平朔二號(hào)井特厚煤層采空區(qū)下極近距離煤層開(kāi)采相似模擬研究

張春霆,楊 恒,梁勝銀,王懷金

(1.山西中煤潘家窯煤業(yè)有限公司,山西 朔州 036000;2.太原理工大學(xué) 采礦工藝研究所,太原 030024)

平朔公司井工二礦21103工作面有許多特殊性,一是公司從未有過(guò)大采高綜采的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn);二是21103采面是在近距離9號(hào)煤采空區(qū)之下開(kāi)采,其上覆巖層移動(dòng)、來(lái)壓規(guī)律、頂板破壞跨落機(jī)理可能不同于常規(guī)工作面;三是21103采面上方不僅有近距離9號(hào)煤采空區(qū),還有9號(hào)煤遺留的區(qū)段煤柱,這種近距離煤柱對(duì)21103采面將產(chǎn)生不利影響。要系統(tǒng)準(zhǔn)確掌握回答上述這些問(wèn)題,就必須全面、深入的開(kāi)展實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和理論分析。

我們對(duì)21103工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行研究之后,基本掌握了近距離采空區(qū)下礦壓規(guī)律;掌握了1103采面上覆巖層位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律;為11煤首采工作面頂板管理和安全高效開(kāi)采提供了理論指導(dǎo)。

1 工程概況

試驗(yàn)工作面為井工二礦11煤層首采21103工作面,煤層產(chǎn)狀平緩,裂隙較發(fā)育,煤層厚3.26 m～6.31 m,平均厚度4.2 m。11煤層頂部為泥巖、泥灰?guī)r和細(xì)砂巖。巖性相對(duì)致密。

21103工作面位于9號(hào)煤層的29103和29104工作面采空區(qū)下方,且兩個(gè)采空區(qū)間存在9號(hào)煤留下的煤柱。具體的尺寸和位置如圖1所示。

圖1 11煤層21103工作面位置及其鄰近采空區(qū)Fig.1 Location of the 21103 Working face of No.11 coal seam and its adjacent goaf

2 相似模擬實(shí)驗(yàn)研究

2.1 模型設(shè)計(jì)

2.1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

21103工作面具有大采高、近距離、上層9號(hào)煤層已采空等許多有別于常規(guī)工作面的特殊開(kāi)采條件,通過(guò)相似材料實(shí)驗(yàn)有助于掌握在此條件下的頂板巖層移動(dòng)、變形破壞和失穩(wěn)跨落規(guī)律。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)原理、方法

相似實(shí)驗(yàn)原理認(rèn)為,兩種相似的物理現(xiàn)象都遵循相同的物理方程,相同的客觀規(guī)律,相應(yīng)的相似準(zhǔn)則必須相等,即物理現(xiàn)象的相似[1]。采礦工程的礦山壓力相似實(shí)驗(yàn)方法要點(diǎn)如下:1)幾何尺寸相似;2)動(dòng)力相似;3)運(yùn)動(dòng)相似;4)材料性質(zhì)相似。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備有:1)平面應(yīng)變型相似材料模型實(shí)驗(yàn)臺(tái);2)SZZX-Ea10振弦式壓力盒;3)YJZ-32A型智能數(shù)字靜態(tài)電阻應(yīng)變儀;4)臺(tái)式計(jì)算機(jī);5)XJTUDIC三維光學(xué)攝影變形測(cè)量系統(tǒng)。

2.1.4 模型設(shè)計(jì)及計(jì)算

1)原型條件與數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)需要的原型數(shù)據(jù)包括各地層的巖性、厚度、物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù),以及工作面長(zhǎng)度、推進(jìn)速度的技術(shù)參數(shù)。

①地層的巖性、厚度。地層的巖性、厚度由工作面所在區(qū)域的鉆孔柱狀圖確定。

②物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。整個(gè)地層按相鄰且?guī)r性相近的各分層整合為10個(gè)～20個(gè)左右的煤巖層,并綜合分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)和地層巖性結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)確定設(shè)計(jì)所用到的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。

③工作面長(zhǎng)度、推進(jìn)速度等技術(shù)參數(shù)。研究對(duì)象為21103工作面,工作面長(zhǎng)度300.5 m;工作面推進(jìn)速度約每天8 m。與實(shí)驗(yàn)有關(guān)的9號(hào)煤903和904工作面,長(zhǎng)度均為240 m;903與904之間的區(qū)段煤柱寬度20 m。

2)相似比

①幾何相似比λL。

式中:Lm和Lh為模型和原型的幾何長(zhǎng)度,m。

要求原型與模型對(duì)應(yīng)尺寸的比值為一常數(shù)。本次實(shí)驗(yàn)采用模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)長(zhǎng)度為5 m,采用200:1的幾何比。模型工程布局如圖2所示。

圖2 模型工程布局示意圖Fig.2 Model project layout diagram

②動(dòng)力相似比。動(dòng)力相似主要考慮重量相似。以Ph、Rh、Vh和Pm、Rm、Vm分別代表原型和模型的壓力(kPa)、容重(kg/m3)、體積(m3)[2-3],λP、λR分別代表壓力相似比和容重相似比,則有:

Ph=RhVh,

Pm=RmVm,

那么,應(yīng)力的相似比λσ:

合同簽訂后，中國(guó)石化煉油銷售公司始終密切關(guān)注施工進(jìn)展情況，派專人與機(jī)場(chǎng)、冬奧會(huì)高速公路施工承包方北京市政路橋建材集團(tuán)積極溝通，了解掌握施工方對(duì)高速公路專用瀝青針入度、延展度、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗老化性等關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)的要求，并將關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)與中國(guó)石化內(nèi)部相關(guān)企業(yè)生產(chǎn)的瀝青牌號(hào)質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析。經(jīng)過(guò)篩選和取樣分析，最終確定勝利煉油廠生產(chǎn)的70號(hào)A和90號(hào)A瀝青作為北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)和北京冬奧會(huì)高速公路建設(shè)專供瀝青。

③強(qiáng)度相似比。強(qiáng)度相似比λq=λσ,即:

④相似材料配比。最常用的相似材料為石英砂、石膏、石灰按一定比例配合的混合材料。模型共68層,高度140 cm,上部等價(jià)載荷6.19 kPa。

3)模型制作

架設(shè)好模板后,將各種材料稱重,攪拌均勻,倒入模型架內(nèi),然后耙平、搗實(shí),搗實(shí)程度按所需的視密度的要求確定。在開(kāi)采煤層的底板中埋設(shè)壓力傳感器。填裝完畢后放置24 h,打開(kāi)兩側(cè)的擋板,干燥若干天后,模型完成。

4)模擬開(kāi)采

①模擬開(kāi)采順序。首先開(kāi)采9號(hào)煤的903和904采面,使上覆巖層跨落和移動(dòng),為21103工作面形成上方的真實(shí)采空區(qū)條件,實(shí)現(xiàn)真正意義的采空區(qū)下采煤模擬實(shí)驗(yàn)。

21103工作面在903采空區(qū)的外側(cè)開(kāi)切眼,向前推進(jìn),進(jìn)入903采面采空區(qū)下方,最終越過(guò)903與904之間的煤柱進(jìn)入到采空區(qū)下方,離開(kāi)煤柱50 m后停止開(kāi)采。因此,21103工作面的整個(gè)開(kāi)采過(guò)程可以模擬初采階段、采空區(qū)下方、遺留煤柱下方的特殊開(kāi)采環(huán)境的礦山壓力問(wèn)題。

② 模擬開(kāi)采速度。工作面推進(jìn)速度相似比為14.14,實(shí)際回采速度按每天8 m計(jì)算,模型回采速度為每小時(shí)2.3 cm。模型開(kāi)采執(zhí)行3班作業(yè),1個(gè)小時(shí)回采1次,每次推進(jìn)2.3 cm。903和904工作面各需2.17 d,21103工作面需要回采2.95 d,合計(jì)共需7.3 d。

2.2 相似模擬小結(jié)

21103工作面上覆巖層跨落移動(dòng)規(guī)律與開(kāi)采特點(diǎn):21103工作面大部分在903采面采空區(qū)下回采,903采面開(kāi)采過(guò)程頂板的移動(dòng)與跨落對(duì)21103工作面影響很大[4-5]。首先,9號(hào)煤與11號(hào)煤之間的巖層因厚度小,在21103工作面開(kāi)采過(guò)程中作為其直接頂不能保持有效維持采場(chǎng)的懸頂長(zhǎng)度,隨采隨冒[6];第二,21103工作面也存在頂板的周期性跨落特性,周期步距比903采面和904采面略小;第三,跨落帶高度比903采面和904采面大,周期性跨落時(shí)瞬間劇降的跨落帶高度接近903采面的斷裂帶高度;第四,初采工作面進(jìn)入采空區(qū)下方前發(fā)生了頂板切落失穩(wěn)[7], 21103工作面煤壁在9號(hào)煤采空區(qū)邊緣外側(cè)不遠(yuǎn)處,發(fā)生了頂板切落失穩(wěn)。

3 工業(yè)試驗(yàn)

3.1 工業(yè)試驗(yàn)實(shí)測(cè)研究目的及方法

3.1.1 實(shí)測(cè)研究目的

礦壓監(jiān)測(cè)礦山壓力監(jiān)測(cè)的目的是全面掌握礦山壓力的發(fā)生規(guī)律和適應(yīng)性,為安全、高效生產(chǎn)提供技術(shù)保障,并提供經(jīng)驗(yàn)和指導(dǎo)后續(xù)11號(hào)煤的采礦活動(dòng)。

3.1.2 工作面片幫、冒頂?shù)软?xiàng)目觀測(cè)

煤壁片幫冒頂位置、規(guī)模、時(shí)間統(tǒng)計(jì)。一般用測(cè)桿、直尺等簡(jiǎn)單測(cè)量工具或目測(cè)宏觀上觀測(cè)統(tǒng)計(jì)。

3.1.3 主輔運(yùn)巷頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平坑^測(cè)

頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平坑^測(cè)擬采用人工觀測(cè)，采用手持式激光測(cè)距儀(測(cè)量精度1 mm)，測(cè)量基點(diǎn)設(shè)置在巷道頂部和底板及兩側(cè)。手持激光測(cè)距儀被放置或安裝在基點(diǎn)上。長(zhǎng)40 cm的錨固定在圍巖中作為基點(diǎn)。

3.1.4 主輔運(yùn)巷圍巖應(yīng)力監(jiān)測(cè)

為觀測(cè)大采高綜采工作面前方煤幫以及側(cè)方煤柱的應(yīng)力變化特征,應(yīng)力集中程度、集中范圍、超前及滯后影響范圍,采用KSE-III煤體應(yīng)力采集系統(tǒng)監(jiān)測(cè)21103主輔巷煤體應(yīng)力。在21103主輔運(yùn)巷內(nèi),各布置1組應(yīng)力傳感器,每組5只鉆孔應(yīng)力計(jì),測(cè)站距切眼約100 m。測(cè)站內(nèi)各應(yīng)力傳感器伸入煤體內(nèi)長(zhǎng)度分別為2 m、4 m、6 m、9 m和12 m。輔運(yùn)巷煤體應(yīng)力監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 輔運(yùn)巷煤體應(yīng)力監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置Fig.3 Coal body stress monitoring point arrangement in auxiliary transport roadway

3.2 工作面工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 工作面頂板周期來(lái)壓情況分析

普遍而言,我們一般都是用支架的工作阻力來(lái)判斷工作面頂板的動(dòng)態(tài)程度。分別通過(guò)確定步距、確定抗壓強(qiáng)度以及動(dòng)載荷系數(shù)幾個(gè)程序來(lái)對(duì)它們精確判斷[8-9]。

工作面周期來(lái)壓期間支架阻力曲線圖見(jiàn)圖4。

圖4 工作面周期來(lái)壓期間支架阻力曲線圖Fig.4 Diagram of support resistance during periodic weighting

如圖4所示,周期來(lái)壓與非來(lái)壓期間支架工作阻力曲線形態(tài)有很大的差別,來(lái)壓期間工作阻力很大,安全閥打開(kāi)幾次,曲線呈現(xiàn)明顯的鋸齒狀波動(dòng),而在未來(lái)壓狀態(tài)下支架工作阻力曲線為刀尖狀。此外,周期來(lái)壓一般會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。因此,需要在連續(xù)的幾個(gè)循環(huán)中存在明顯的鋸齒狀,才能確定為周期來(lái)壓。頂板巖性、截割深度和工作面支架支撐長(zhǎng)度都影響著來(lái)壓的持續(xù)時(shí)間。一般來(lái)說(shuō),當(dāng)壓力強(qiáng)度較大時(shí),持續(xù)時(shí)間也較長(zhǎng);支架頂梁越大、截割深度越小,影響的周期數(shù)就較多。

1)來(lái)壓強(qiáng)度分析。9號(hào)煤采空區(qū)下周期來(lái)壓強(qiáng)度特點(diǎn)為總體較大,且不穩(wěn)定、強(qiáng)度大小不一; 9號(hào)煤遺留煤柱兩側(cè)存在減壓區(qū),兩端頭處來(lái)壓強(qiáng)度較小[10]; 9號(hào)煤遺留煤柱邊緣處為最大強(qiáng)度與最小強(qiáng)度的過(guò)度區(qū),約為最大強(qiáng)度和最小強(qiáng)度的平均值,與全工作面來(lái)壓強(qiáng)度平均值相當(dāng)。

2)來(lái)壓步距分析。21103工作面周期來(lái)壓步距規(guī)律明顯可分為采空區(qū)下、9號(hào)煤煤柱影響區(qū)兩個(gè)部分,每部分內(nèi)周期來(lái)壓步距具有高度一致的統(tǒng)計(jì)性[11],采空區(qū)下周期來(lái)壓步距均值為20.55 m。

3.2.2 初撐力及超前支撐力情況分析

初撐力是工作面支護(hù)的重要參數(shù),直接影響頂板狀態(tài)和管理水平。加強(qiáng)初撐力管理對(duì)于改善工作面頂板狀況具有重要意義。

1)由觀測(cè)數(shù)據(jù)不難看出,工作面多數(shù)支架的初撐力不足,多數(shù)沒(méi)能達(dá)到要求的額定初撐力,降低了工作面支架的支撐效果。

2)工作面中各區(qū)域的初撐力有一定差別,9號(hào)煤采空區(qū)下各支架初撐力較大,平均數(shù)達(dá)額定初撐力的44.48%,9號(hào)煤遺留煤柱下和輔運(yùn)巷端頭處初撐力較小,分別只有額定初撐力的36.08%和38.66%。通過(guò)對(duì)21103工作面的礦壓觀測(cè)可知,9號(hào)煤遺留煤柱下和端頭處頂板相對(duì)較完整,頂板破碎也最小,致使初撐力打壓相對(duì)較小。

3)回采工作面超前塑性區(qū)范圍介于10.2 m～14.2 m之間,平均為12.5 m;支承壓力影響范圍介于20 m～35 m,平均為30.5 m;支承壓力峰值區(qū)間是13.21 MPa ～28.8 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為1.51～3.3,平均應(yīng)力集中系數(shù)2.28。

4)以不同鉆孔深度為橫坐標(biāo),以其相對(duì)峰值為縱坐標(biāo),得出巷道側(cè)向超前支承壓力曲線?？芍?工作面?zhèn)认虺爸С袎毫Ψ逯禐?5.75 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為1.8,距煤壁深度為11.8 m。

3.2.3 煤壁穩(wěn)定情況分析

在進(jìn)行試驗(yàn)的時(shí)候經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)工作面片幫,而且片幫范圍最高能夠占到整個(gè)工作面長(zhǎng)度的51.3%以上,平均為45.7%。工作面區(qū)域劃分為明顯的分段[12],多發(fā)生在工作面40號(hào)至120號(hào)支架之間,即工作面中部和上部。

因?yàn)榈V井煤層較淺、礦壓很小,所以從工作面開(kāi)始推進(jìn)到直接頂來(lái)壓掉落期間,工作面基本沒(méi)有出現(xiàn)片幫的情況;但是隨著開(kāi)采的不斷推進(jìn)、采高增加,切屑表面嚴(yán)重[13]。當(dāng)基本頂首次壓實(shí)時(shí),煤體壁面吱吱作響,并伴有結(jié)渣現(xiàn)象。當(dāng)基礎(chǔ)頂板壓實(shí)時(shí),工作面兩次受到煤壁板形成的大塊煤的影響。

3.2.4 巷道存在的變形量及分析

在回采過(guò)程中21103主運(yùn)巷與21102輔運(yùn)巷之間煤柱穩(wěn)定較好,兩幫及頂?shù)装宓淖冃瘟繉?duì)生產(chǎn)無(wú)明顯的影響,完全可以滿足通風(fēng)與運(yùn)輸?shù)囊骩14]。圖5是實(shí)測(cè)的21103巷道超前頂?shù)装逡平俣茸兓€,由巷道移動(dòng)測(cè)區(qū)的觀測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到。

圖5 21103主運(yùn)巷巷道變形位移量曲線Fig.5 Deformation displacement curve of No.21103 main transport roadway

從圖5中曲線的變化規(guī)律可以看出:工作面附近受動(dòng)壓的影響較明顯,圍巖變形速度較快,曲線的斜率大;而25 m以外,圍巖變形較小,曲線變的平緩,斜率小,動(dòng)壓的超前影響程度不大。同時(shí)也能看出采用錨網(wǎng)支護(hù)的順槽,巷道圍巖穩(wěn)定性較好[15-16]。

3.2.5 頂板冒落情況分析

在9號(hào)煤開(kāi)采過(guò)程中,9號(hào)煤采空區(qū)冒落以后,冒落物都在9號(hào)煤的底板上,而作為11號(hào)煤的頂板也就是9號(hào)煤的底板,依然是完整的。但是11號(hào)煤回采時(shí),直接頂因?yàn)槊簩娱g距小、頂板巖石厚度不大,導(dǎo)致11號(hào)煤層頂板容易破碎,且呈現(xiàn)崩落頂板破碎體積小,崩落規(guī)模大,總崩落量約50 m3。

4 結(jié)論

相似模擬實(shí)驗(yàn)表明21103工作面上覆巖層跨落移動(dòng)規(guī)律:

1)9號(hào)煤與11號(hào)煤之間的巖層因厚度小,在21103工作面開(kāi)采過(guò)程中直接頂不能保持有效維持采場(chǎng)的懸頂長(zhǎng)度,隨采隨冒。

2)21103工作面在采空區(qū)下也存在頂板的周期性跨落特性,周期步距比903采面和904采面略小,一般為20 cm～28 cm,與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致。

3)工作面進(jìn)入采空區(qū)下方前發(fā)生了頂板切落失穩(wěn)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)工作面礦壓規(guī)律:工作面不同位置周期來(lái)壓步距不一致。一方面煤柱下周期來(lái)壓步距明顯比采空區(qū)下來(lái)壓步距大；另一方面采空區(qū)下各支架來(lái)壓時(shí)間也不一致,來(lái)壓步距不穩(wěn)定,但來(lái)壓步距均值都非常接近，同時(shí)采空區(qū)下頂板壓力明顯大于煤柱下頂板壓力,且采空區(qū)下頂板壓力顯著不均勻。

通過(guò)對(duì)21103工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行研究之后,基本掌握了近距離采空區(qū)下和煤柱下1103采面支架工作阻力運(yùn)行特征和周期來(lái)壓規(guī)律,為11煤工作面頂板管理和安全高效開(kāi)采提供了理論指導(dǎo)。