特厚煤層綜放面支承壓力影響范圍分析

黃慶國(guó)

(山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西 大同 037003)

0 引言

在煤炭生產(chǎn)過(guò)程中，特厚煤層綜采放頂煤開(kāi)采工作面，采煤高度和普通綜采沒(méi)有太大區(qū)別，放頂煤高度一般大于采煤高度，因此采煤工作面礦壓顯現(xiàn)與普通綜采存在較大差別，也與厚煤層一次采全高工作面明顯不同。研究垮落帶、裂隙帶的發(fā)育高度，采面支承壓力分布范圍，對(duì)工作面設(shè)備選型、巷道布置，停采線位置布置具有一定的幫助作用。

1 采煤工作面支承壓力的演變概述

從采面由開(kāi)切眼回采開(kāi)始到采面煤壁的承載能力發(fā)生變化前，伴隨采面工作面的回采工作，老頂巖梁處于相對(duì)穩(wěn)定階段，老頂巖梁對(duì)煤層的作用力逐漸加大。此時(shí)，煤層沒(méi)有破壞，仍然處于彈性受力狀態(tài)，在煤壁前方的煤體中受力依然沒(méi)有到達(dá)煤體的極限應(yīng)力，支承壓力分布曲線是單調(diào)下降的，應(yīng)力峰值在煤壁處。

煤體承載能力發(fā)生改變直至直接頂上部的老頂巖梁端部斷裂。在這個(gè)階段，煤層頂板施加在煤壁上的應(yīng)力變大，支承壓力的最大峰值應(yīng)力超越了煤體的極限應(yīng)力，煤體受力達(dá)到其極限值而發(fā)生破裂，煤體的承載能力下降，煤體上方的支承壓力分布分裂為2個(gè)區(qū)域，分別為塑性區(qū)和彈性區(qū)。在塑性區(qū)內(nèi)部，煤體上的支承壓力單調(diào)上升；與塑性區(qū)內(nèi)相反，彈性區(qū)內(nèi)支承壓力單調(diào)下降，支承壓力的最大峰值作用在塑性區(qū)和彈性區(qū)接合部。

煤層上方老頂巖層之中位于低位的巖梁在其端部產(chǎn)生斷裂開(kāi)始，直至老頂下位巖梁中部觸矸。在老頂巖梁端部產(chǎn)生斷裂之前，支承壓力會(huì)在巖梁斷裂線的位置產(chǎn)生應(yīng)力集中；煤層上方老頂巖梁端部斷裂后，以斷裂線為界支承壓力分為內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)、外應(yīng)力場(chǎng)，從采面工作面煤壁到頂板斷裂線之間稱為內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)，其中支承壓力的值由應(yīng)力拱內(nèi)的巖梁的重力決定；斷裂線的外部屬于外應(yīng)力場(chǎng)，支承壓力的值由上覆巖層的全部自重產(chǎn)生。

煤層上方老頂巖梁的下位巖梁中部觸矸開(kāi)始，發(fā)展到煤層上方老頂巖梁的上位巖梁斷裂、觸矸，一直推進(jìn)到采面的推進(jìn)長(zhǎng)度與采煤工作面長(zhǎng)度相同，也就是采空區(qū)見(jiàn)方位置。隨著采煤工作面向前回采，煤層上覆巖梁由初次斷裂后，而后進(jìn)入周期性斷裂的狀態(tài)。這個(gè)過(guò)程中，伴隨著采煤工作面的向前回采，內(nèi)外應(yīng)力場(chǎng)的范圍會(huì)逐漸擴(kuò)展，當(dāng)采面推進(jìn)致使采空區(qū)范圍擴(kuò)展到見(jiàn)方時(shí)，2個(gè)應(yīng)力場(chǎng)范圍最大。

從采煤工作面回采到采空區(qū)見(jiàn)方位置時(shí)開(kāi)始，直至采煤工作面到達(dá)停采線的位置。因?yàn)椴擅汗ぷ髅骈L(zhǎng)度恒定，圍巖運(yùn)動(dòng)所形成的斷裂拱的高度和范圍將維持不變。隨著采煤工作面回采工作的持續(xù)進(jìn)行，煤層上方老頂巖梁的斷裂將周期性地發(fā)生，在這個(gè)階段，采煤工作面煤壁前方不斷前移2個(gè)應(yīng)力場(chǎng)、支承壓力的峰值壓力作用位置亦會(huì)以相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)呈現(xiàn)，這一階段叫做煤層上方支承壓力的穩(wěn)定發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

2 綜采放頂煤采煤工作面頂板結(jié)構(gòu)

綜采放頂煤開(kāi)采技術(shù)起源于國(guó)外，成熟發(fā)展于國(guó)內(nèi)。綜放開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的實(shí)踐表明，煤層采放厚度增加勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致煤層頂板的冒落厚度增加，在遠(yuǎn)離綜采放頂煤采面的部位，存在傳遞巖梁結(jié)構(gòu)。在煤層的垂直方向，老頂形成的各個(gè)傳遞巖梁有其不同的穩(wěn)定特性，下位巖梁垮落呈現(xiàn)不規(guī)則狀態(tài)，上位巖梁則是規(guī)則排列，煤層上方直接頂冒落后巖塊隨其冒落高度的增大而成正比的增加，隨后直接頂巖層的運(yùn)動(dòng)空間也會(huì)逐步逐漸降低。因此，以采空區(qū)冒落巖石為拱腳，以采面工作面上部巖層為拱頂?shù)陌牍笆浇Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生，綜采放頂煤采面頂板結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 綜采放頂煤采面頂板結(jié)構(gòu)

在綜采放頂煤回采過(guò)程中，半拱式結(jié)構(gòu)與傳遞巖梁相結(jié)合，兩者的共同作用形成了采場(chǎng)上覆巖層的結(jié)構(gòu)形式，2種上覆巖層結(jié)構(gòu)形式隨著采煤工作面推進(jìn)會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，導(dǎo)致了直接頂和老頂分別發(fā)生了初次來(lái)壓和周期來(lái)壓。

3 支承壓力分布分析

3.1 塑性區(qū)范圍支承壓力

依據(jù)采場(chǎng)礦壓理論，開(kāi)采后采煤工作面煤壁前方形成極限平衡區(qū)，極限平衡區(qū)內(nèi)，依據(jù)彈性力學(xué)原理，取一微元體，如圖2所示。

由于平衡關(guān)系，根據(jù)∑fx=0，有

(1)

圖2 極限平衡區(qū)受力

(2)

式中：Rc—煤體單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；φ—煤層內(nèi)摩擦角，(°)。

(3)

帶入∑fx=0的平衡方程中，可得

(4)

當(dāng)x=0，σy=N0時(shí)，C=lnN0

式中：N0—煤壁的支撐能力，MPa。

(5)

(6)

(7)

式中：f—接觸面摩擦系數(shù)；M—煤層采厚，m；x—任一點(diǎn)到煤壁的距離，m。

(8)

式中：K—應(yīng)力集中系數(shù)，一般情況下為2～6；γ—容重，kg/m3；H—采深，m。

峰值位置距離煤壁x0，則

(9)

由式(7)可以看出，塑性區(qū)范圍內(nèi)，煤體內(nèi)支承壓力與煤壁距離呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系遞增，隨著與煤壁距離增大，支承壓力峰值逐步增大直至達(dá)到其峰值。

由式(9)可以看出，在φ的影響下，x0的數(shù)值會(huì)發(fā)生一定的范圍變化；與此同時(shí)，由于采厚度M增大，x0總體上是增大的。由此得出結(jié)論，綜采放頂煤采場(chǎng)超前支承壓力峰值位置會(huì)隨著煤層開(kāi)采厚度的加大向煤體深處移動(dòng)。

3.2 彈性區(qū)范圍內(nèi)支承壓力

設(shè)x1為彈性區(qū)范圍，x=x0+x1時(shí)，得

(10)

在煤壁前方煤體彈性區(qū)范圍內(nèi)，支承壓力與煤壁距離呈負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系遞減，隨著與煤壁距離的增加煤體內(nèi)的支承壓力逐漸降低到原巖應(yīng)力γH，并且綜采放頂煤采面前方支承壓力范圍隨煤層開(kāi)采厚度的增加而增大。

4 綜采放頂煤工作面支承壓力分布計(jì)算

塔山煤礦8105綜采放頂煤工作面長(zhǎng)230 m，煤層埋深505 m，煤層平均厚度14.81 m，煤層傾角平均4°。直接頂巖性復(fù)雜，平均厚度4.49 m，f值在6.0～6.5之間。老頂巖性為深灰色粉砂巖，平均厚度22.93 m，f值在5.0～6.0之間。

根據(jù)該綜放面的煤層賦存情況，結(jié)合該礦條件類似采面的相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)，選擇8105綜采放頂煤采面的支承壓力分布計(jì)算參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 8105采面支承壓力分布范圍計(jì)算參數(shù)

把表1中的采面支承壓力分布計(jì)算參數(shù)代入式(9)，支承壓力峰值點(diǎn)與煤壁的距離。當(dāng)煤層開(kāi)采厚度為5 m時(shí)，x0=18 m；當(dāng)煤層開(kāi)采厚度為10 m時(shí)，x0=36 m；當(dāng)煤層開(kāi)采厚度為15 m時(shí)，x0=54 m。

將表1參數(shù)x0計(jì)算結(jié)果代入式(10)中，得到8105綜采放頂煤工作面煤壁前方彈性區(qū)內(nèi)支承壓力分布范圍。當(dāng)煤層開(kāi)采厚度為5 m時(shí)，x1=31 m；當(dāng)煤層開(kāi)采厚度為10 m時(shí)，x1=62 m；當(dāng)煤層開(kāi)采厚度為15 m時(shí)，x1=94 m，見(jiàn)表2，由此可以得到塔山煤礦8105綜采放頂煤工作面煤壁前方支承壓力的影響范圍，如圖3所示。

表2 8105綜放面支承壓力影響范圍 m

圖3 綜放面支承壓力分布范圍

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)理論分析計(jì)算，得出了同煤集團(tuán)公司塔山煤礦一盤區(qū)8105綜采放頂煤工作面煤壁前方支承壓力分布范圍，據(jù)此確定停采線煤柱寬度，對(duì)停采線煤柱的合理留設(shè)有一定的指導(dǎo)意義。