深部礦井堅(jiān)硬頂板切頂卸壓參數(shù)分析研究

蘇岳嶸

(山西朔州平魯區(qū)蘭花永勝煤業(yè)有限公司，山西 朔州 036900)

煤炭作為我國(guó)支柱性能源，歷經(jīng)多年開(kāi)采，淺部資源逐漸枯竭，并向深部轉(zhuǎn)移。深部開(kāi)采條件下，綜放開(kāi)采礦壓顯現(xiàn)劇烈，采場(chǎng)冒頂、支架活柱急劇下落等更加頻發(fā)，同時(shí)深部覆巖關(guān)鍵層大面積失穩(wěn)，極易造成強(qiáng)烈的井下動(dòng)力災(zāi)害，嚴(yán)重影響礦井的安全高效生產(chǎn)[1-3]。

針對(duì)深部工作面開(kāi)采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，眾多學(xué)者進(jìn)行了深入研究。許姣[4]通過(guò)分析不同采高工作面超前支承應(yīng)力分布和塑性區(qū)變化確定綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，然后計(jì)算確定出合理的工作面支架，并進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證；趙信強(qiáng)[5]針對(duì)大傾角特厚煤層條件，通過(guò)監(jiān)測(cè)工作面支架工作阻力、初撐力、安全閥啟動(dòng)、支架不保壓、不平衡率和周期來(lái)壓步距等對(duì)綜放面開(kāi)采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行研究；鄭玉春、郭洪濤等[6-7]分區(qū)監(jiān)測(cè)回采工作面，在不同推進(jìn)距離下，分析確定工作的周期來(lái)壓布局及來(lái)壓強(qiáng)度；李云飛等[8]利用“尤洛卡 KJ216”監(jiān)測(cè)儀在正?；夭善陂g和不連續(xù)回采期間工作面頂?shù)装咫x層和工作面支架下沉量變化情況，確定礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，為合理安排礦井生產(chǎn)，減少隱患提供依據(jù)；白雪斌[9]針對(duì)工作面回采中影響生產(chǎn)的大小周期來(lái)壓及強(qiáng)礦壓現(xiàn)象進(jìn)行研究，通過(guò)監(jiān)測(cè)確定初次來(lái)壓和周期來(lái)壓布局，大周期來(lái)壓和強(qiáng)礦壓步距，并利用相似模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證覆巖破斷及關(guān)鍵塊失穩(wěn)對(duì)工作面大小周期來(lái)壓及強(qiáng)礦壓的影響。

上述研究極大地豐富了工作面礦壓顯現(xiàn)的理論范疇，為實(shí)際操作提供了一定的方法，但主要通過(guò)監(jiān)測(cè)方式確定礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，對(duì)礦壓顯現(xiàn)，尤其是來(lái)壓內(nèi)容的內(nèi)在機(jī)理研究較少。本文以某礦5201工作面為實(shí)際背景，通過(guò)建立礦壓顯現(xiàn)模型，并進(jìn)行實(shí)際監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證模型合理性，為礦井的安全高效開(kāi)采提供指導(dǎo)。

1 工程背景

1.1 工作面條件

5201工作面為采區(qū)首采面，位于3號(hào)煤層，煤層平均厚度5.6 m，煤層傾角2～5°，工作面地表標(biāo)高+989～+1 150 m，煤層底板標(biāo)高+376～+425 m，工作面走向長(zhǎng)1 510 m.傾向長(zhǎng)度300 m.5201工作面采用三巷布置，巷道掘進(jìn)斷面4.6 m×3.4 m(寬×高)，凈斷面4.5 m×3.2 m.工作面采用傾斜長(zhǎng)臂后退式綜放開(kāi)采，全部垮落法管理頂板。

1.2 工作面巖性條件

覆巖主要屬于山西組，平均厚度57.28 m，主要由深灰色細(xì)粒砂巖、粉砂巖及灰黑色泥巖和煤層組成。其中，巷道直接頂為3.3 m厚的粉砂巖及泥巖，水平裂隙較為發(fā)育，含云母及植物化石碎片；基本頂為4.4 m厚的中粒砂巖，薄層狀，內(nèi)含云母碎片；直接底為厚度0.67 m的泥巖，水平裂隙發(fā)育，內(nèi)含植物化石碎片；基本底為厚度2.09 m的粉砂巖，波狀層理，于灰色薄層細(xì)粒砂巖互層。巷道巖性分布具體如圖1所示。

圖1 煤巖層分布圖

2 工作面礦壓規(guī)律分析

2.1 工作面覆巖運(yùn)動(dòng)特征分析

工作面開(kāi)采過(guò)程中，巷道直接頂發(fā)生直接垮落，基本頂強(qiáng)度較高，暫時(shí)不會(huì)發(fā)生破壞，當(dāng)工作面推進(jìn)范圍繼續(xù)增大后，基本頂覆巖重量超過(guò)其極限破壞強(qiáng)度，基本頂發(fā)生破斷，形成初次來(lái)壓，此時(shí)基本頂將由傳統(tǒng)板結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為兩端固支的梁結(jié)構(gòu)，隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，基本頂在覆巖載荷和自身重量作用下發(fā)生周期性破斷，破斷巖梁形成“一端固支一端簡(jiǎn)支”的砌體梁結(jié)構(gòu)，砌體梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)進(jìn)一步造成基本頂巖梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)回轉(zhuǎn)，造成砌體梁結(jié)構(gòu)周期性失穩(wěn)。

在破壞形態(tài)上，上述過(guò)程具體表現(xiàn)為：基本頂在彎矩作用下首先形成O型破壞，隨著所受力矩轉(zhuǎn)移變化，在O型板內(nèi)發(fā)生斷裂，裂隙發(fā)展貫通呈現(xiàn)X型破壞，當(dāng)基本頂發(fā)生初次破斷后，在工作面形成初次來(lái)壓，初次來(lái)壓基本頂斷裂長(zhǎng)度為初次來(lái)壓步距。隨著工作面推進(jìn)范圍不斷增大，工作面基本頂呈現(xiàn)“O-X”周期性破斷，具體表現(xiàn)為：實(shí)體煤上方為關(guān)鍵塊A、巷道上方為巖塊B，采空區(qū)上方為關(guān)鍵塊C，具體如圖2所示。關(guān)鍵塊的周期性破斷在工作面表現(xiàn)為周期性來(lái)壓，相鄰兩關(guān)鍵塊C之間的距離為周期來(lái)壓步距。

圖2 覆巖結(jié)構(gòu)破斷示意

2.2 工作面初次來(lái)壓步距分析

基于彈性力學(xué)，建立關(guān)鍵層固支梁模型[10-11]，具體如圖3所示，圖中上覆巖層作用域關(guān)鍵層的應(yīng)力等價(jià)為均布荷載q，關(guān)鍵層厚度為h，長(zhǎng)度為l，建立豎向直角坐標(biāo)系。

圖3 關(guān)鍵層固支梁模型示意

基于圖3分析可確定如下應(yīng)力表達(dá)式：

(1)

式中：A、B、C、D、E、F、G、H和K為待定常數(shù)；σx、σy和τxy分別為固支梁關(guān)于x軸和y軸及xy平面的正應(yīng)力和剪切應(yīng)力。

因σx和σy關(guān)于y軸對(duì)稱，τxy關(guān)于x軸原點(diǎn)對(duì)稱，且基于下屬邊界條件：

(2)

聯(lián)系式(1)和式(2)確定下述結(jié)果：

(3)

依據(jù)對(duì)稱原理可知，在梁中心處，剪應(yīng)力為零，此時(shí)橫截面正應(yīng)力達(dá)到最大值，為第一主應(yīng)力，則梁未破斷條件下的最大跨距表達(dá)式為：

(4)

(5)

式中：[σ]為梁的極限應(yīng)力值；n為安全系數(shù)。

依據(jù)工作面實(shí)際條件，確定h=4.4 m，n=1.5，[σ]=7.6 MPa.依據(jù)組合梁理論可計(jì)算均布荷載q=0.454 MPa，代入式(5)可計(jì)算基本頂極限跨距，即初次來(lái)壓步距Ls=29.13 m.

5201工作面長(zhǎng)度300 m，基于上述理論分析可知，工作面初次來(lái)壓步距較大，則易造成工作面大面積懸頂，理論懸頂面積8 739 m3.當(dāng)工作面懸頂垮落時(shí)，易在工作面內(nèi)產(chǎn)生沖擊地壓，造成安全事故，因此礦井實(shí)際生產(chǎn)中需要注意及時(shí)強(qiáng)制放頂，降低懸頂面積，避免工作面次生災(zāi)害的發(fā)生。

2.3 工作面周期來(lái)壓步距分析

結(jié)合圖2所示內(nèi)容，工作面覆巖發(fā)生初次破斷后，隨著開(kāi)采空間繼續(xù)增大，煤層采出，頂板垮落，覆巖發(fā)生周期性破斷，并在工作面上方形成類似于懸臂梁結(jié)構(gòu)，巷道上方形成覆巖關(guān)鍵塊結(jié)構(gòu)，其中懸臂梁受力結(jié)構(gòu)模型具體如圖4所示。

圖4 關(guān)鍵層破斷懸臂梁模型示意

圖4中，模型左側(cè)為固支端，q為關(guān)鍵層覆巖等價(jià)均布荷載；h為懸臂梁厚度；l為懸臂梁長(zhǎng)度；M為固定端等價(jià)力矩；TF和Td分別為固支端剪力和正壓力；e為懸臂梁發(fā)生破斷橫截面任意一點(diǎn)；T和Tf分別為e點(diǎn)橫向作用力和豎向作用力。

依據(jù)圖4可列式：

(6)

邊界條件有：

(7)

聯(lián)立式(6)和式(7)可得：

(8)

取梁第二次破斷截面中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，同時(shí)忽略關(guān)鍵層破斷后采空區(qū)矸石于頂板巖塊間的水平力，即T=0，則第二次破斷極限安全跨距，即周期來(lái)壓步距為：

(9)

(10)

代入礦井實(shí)際參數(shù)可得周期來(lái)壓步距為l=10.46 m.

基于5201工作面實(shí)際概況，工作面周期來(lái)壓平均10.46 m處于較為合理范圍，理論懸頂面積3 138 m3，礦井實(shí)際生產(chǎn)中，需要及時(shí)做好預(yù)防，即保障支架或支柱的良好工作狀態(tài)，尤其在兩側(cè)端頭處，避免周期來(lái)壓后關(guān)鍵塊B回轉(zhuǎn)失穩(wěn)，造成巷道圍巖變形加劇。

3 工作面礦壓監(jiān)測(cè)

為了驗(yàn)證模型的合理性，對(duì)5201工作面進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)區(qū)分為上、中、下3個(gè)測(cè)區(qū)，每個(gè)測(cè)區(qū)監(jiān)測(cè)5個(gè)支架，其中上部測(cè)區(qū)監(jiān)測(cè)1～5號(hào)支架，中部測(cè)區(qū)監(jiān)測(cè)6～10號(hào)支架，下部測(cè)區(qū)監(jiān)測(cè)11～15號(hào)支架，監(jiān)測(cè)布置具體如圖5所示。

圖5 礦壓監(jiān)測(cè)布置示意

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用YHJ60監(jiān)測(cè)儀，主要對(duì)工作面液壓支架的工作阻力、初撐力等工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，進(jìn)一步確定基本頂初次來(lái)壓和周期來(lái)壓等相關(guān)情況。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，制定如表1和表2所示3個(gè)測(cè)區(qū)工作面初次來(lái)壓步距和周期來(lái)壓步距。

表1 基本頂初次來(lái)壓步距數(shù)據(jù)

表2 基本頂周期來(lái)壓步距數(shù)據(jù)

分析表1和表2可知，工作面實(shí)際開(kāi)采初次來(lái)壓變化比較平穩(wěn)，基本處于28～30 m范圍內(nèi)，且上中下采區(qū)變化不大，總體處于比較平穩(wěn)的狀態(tài)，總平均值29.12 m，與模型計(jì)算29.13 m基本吻合。工作面周期來(lái)壓變化較大，變化范圍8～14 m，中部測(cè)區(qū)較上下兩測(cè)區(qū)較大，結(jié)合圖2，說(shuō)明工作面兩端礦壓顯現(xiàn)較為劇烈，關(guān)鍵塊B的失穩(wěn)對(duì)未回采區(qū)域基本頂有影響，周期來(lái)壓總平均值10.28 m，與模型計(jì)算值10.46 m相差不大。說(shuō)明礦壓模型能夠較好地預(yù)測(cè)工作面礦壓顯現(xiàn)狀況。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 對(duì)工作面覆巖結(jié)構(gòu)破斷規(guī)律進(jìn)行分析，確定工作面初次來(lái)壓和周期來(lái)壓主要受覆巖基本頂“O-X”破斷影響。

2) 通過(guò)建立固支梁模型，進(jìn)行工作面關(guān)鍵層初次破斷極限安全跨距分析計(jì)算，確定初次來(lái)壓步距為29.13 m.

3) 建立懸臂梁模型，進(jìn)行工作面關(guān)鍵層周期性坡段極限安全跨距分析，確定周期來(lái)壓步距為10.46 m.

4) 通過(guò)巷道分區(qū)監(jiān)測(cè)進(jìn)行力學(xué)模型驗(yàn)證，確定初次來(lái)壓平均值為29.12 m，周期來(lái)壓步距平均值為10.28 m，較好地驗(yàn)證了模型的有效性。