近距離薄煤層聯(lián)合開采頂板初次來壓研究

王 洪

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.太原華煤工程設(shè)計(jì)有限公司，山西 太原 030024)

0 引言

工作面安全開采防止頂板對(duì)支架造成重大損失，管理好頂板控制至關(guān)重要，頂板的管理就需要研究工作面頂板初次來壓和頂板破斷機(jī)理。近距離薄煤層聯(lián)合開采頂板，其頂板初次斷裂[1]規(guī)律與條件較好的單一煤層工作面頂板初次來壓有所區(qū)別，近距離薄煤層聯(lián)合開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、頂板破斷規(guī)律呈現(xiàn)不一樣的特征[2]。對(duì)于近距離煤層，上煤層的開采，其頂板已受破壞，煤層間距離很近，下煤層開采難以形成穩(wěn)定的關(guān)鍵層，給工作面安全開采造成困難。目前學(xué)術(shù)界主要針對(duì)對(duì)厚煤層或條件較好的單一煤層頂板運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了相應(yīng)研究，但對(duì)于近距離薄煤層聯(lián)合開采頂板初次來壓步距研究相對(duì)較少，因此有必要對(duì)近距離薄煤層聯(lián)合開采過程中其頂板的破斷機(jī)理[3]進(jìn)行相關(guān)研究，為的是預(yù)測近距離煤層開采頂板初次來壓步距，進(jìn)而防止支架壓壞，也為近距離煤層群聯(lián)合開采過程中對(duì)工作面頂板控制以及工作面安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。

1 工作面概況

西山礦務(wù)局官地礦3318工作面屬于3號(hào)煤層，該工作面平均煤厚1.8m，160m長的工作面長度。與上部2號(hào)煤層對(duì)應(yīng)部分間距約為6.5m。砂質(zhì)頁巖、細(xì)粒砂巖、中粒砂巖等構(gòu)成了2號(hào)煤的頂板。2號(hào)煤和3號(hào)煤層間有兩層巖石夾層，其中與3號(hào)煤層接觸的是砂質(zhì)泥巖，該層巖體物理性質(zhì)表現(xiàn)較軟；2號(hào)煤層直接底為細(xì)砂巖，厚度約為4m，強(qiáng)度較硬。3318工作面底板巖體主要為砂質(zhì)泥巖。官地礦采用下行式采煤方法，故3318工作面開采時(shí)，其上部2號(hào)煤全部采空。在工作面兩側(cè)順槽窺視發(fā)現(xiàn)頂板局部有較大節(jié)理裂隙發(fā)育，但從整體上來看，頂板屬于較為穩(wěn)定頂板。

2 頂板初次來壓步距理論計(jì)算

對(duì)近距離薄煤層聯(lián)合開采，工作面頂板初次垮落步距的計(jì)算，一些學(xué)者提出了不同的假說和理論，但目前采礦界研究近距離煤層開采頂板破斷機(jī)理普遍采用的是薄板理論[4]。

2.1 計(jì)算力學(xué)模型

針對(duì)官地礦2號(hào)煤層和3號(hào)煤層3318工作面開采狀況，為計(jì)算頂板破斷步距，對(duì)該工作進(jìn)行簡化抽象，建立了計(jì)算力學(xué)模型[5]，其力學(xué)分析模型見圖1。

圖1 力學(xué)模型

根據(jù)采場規(guī)律，工作面前方煤體支撐著上方頂板，而兩側(cè)由煤柱分別支撐上方頂板，故認(rèn)為該力學(xué)計(jì)算模型為三邊是固支結(jié)構(gòu)。在工作面后方因其是采空區(qū)，矸石或破斷塊體巖石形成三鉸拱，故視為簡支。其中，頂板受到的均布載荷，用字母q表示；工作面切眼長度，用字母b表示；工作面的推進(jìn)長度，用字母a表示。

2.2 頂板破斷力學(xué)計(jì)算

根據(jù)薄板理論，模型的初始條件為：

根據(jù)圖1力學(xué)模型，可以建立撓曲度方程[6]為：

考慮伽遼金法中拉普拉斯算子，對(duì)撓曲度方程進(jìn)行積分、求導(dǎo)，可求得彎矩峰值。

工作面兩側(cè)（x=a）彎矩峰值位置為y=0處，即也即工作面兩側(cè)中點(diǎn)。

2.3 頂板破斷判據(jù)

根據(jù)彈塑性力學(xué)、材料力學(xué)、礦山壓力與巖層控制中的第一強(qiáng)度理論，則3318工作面頂板巖層破斷的臨界值為：

由彎矩和應(yīng)力關(guān)系可以得到：

官地礦3318工作面切眼長度a為160m，頂板均布載荷q為12.6MPa，巖層抗拉強(qiáng)度σl為0.4 MPa，巖層厚度h為4m。

代入?yún)?shù)，計(jì)算得到官地礦3318工作面頂板發(fā)生破斷的長度為21.4m，也就是說頂板初次來壓為21.4m。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 建立模型

根據(jù)官地礦3號(hào)煤3318工作面實(shí)際概況，采用三維離散元數(shù)值模擬軟件3DEC對(duì)煤層頂板破斷進(jìn)行模擬。在模型中開挖3318工作面，觀測分析頂板破斷距離。煤巖體各個(gè)物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表1所示，互層接觸面間的一些力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 物理力學(xué)參數(shù)

表2 接觸面力學(xué)參數(shù)

根據(jù)官地礦3318工作面頂?shù)装甯鲙r層，考慮節(jié)理裂隙，對(duì)于各個(gè)巖層賦予參數(shù)，所建的模擬模型如圖2所示。

圖2 模擬模型

3.2 模擬結(jié)果分析

開挖3號(hào)煤3318工作面不同距離，研究工作面頂板出現(xiàn)的變化。對(duì)模型上部施加一定載荷，四周對(duì)其進(jìn)行約束，初始條件施加后，對(duì)3318工作面進(jìn)行開挖。模擬3號(hào)煤層3318工作面開采，模擬時(shí)分別開挖推進(jìn)步距為15m、20m和25m，觀察這三種情況下頂板變化規(guī)律。3DEC數(shù)值模擬近距離薄煤層開采頂板變化情況見圖3至圖5所示。

圖3 推進(jìn)15m時(shí)頂板破壞情況

工作面推進(jìn)15m后，從圖3能夠看出，3318工作面頂板出現(xiàn)彎曲變形，一些巖塊已經(jīng)出現(xiàn)了松動(dòng)，說明局部可能破碎。底板也出現(xiàn)了底鼓現(xiàn)象。查看了其變形量，頂板下沉約為-0.6m。雖然頂板下沉彎曲，但頂板還懸掛在采空區(qū)上部，頂板出現(xiàn)的變形，并沒有垮落充填采空區(qū)。

圖4 推進(jìn)20m時(shí)頂板破壞情況

模擬開挖20m長的工作面推進(jìn)距離，模擬呈現(xiàn)3318工作面頂?shù)装寰霈F(xiàn)彎曲，也就是說頂板下沉，底板上凸。查看了其變形量，頂板下沉約為-0.7m。與與推進(jìn)15m的頂板變形相比較，頂?shù)装逑掳驾^之顯著，從中表明工作面在不斷向前推進(jìn)過程中，工作面后方采空區(qū)空間的增大，頂板雖然有工作面前方煤體和兩側(cè)煤柱支承，但因懸空面積太大，將會(huì)無法繼續(xù)保持穩(wěn)定。頂板未出現(xiàn)破斷原因，工作面推進(jìn)距離未達(dá)到頂板承受極限，頂板還能支撐上覆巖層載荷。

圖5 推進(jìn)25m時(shí)頂板破壞情況

從工作面推進(jìn)25m來看，3318工作面發(fā)生初次來壓，頂板直接垮落，頂板無法承受上覆巖層施加的載荷，發(fā)生破斷。推進(jìn)距離25m的頂板已經(jīng)垮落，與工作面推進(jìn)15m、20m相比較，懸空面積太大，說明頂板已經(jīng)超越了其自身承受的極限，相應(yīng)就會(huì)發(fā)生斷裂，這也表明工作面初次來壓步距在20m與25m之間，這也正好與理論計(jì)算21.4m相符。

4 現(xiàn)場實(shí)測

2017年7月8日，3318工作面開始回采，從機(jī)尾處進(jìn)刀，從回采跟蹤觀測，發(fā)現(xiàn)在2017年7月25日中班，30#～33#支架后方頂煤破碎，呈網(wǎng)兜狀，2017年7月27日中班直接頂大面積垮落，直接頂從工作面中部開始向兩側(cè)逐步垮落，從聲音方面表現(xiàn)頂板垮落時(shí)聲響很明顯。此時(shí)，3318工作面機(jī)頭進(jìn)尺23.6m，機(jī)尾22.3m，平均進(jìn)尺22.95m，表明3318工作面頂板初次發(fā)生破斷的步距在22.95m，這也跟前文理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，很好的詮釋了理論分析和數(shù)值模擬的合理性、可行性、正確性。在工作面發(fā)生初次來壓的時(shí)候，測得液壓支架最大工作阻力達(dá)到4154.84kN，但仍小于支架的額定工作阻力；最小工作阻力113.10kN，為額定阻力的2.26%；把收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，在工作面頂板第一次破斷的時(shí)候液壓支架平均阻力為3254.72kN，液壓支架承受的動(dòng)載系數(shù)大約為1.30～1.54。另外，液壓支架承受的阻力表明，頂板發(fā)生第一次破斷，頂板壓力主要發(fā)生在工作面中部，中部的液壓支架承受較兩側(cè)的阻力大許多。頂板垮落后，液壓支架的阻力迅速減小，說明了頂板在初次來壓后給工作面釋放了壓力，也為下一步工作面一段距離的開采提供了一定的安全性。3318工作面直接頂初次垮落前和垮落期間支架阻力及動(dòng)載系數(shù)統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 支架阻力及動(dòng)載系數(shù)值統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié) 論

針對(duì)官地礦2號(hào)煤和3號(hào)煤兩層近距離煤層開采頂板破斷研究，從理論上計(jì)算了頂板破斷距離，并運(yùn)用3DEC數(shù)值模擬軟件對(duì)煤層頂板進(jìn)行了模擬研究，在該工作面開采期間對(duì)頂板變化情況及支架受力進(jìn)行了觀測，先將得出的結(jié)論總總結(jié)如下：

1）運(yùn)用薄板理論，建立了力學(xué)計(jì)算模型，根據(jù)撓曲度方程和第一強(qiáng)度理論，計(jì)算得出官地礦3318工作面頂板初次來壓步距為21.4m。

2）考慮礦井實(shí)際，給模型賦予各參數(shù)，研究工作面推進(jìn)15m、20m和25m下頂板的垮落情況，模擬發(fā)現(xiàn)在工作面推進(jìn)20m時(shí)頂板未垮落，而在25m時(shí)頂板已經(jīng)完全破斷，表明工作面頂板初次來壓步距在20m～25m之間。

3）在3318工作面開采期間，現(xiàn)場跟蹤觀測，發(fā)現(xiàn)工作面頂板初次來壓步距大約在22.95m，表明理論計(jì)算、數(shù)值模擬基本與實(shí)際一致。

通過對(duì)西山礦務(wù)局官地礦2號(hào)、3號(hào)煤近距離煤層3318工作面開采頂板初次來壓步距研究，研究得出工作面頂板初次來壓步距約23m，該研究結(jié)論可為相同條件下的其他礦井頂板垮落預(yù)防及防治提供一定參考和借鑒。