特厚煤層堅硬頂板綜放開采礦壓特征及覆巖破斷規(guī)律研究

李碩森,賀 雄,徐青云,馮 劍

(山西大同大學(xué) 煤炭工程學(xué)院,山西 大同 037003)

我國煤層賦存條件復(fù)雜,堅硬頂板的煤層約占1/3,且分布在50%以上的礦區(qū)[1]。堅硬頂板冒落時,一般具有較強烈的沖擊載荷,容易引起地表發(fā)生沉陷,造成建筑物、道路和管道的損壞,對人們的生命財產(chǎn)安全造成威脅。煤炭資源安全高效開采最重要的就是對工作面頂板巖層的控制,頂板巖層的活動規(guī)律將嚴(yán)重制約著工作面的開采安全[2]。對于此課題已經(jīng)有大量學(xué)者的關(guān)注和研究,并取得了一些重要成果。

于斌等[3-5]針對大同礦區(qū)特厚煤層堅硬頂板的綜放開采進行了研究。結(jié)果顯示,工作面礦壓顯現(xiàn)較為強烈,表現(xiàn)出來壓步距較大、來壓持續(xù)時間較長、煤壁片幫嚴(yán)重以及動載較明顯等特征。并且指出在石炭系特厚煤層綜放開采條件下,上覆巖層活動劇烈以及工作面上方侏羅系采空區(qū)遺留煤柱產(chǎn)生的集中應(yīng)力加劇了礦壓傳遞的作用。樊克松等[6-7]運用數(shù)值計算方法,對綜放開采中支架的支護強度與一次采出的煤層厚度之間的關(guān)系進行了研究,發(fā)現(xiàn)支護強度與煤層厚度之間存在著近似的正相關(guān)關(guān)系。朱志潔等[8]分析了特厚煤層綜放開采過程中的工作面長度和回采速度等因素對礦壓顯現(xiàn)的影響。發(fā)現(xiàn)工作面回采速度增加會導(dǎo)致礦壓顯現(xiàn)的程度增強,即礦壓顯現(xiàn)更加明顯。夏彬偉等[9]基于Vlasov厚板和薄板理論分析了大同礦區(qū)某工作面近距離厚度差異較大堅硬頂板的破斷規(guī)律。伊永杰等[10]結(jié)合神東礦區(qū)超大采高綜采工作面的地質(zhì)賦存條件,發(fā)現(xiàn)高位主關(guān)鍵層與煤層的間距越大,其破斷運動對工作面的礦壓顯現(xiàn)影響越大,高位主關(guān)鍵層與其下部亞關(guān)鍵層發(fā)生同步破斷時,單一關(guān)鍵層破斷將傳遞更大的荷載。大量的專家學(xué)者對堅硬頂板強礦壓顯現(xiàn)機理的研究較為豐富,但是針對堅硬厚層頂板破斷規(guī)律的研究還較為匱乏。

本文以同忻礦8309、8311工作面頂板活動規(guī)律為研究背景,分析工作面回采期間出現(xiàn)的礦壓顯現(xiàn)特征,運用礦壓監(jiān)測和數(shù)值模擬多種手段,對工作面回采期間的礦壓顯現(xiàn)及頂板破斷規(guī)律進行研究,得出特厚煤層堅硬頂板綜放開采礦壓顯現(xiàn)及頂板破斷規(guī)律,為類似地質(zhì)工作面安全高效開采提供參考價值。

1 工程概況

同忻煤礦石炭系3-5號煤層為特厚煤層,上方存在多層厚而堅硬的巖層,煤層f值在1～3,頂板巖石f值達(dá)到了4～6.石炭二疊系3-5號煤層至侏羅系14號煤層之間有22層巖層,其中以堅硬的砂巖和礫巖為主,軟弱泥巖分布少,礦壓顯現(xiàn)具有特殊性。8311工作面位于井田西部三盤區(qū)的西南部,地面主要由山梁組成,其北部為實煤區(qū),南部為三盤區(qū)8309工作面的采空區(qū),東部為三盤區(qū)大巷,西部則是同忻礦與馬脊梁礦井田的邊界[11]。該工作面煤層厚度為9.16～17.98 m,平均煤厚為14.91 m,煤層傾角為0°～4°,平均2°.工作面礦壓顯現(xiàn)主要受上覆堅硬頂板破斷的控制。其工作面布置圖,如圖1所示。

圖1 工作面布置圖

2 工作面礦壓監(jiān)測分析

以8309工作面頂板為觀測對象,觀測工作面回采過程中支架最大工作阻力大小、頂板來壓步距及活動規(guī)律等。

2.1 支架觀測結(jié)果

對8309工作面回采期間液壓支架受力進行監(jiān)測,連續(xù)觀測工作面30～200 m過程中的工作阻力變化規(guī)律,記錄工作面第28號、第48號、第68號、第88號液壓支架受力情況,結(jié)果如圖2所示。

圖2 8309工作面第28號、第48號、第68號、第88號支架循環(huán)末阻力曲面圖

8309工作面第28號、第48號、第68號、第88號液壓支架基本頂初次來壓和周期來壓數(shù)據(jù)見表1～表3.通過監(jiān)測數(shù)據(jù),分析其上覆巖層運動特征,得到工作面初次來壓、周期來壓規(guī)律。

表1 基本頂初次來壓步距

表2 基本頂周期來壓步距

表3 基本頂周期來壓期間支架阻力統(tǒng)計

由理論計算得出,工作面來壓阻力約為14 850 kN.通過數(shù)據(jù)整理和分析得,8309工作面30～200 m,共來壓6次,初次來壓步距為72.32 m,周期來壓步距為10.69～44.36 m,最大周期來壓步距為44.36 m,平均為26.04 m,來壓期間最大工作面阻力為15 873.15 kN,非來壓期間最大工作阻力為14 832.83 kN.根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,液壓支架的工作阻力均未超過額定阻力,工作面的安全回采可以得到保證。

2.2 來壓規(guī)律分析

通過分析工作面30～200 m推進期間支架工作阻力發(fā)現(xiàn),工作面來壓呈現(xiàn)強弱周期性交替。在強周期來壓階段,支架承受較大的工作阻力,壓力范圍幾乎覆蓋整個工作面,每次來壓步距約為26.04 m,每次來壓時支架壓力較大,最大可達(dá)15 873.15 kN;而在弱周期來壓階段,支架的工作阻力相對較小,周期性壓力范圍較小,且周期性壓力持續(xù)時間較短,來壓時,支架壓力約為12 000 kN,工作面礦壓顯現(xiàn)相對不明顯。

隨下位堅硬頂板及上位堅硬頂板的周期性破斷一致,當(dāng)下位堅硬頂板組合懸梁結(jié)構(gòu)周期失穩(wěn)時,引起礦壓顯現(xiàn)相對較弱;當(dāng)上位堅硬頂板發(fā)生斷裂時,盡管回轉(zhuǎn)空間有限,形成上位鉸接巖梁的結(jié)構(gòu)。如果該結(jié)構(gòu)發(fā)生一定程度的回轉(zhuǎn),同時會導(dǎo)致下位短組合“懸臂梁”斷裂并坍塌,最終對支架上部施加較強的周期性壓力。

3 上覆巖層破斷規(guī)律的數(shù)值模擬

3.1 建立模型

根據(jù)同忻礦的實際地質(zhì)條件,對8311工作面回采過程中上覆巖層的運動規(guī)律進行模擬。模擬煤層開采厚度為14.91 m,下位堅硬頂板為36 m,軟弱夾層為33.5 m,堅硬頂板1為8 m,堅硬頂板2為20 m.整個模型的尺寸長×寬×高=180 m×150 m×142 m,模型底部邊界的垂直方向固定,左右邊界水平方向固定。在回采過程中,不考慮液壓支架的作用。數(shù)值模擬模型如圖3所示。

圖3 數(shù)值模擬模型

模型中塊體材料本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型,節(jié)理材料的本構(gòu)模型采用面接觸的庫倫滑移模型。巖層和煤層的物理力學(xué)參數(shù)如表4所示。

表4 8311工作面頂板巖性和力學(xué)參數(shù)

3.2 沿工作面開采的頂板破斷結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)8311工作面實際回采情況,對回采時的煤巖層垂直變化情況進行模擬,工作面長300 m,每推進30 m記錄一次。隨著工作面向前推進,記錄不同推進距離時的上覆巖層破斷失穩(wěn)特征,模型兩邊各留設(shè)30 m的邊界煤柱。工作面回采時,在煤層上方、軟弱夾層、下位堅硬頂板和上位堅硬頂板分別設(shè)置了4條測線,巖層測線的布置如圖4所示。

圖4 巖層測線布置圖

隨著工作面的向前推進,上覆巖層頂板逐漸破斷、垮落,通過對上覆巖層測線進行位移記錄,得到其工作面上方不同高度巖層下沉曲線如圖5所示。

圖5 工作面上方不同高度巖層下沉曲線

隨著工作面的推進,上覆巖層受采動影響隨之發(fā)生運動,各巖層的下沉量隨之增加。隨著采空區(qū)上方直接頂?shù)闹饾u懸空,形成了固支梁結(jié)構(gòu),梁的中部緩慢下沉。當(dāng)工作面推進到30 m時,測線1的位移增加到13.6 m,這表明直接頂發(fā)生垮落。

當(dāng)直接頂垮落后,其上方的軟弱巖層中部逐漸彎曲下沉,隨著工作面的向前推進,其軟弱巖層的懸露長度不斷增加,中部彎矩也隨之不斷增大。當(dāng)工作面推進至45 m時,測線2位移增至11.8 m,說明軟弱夾層逐漸垮落。隨之工作面推進至60 m時,測線3位移增至10.22 m,這時下位堅硬頂板隨著工作面的推進而逐漸出現(xiàn)垮落。

上位堅硬頂板具有硬度高和厚度大等特點,因此具備較強的抗變形能力,并且表現(xiàn)出明顯的托板效應(yīng),隨著工作面向前推進至75 m時,測線4位移激增至9.86 m,這時上位堅硬頂板才首次發(fā)生破斷并失穩(wěn)垮落,當(dāng)工作面向前推進至90 m時,上位堅硬頂板發(fā)生第二次周期性破斷,從而出現(xiàn)周期來壓。此后,隨著工作面不斷向前推進,雙硬頂板呈現(xiàn)交替性周期垮落。

3.3 雙堅硬頂板破斷失穩(wěn)運動特征

圖6為沿工作面推進各巖層破斷模擬圖。

圖6 沿工作面推進破斷狀況

1) 直接頂垮落情況。當(dāng)工作面推進15 m時,煤層上方的直接頂開始出現(xiàn)斷裂,如圖6(a)所示;當(dāng)工作面推進30 m左右時,直接頂開始垮落,如圖6(b)所示;當(dāng)工作面推進到45 m時,直接頂大面積垮落,如圖6(c)所示。

2) 下位堅硬頂板垮落情況。當(dāng)工作面推進到45 m時,下位堅硬頂板逐漸出現(xiàn)彎曲下沉現(xiàn)象,由于存在水平力的擠壓作用,下位堅硬頂板與后方的頂板形成鉸接梁結(jié)構(gòu)。此時采空區(qū)上方的軟弱巖層隨之下沉,隨著其下沉量的不斷增加,采空區(qū)上方的兩層堅硬頂板之間出現(xiàn)離層,如圖6(c)所示。當(dāng)軟弱巖層出現(xiàn)垮落后,下位堅硬頂板中部也隨之出現(xiàn)彎曲下沉,隨著工作面的不斷向前推進,當(dāng)工作面推進到60 m時,下位堅硬頂板開始斷裂并逐漸垮落,如圖6(d)所示。隨著工作面繼續(xù)向前推進,采空區(qū)上方的下位堅硬頂板的懸露面積不斷擴大,下位堅硬頂板在工作面?zhèn)壬戏綌嗔芽迓洮F(xiàn)象更加明顯,此時下位堅硬頂板連同軟弱夾層同步垮落。

3) 上位堅硬頂板垮落情況。當(dāng)工作面向前推進到60 m時,下部軟弱巖層和下位堅硬頂板的垮落導(dǎo)致上位堅硬頂板出現(xiàn)了彎曲下沉現(xiàn)象。隨著其垮落面積的增大,導(dǎo)致上位堅硬頂板的懸頂面積和彎曲下沉量持續(xù)增加。當(dāng)達(dá)到極限彎矩后,上位堅硬頂板中部發(fā)生首次破斷,同時帶動下位堅硬頂板及軟弱巖層同步破斷,如圖6(d)所示;當(dāng)工作面推進到75 m時,上位堅硬頂板突然垮落,上位堅硬頂板的初次垮落步距約為75 m,如圖6(e)所示。

4 結(jié) 語

1) 8309工作面30～200 m回采期間,共發(fā)生頂板來壓6次,其中初次來壓步距平均為72.32 m;周期來壓步距為10.69～44.36 m,最大周期來壓步距為44.36 m,平均為26.04 m;來壓期間最大工作面阻力為15 873.15 kN.具有來壓動載強、來壓持續(xù)時間長、來壓區(qū)域性明顯、周期性強礦壓特征等特點。

2) 通過數(shù)值模擬結(jié)果分析,堅硬頂板垮落失穩(wěn)對下位采場的影響程度基本相同,基本頂及上覆堅硬頂板協(xié)同失穩(wěn)是礦壓顯現(xiàn)的主要原因。上位堅硬頂板跨落失穩(wěn)對采場礦壓影響最大,是導(dǎo)致強烈礦壓顯現(xiàn)特征的主控巖層,其初次垮落步距約為75 m.隨著工作面繼續(xù)向前推進,逐漸呈現(xiàn)出“下位懸臂梁與上位砌體梁”結(jié)構(gòu)。