淺埋深厚基巖綜放工作面覆巖結(jié)構(gòu)及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

任曉東

(國(guó)家電投新疆能源化工集團(tuán) 四棵樹(shù)煤炭有限公司，新疆 烏蘇 833019)

綜采放頂煤工藝是一種技術(shù)成熟、安全可靠的采煤工藝，在我國(guó)各礦區(qū)應(yīng)用廣泛。不同賦存條件下采用綜放工藝，其覆巖結(jié)構(gòu)及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律差異較大[1，2]，采用同一種礦壓理論往往導(dǎo)致礦壓顯現(xiàn)劇烈、壓架等事故，嚴(yán)重威脅綜放工作面安全[3，4]。許家林等[5]對(duì)淺埋煤層的覆巖結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分類(lèi)，并對(duì)各類(lèi)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)特征進(jìn)行了研究。楊達(dá)明等[6]通過(guò)建立淺埋深近水平煤層覆巖壓力拱結(jié)構(gòu)模型描述其覆巖結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)。盧鑫等[7]對(duì)薄基巖淺埋煤層覆巖結(jié)構(gòu)及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行了研究。周勇等[8]研究了覆巖結(jié)構(gòu)中載荷的傳遞特征，并以此作為礦壓顯現(xiàn)的演變判據(jù)。郝海金[9]、許家林等[10]大采高工作面覆巖結(jié)構(gòu)及支架合理工作阻力進(jìn)行了研究。于斌[11]建立了特厚煤層綜放工作面覆巖結(jié)構(gòu)演化模型，并提出了強(qiáng)礦壓控制技術(shù)?？妳f(xié)興等[12]對(duì)厚關(guān)鍵層覆巖結(jié)構(gòu)的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行了研究。

上述研究取得了豐碩的成果，但對(duì)淺埋深厚基巖特厚煤層綜放工作面覆巖垮落形態(tài)及支架受力特征鮮有報(bào)道。本文以四棵樹(shù)煤炭有限公司七號(hào)平峒A5201綜放工作面為工程背景，對(duì)淺埋深厚基巖特厚煤層綜放工作面覆巖結(jié)構(gòu)特征及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行研究。

1 工程概況

1.1 工作面位置關(guān)系

烏蘇四棵樹(shù)煤炭有限公司七號(hào)平峒位于新疆烏蘇市，現(xiàn)回采A5煤層，厚度11m，埋深約88m。A5201工作面位于采區(qū)邊角地段，東側(cè)、北側(cè)均為井田邊界，與南側(cè)混合平硐之間為30m寬隔離煤柱，西側(cè)為采空區(qū)，隔離煤柱寬度為30m。工作面傾向長(zhǎng)116m，走向長(zhǎng)330m，采用綜合機(jī)械化放頂煤采煤方法。工作面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 A5201回采工作面布置圖

1.2 覆巖強(qiáng)度特征

煤層埋藏深度較淺，上覆巖層分布簡(jiǎn)單，僅有三層：表土層、粉砂質(zhì)泥巖及泥質(zhì)粉砂巖，其厚度及巖性描述見(jiàn)表1。

表1 煤層頂板巖性特征

煤層直接上覆巖層為37.6m厚的泥質(zhì)粉砂巖，為分析該巨厚巖層對(duì)綜放工作面回采的影響，在現(xiàn)場(chǎng)典型地點(diǎn)取樣并通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)對(duì)其物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)試。得出該巖層抗壓強(qiáng)度為61.8MPa，抗剪強(qiáng)度為1.88MPa，法向抗拉強(qiáng)度為2MPa，切向抗拉強(qiáng)度為0.52MPa，密度為2452kg/m3。

2 綜放工作面覆巖運(yùn)移規(guī)律

2.1 基本頂初次垮落步距計(jì)算

由于煤層埋深較淺，工作面煤層采出后，覆巖內(nèi)只存在冒落帶和裂隙帶，煤層直接上覆頂板為巨厚堅(jiān)硬巖層頂板，是控制工作面礦壓顯現(xiàn)的關(guān)鍵層，也是工作面的基本頂。煤層回采出后形成的空間越大，基本頂暴露時(shí)間越長(zhǎng)，基本頂越容易產(chǎn)生塊狀垮落。初次來(lái)壓時(shí)，建立如圖2所示基本頂力學(xué)模型，高度h1位置為中性軸。

圖2 基本頂初次來(lái)壓力學(xué)模型

取長(zhǎng)度dx、高度h1的微元體，巖塊受到上覆巖層均布載荷影響產(chǎn)生彎曲變形，微元體橫截面上受到近似平行于x軸的拉應(yīng)力，當(dāng)該拉應(yīng)力大于巖體最大抗拉強(qiáng)度時(shí)，微元體與周邊產(chǎn)生裂隙，形成分離，基本頂斷裂垮落。該拉應(yīng)力的計(jì)算公式為：

其中，彎矩M計(jì)算公式為：

慣性矩Iz的計(jì)算公式為：

式中，q為覆巖載荷，MPa/m；Q為巖塊自重載荷，MPa/m；b為巖梁?jiǎn)挝粚挾?，?m。

當(dāng)基本頂內(nèi)拉應(yīng)力大于水平方向極限抗拉強(qiáng)度時(shí)發(fā)生初次破斷，計(jì)算得出(x+dx)≥21.5m，即基本頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距為21.5m。

在y軸方向上，當(dāng)分離后的微元體在h1高度范圍內(nèi)所受重力大于抗拉強(qiáng)度時(shí)，微元體與上層巖體分離，形成冒落帶內(nèi)的散碎體。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室?guī)r石力學(xué)測(cè)試結(jié)果可知，基本頂法向抗拉強(qiáng)度僅為切向抗拉強(qiáng)度的1/4，表現(xiàn)出明顯的各向異性，因此需要判別基本頂是整層斷裂還是分層垮落，其判別公式為：

γh1≥σt

(4)

式中，γ為基本頂容重，N/m3；σt為基本頂切向抗拉強(qiáng)度，MPa。

則可以得出基本頂分層垮落的臨界高度為21.2m，而基本頂厚度為37.6m，故在工作面回采過(guò)程中，基本頂為分層多次斷裂垮落。

2.2 基本頂周期垮落步距計(jì)算

基本頂周期垮落時(shí)，力學(xué)模型如圖3所示。

圖3 基本頂周期來(lái)壓力學(xué)模型

周期來(lái)壓步距計(jì)算公式[13]為：

可得綜放工作面基本頂周期來(lái)壓步距為11.5m。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出綜放工作面冒落帶高度為30.5m，即工作面回采過(guò)后能充滿采空區(qū)所需的頂板垮落高度為30.5m。

基本頂首次分層垮落后，其厚度僅為21.2m，最大冒落高度為8.8m，位移空間大，不足以形成鉸接結(jié)構(gòu)，該分層的巖體以冒落碎脹變形為主，充填采空區(qū)。由于原生裂隙以及巖體受壓后的再生裂隙的存在與發(fā)展，在這個(gè)范圍內(nèi)基本頂巖體的冒落塊體較小。其后隨著工作面推進(jìn)，上位基本頂繼續(xù)垮落，但是其剩余下沉高度僅為2.44m，根據(jù)周期來(lái)壓步距11.5m計(jì)算，巖塊斷裂回轉(zhuǎn)約12°即觸矸，此高度范圍域內(nèi)以大的斷裂塊體為主。

3 相似模擬覆巖運(yùn)移規(guī)律

為了驗(yàn)證理論分析的正確性，通過(guò)相似模擬分析工作面上覆巖層運(yùn)移規(guī)律。模型原型按四棵樹(shù)煤炭有限公司七號(hào)平峒A5201綜放工作面煤層頂?shù)装宓刭|(zhì)條件以及物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行典型化相似材料模擬試驗(yàn)研究。模型的幾何尺寸為長(zhǎng)×寬×高=3000mm×400mm×1120mm，模型線比為1∶100，時(shí)間相似比為1∶12，模型采高11m，模型左右各留300mm的煤柱，從右向左開(kāi)挖煤層，每隔2h開(kāi)挖一次，每次開(kāi)挖50mm。

3.1 來(lái)壓步距統(tǒng)計(jì)

模擬試驗(yàn)共模擬了基本頂初次來(lái)壓和16次周期來(lái)壓，A5201綜放工作面周期來(lái)壓步距統(tǒng)計(jì)如圖4所示?；卷敵醮蝸?lái)壓步距為20.3m，周期來(lái)壓步距平均值為10.8m，與理論計(jì)算值基本一致。

圖4 基本頂周期來(lái)壓步距統(tǒng)計(jì)

3.2 基本頂垮落特征

為基本頂垮落局部特征如圖5所示，垮落的巖塊呈規(guī)則排列，下方形成冒落帶內(nèi)散碎體。由于垮落巖層的巖塊相互疊壓，其下位巖層的碎脹系數(shù)明顯大于上位巖層，高低位分層的垮落形態(tài)存在明顯差異，基本頂分層多次斷裂垮落，垮落巖塊的長(zhǎng)度在8～9m。

圖5 基本頂垮落局部特征

從切眼處開(kāi)始由右側(cè)向左側(cè)開(kāi)挖。隨推進(jìn)距離的增加，先后經(jīng)歷直接頂巖層和老頂巖層的離層、斷裂和垮落過(guò)程。頂板巖層中的壓力分布，在煤層底板下方10cm，煤層頂板上方15cm和36cm的頂板巖層中分別布置了3排應(yīng)變片。開(kāi)挖穩(wěn)定后同豎向不同應(yīng)變值在走向長(zhǎng)度上的變化曲線如圖6所示。

圖6 分層沿走向應(yīng)變變化曲線

煤層開(kāi)挖穩(wěn)定后，在工作面煤壁前方形成超前支承壓力，采空區(qū)后方形成殘余支承壓力，在煤層底板尤為明顯，上覆巖層分層斷裂垮落且未完全壓實(shí)，殘余支承壓力有所減小。

測(cè)點(diǎn)位移隨工作面推進(jìn)變化曲線如圖7所示，同垂直方向從上到下共7個(gè)測(cè)點(diǎn)。采用NIKON NPL-821全鉆儀對(duì)位移測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)線測(cè)點(diǎn)間的垂直距離均為10cm。

圖7 測(cè)點(diǎn)位移隨工作面推進(jìn)變化曲線

隨著工作面的推進(jìn)，測(cè)點(diǎn)下沉幅度在下位巖層逐漸增大，上位巖層比較平穩(wěn)。下位垮落巖層由于自由空間較大，同時(shí)受上覆巖層載荷作用，塊體比較破碎，而上位破斷巖層呈規(guī)則性排列，因此高低位分層的垮落形態(tài)差異比較明顯。

4 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

在A5201綜放工作面上、中、下三個(gè)部位布置支架壓力觀測(cè)測(cè)站。在工作面推進(jìn)100m長(zhǎng)度期間，利用礦壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到礦壓觀測(cè)曲線，如圖8所示。

圖8 液壓支架工作阻力曲線

由圖8所示，工作面液壓支架阻力有明顯的周期規(guī)律，初次來(lái)壓時(shí)，工作面推進(jìn)距離分別為18m、21m、21m，10#支架靠近上工作面采空區(qū)，在疊加應(yīng)力影響下較早破斷；支架工作阻力平均為27.9MPa。之后隨著工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，液壓支架隨著基本頂?shù)闹芷谛詳嗔?，壓力升高又迅速降低，其周期?lái)壓步距平均為12.3m，驗(yàn)證了理論分析結(jié)果。

5 結(jié) 論

1)理論計(jì)算淺埋厚基巖條件下綜放工作面來(lái)壓步距值，基本頂較低的切向抗拉強(qiáng)度導(dǎo)致厚層基本頂分層垮落。

2)相似模擬研究表明工作面基本頂初次來(lái)壓步距為20.3m，周期來(lái)壓步距平均值為10.8m，與理論計(jì)算值基本一致；高低位分層的垮落形態(tài)存在明顯差異，下位垮落塊體比較破碎，上位破斷巖層呈規(guī)則性排列。

3)實(shí)測(cè)礦壓規(guī)律表明液壓支架工作阻力有明顯的周期，初次來(lái)壓步距為22m，周期來(lái)壓步距平均為12.3m，與理論分析結(jié)果基本一致，實(shí)現(xiàn)了工作面的安全高效回采。