m，取10；

hcj—層間巖層厚度，m，取12；

Lz—支架控頂距，m，取4.24；

Ks—安全系數(shù)，取1.2.

將數(shù)據(jù)代入，可得支架的工作阻力為4 197.6 kN.

3) 根據(jù)頂板分類(lèi)。

支架工作阻力的大小與基本頂?shù)募?jí)別有一定的關(guān)系。基本頂?shù)姆旨?jí)可以由直接頂充填系數(shù)N來(lái)表示，對(duì)于43108工作面，其直接頂充填系數(shù)為：

(7)

式中：

Hc—下煤層垮落矸石的厚度，為層間巖層與上煤層冒落高度之和，m，取22；

M2—下煤層厚度，m，取2.37.

將數(shù)據(jù)代入式(7)，可得充填系數(shù)N=9.28，依據(jù)基本頂分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，屬于I 級(jí)來(lái)壓不明顯頂板。

基本頂級(jí)別與額定支護(hù)強(qiáng)度下限之間的關(guān)系見(jiàn)表1.

表 1　支護(hù)強(qiáng)度與基本頂級(jí)別的關(guān)系表

由表1可知，下煤層采高為2.37 m，則其額定支護(hù)強(qiáng)度下限約為pe=464 kPa. 根據(jù)其支護(hù)強(qiáng)度，得到支架工作阻力為：

Q=KsBLzpe

式中符號(hào)含義與前面相同，代入數(shù)據(jù)，可得支架工作阻力為3 541.2 kN.

4.2　確定合理的支架阻力

通過(guò)前面的計(jì)算，可以看出3種計(jì)算方法所得支架工作阻力差別不大，為確定最為合理的支架阻力，可取3個(gè)結(jié)果的平均值，為：

因此，可以確定支架的工作阻力最小應(yīng)為3 874.5 kN.

5　結(jié)　論

根據(jù)西銘礦43108工作面的實(shí)際地質(zhì)情況，通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論：

1) 對(duì)2#煤層和3#煤層的頂?shù)装迤茐姆秶M(jìn)行理論計(jì)算，并依據(jù)計(jì)算結(jié)果，構(gòu)建下煤層的覆巖結(jié)構(gòu)模型。

2) 通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的分析，得到2#煤層的垮落帶高裂隙帶的高度分別為9.5 m和31 m，驗(yàn)證了理論計(jì)算的結(jié)果，通過(guò)分析3#煤層開(kāi)采時(shí)的覆巖結(jié)構(gòu)變化，驗(yàn)證了構(gòu)建的結(jié)構(gòu)模型。

3) 利用3種不同方法，對(duì)3#煤層工作面支架工作阻力進(jìn)行計(jì)算，得出支架阻力應(yīng)大于3 874.5 kN，為工作面的安全生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

[1]周楠,張強(qiáng),安百富,等. 近距離煤層采空區(qū)下工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[J]. 中國(guó)煤炭,2011,37(02):48-51+96.

[2]龔紅鵬,李建偉,陳寶寶. 近距離煤層群開(kāi)采覆巖結(jié)構(gòu)及圍巖穩(wěn)定性研究[J]. 煤礦開(kāi)采,2013,18(05):90-92+43.

[3]呂兆海,趙長(zhǎng)紅,岳曉軍,等. 近距離煤層下行開(kāi)采條件下覆巖運(yùn)移規(guī)律研究[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù),2017,45(07):18-22+32.

[4]薛廣哲,任博玲,馮宇峰. 近距離煤層下層煤頂板結(jié)構(gòu)力學(xué)分析[J]. 煤礦安全,2011,42(02):143-144+149.

[5]郭帥,孔憲法,康天合,等. 采空區(qū)下近距離煤層綜采工作面支架載荷分析[J]. 煤礦安全,2013,44(05):214-217.