塊體理論在堅硬特厚煤層綜放開采中的應用探索

趙鐵林，王恩鵬，解興智

(1.煤炭科學研究總院開采設計研究分院，北京100013; 2.天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部，北京100013)

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塊體理論在堅硬特厚煤層綜放開采中的應用探索

趙鐵林1，2，王恩鵬1，2，解興智1，2

(1.煤炭科學研究總院開采設計研究分院，北京100013; 2.天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部，北京100013)

［摘要］堅硬特厚煤層采用綜放開采時，頂煤受到節(jié)理裂隙面的截割，將形成相互耦合的塊體，當頂煤下方形成臨空面時，部分頂煤塊體將首先出現(xiàn)垮落。針對此情況，結合現(xiàn)場鉆孔窺視運用塊體理論研究方法，分析頂煤體受到的截割狀況。從塊體沿著單一節(jié)理面的垮落和雙節(jié)理面的垮落類型出發(fā)，分析其運動關系和動力關系，得到塊體滑動垮落與節(jié)理面內(nèi)摩擦角，及其與滑動垮落方向的關系式，為堅硬特厚煤層頂煤垮落分析提供新的研究角度。

［關鍵詞］塊體理論;堅硬煤層;特厚煤層;綜放開采

［引用格式］趙鐵林，王恩鵬，解興智.塊體理論在堅硬特厚煤層綜放開采中的應用探索［J］.煤礦開采，2015，20 (2) : 13－15.

我國榆陽地區(qū)分布著煤質(zhì)優(yōu)良、埋藏淺、煤體硬度大、節(jié)理裂隙不發(fā)育、厚度變化大的3號煤層，主采3號煤層的礦井有千樹塔煤礦、麻黃梁煤礦、柳巷煤礦、雙山煤礦、杭來灣煤礦等，大部分煤礦平均埋深在200m以內(nèi)，煤層單軸抗壓強度均大于25MPa，煤層厚度在10m左右。為了實現(xiàn)高產(chǎn)高效安全開采，礦井采用了綜合機械化放頂煤采煤法。但由于煤層堅硬，頂煤難以垮落、在不采取弱化措施時難以保障頂煤采出率。針對這個問題，運用塊體理論的相關知識［1－4］，對頂煤的冒放結構進行分析，為改善頂煤冒放性提供理論參考。

1　礦井條件概況

以千樹塔煤礦為應用對象進行現(xiàn)場觀測，千樹塔煤礦主采3號煤層，首采11301綜放工作面埋深171m左右，煤層厚度平均10.61m，賦存穩(wěn)定，平均傾角0.6°，工作面設計長度150m，采煤機割煤高度4m，放煤高度6.61m，采放比1∶1.65。為了準確地得到堅硬特厚煤層頂煤節(jié)理面的分布情況，在工作面架間垂直頂煤和相交頂煤一定夾角向上打鉆。在同一個架間連續(xù)打4次垂直鉆孔，推進2刀之后打傾斜孔，鉆孔最終分布如圖1所示，鉆孔編號為1，2，3，4，5，6，其中5號鉆孔與水平面夾角為30°，6號鉆孔與水平面夾角為45°。

通過鉆孔，運用鉆孔電視儀對節(jié)理裂隙進行成像分析，并對圖像進行素描，得到大致的節(jié)理面走向和傾向，分析結果如表1所示(傾角α是節(jié)理面法向向量與z軸正向的夾角，傾向斜β是節(jié)理面法向向量在xoy平面內(nèi)的投影與y軸的夾角)。

2　頂煤冒放塊體坐標系的建立

塊體理論是用于分析巖土工程穩(wěn)定性問題，在巖石邊坡工程、地下洞室、隧道等領域得到了廣泛應用，堅硬特厚煤層在采用綜放開采時，由于其頂煤單軸抗壓強度較大，在礦山壓力和支架的支撐作用下，頂煤難以發(fā)生充分破碎，很容易形成相互鉸接的塊體結構。

圖1　頂煤鉆孔示意

表1　綜放工作面頂煤節(jié)理面參數(shù)

對堅硬煤層綜放工作面頂煤進行分析可知:當支架前移后頂煤體處于臨空自由狀態(tài)，沿著臨空面建立三維空間直角坐標系和球坐標系，見圖2。

圖2　頂煤體三維直角坐標和球坐標系

綜放工作面開切眼形成時，開切眼處頂煤體受到支護，沒有實際意義上的臨空自由面。當工作面推進一段距離后，支架后方頂煤暴露范圍逐漸加大，在礦山壓力、支架反復支撐及煤體自身重力作用下，頂煤體內(nèi)產(chǎn)生不同產(chǎn)狀節(jié)理裂隙面，這些節(jié)理裂隙面將頂煤體切割成相互鉸接的不同塊體。

實測得到如圖3所示的節(jié)理面將支架上方及后方頂煤切割成幾個塊體，平行于工作面方向，有6個節(jié)理面，垂直于工作面方向有2個節(jié)理面，從臨空面至頂煤深處，大致有如圖3所示的幾個塊體，塊體編號與塊體垮落順序沒有直接關系。從分析靠近臨空面的塊體Ⅰ出發(fā)，研究頂煤塊體穩(wěn)定性規(guī)律。包圍塊體Ⅰ的節(jié)理面參數(shù)見表1。各個節(jié)理面z方向的法向量的坐標(xi，yi，zi)，即:= (0，－0.98，0.17)，= (－0.25，－0.43，0.87)，= (0，－0.87，0.5)，= (0.99，0，0.09)。

圖3　頂煤體節(jié)理面投影

3　頂煤塊體的運動學分析

根據(jù)塊體理論的相關定理，視節(jié)理裂隙面不具有抗拉強度，可動塊體的運動形式有3種:直接掉落、沿單節(jié)理面滑動和沿雙節(jié)理面滑動［6］。在頂煤的實際破裂垮落過程中，頂煤塊體可能沿著多節(jié)理面滑動或者垮落，也有可能發(fā)生剪切破斷，本文從簡化的塊體運動特征出發(fā)，分析頂煤塊體簡單的運動形式。

促使頂煤塊體Ⅰ下落的主動力包括重力和礦山壓力，但其主動合力方向不定，方向向量與z軸有夾角。頂煤塊體Ⅰ可以沿著節(jié)理面1，2，7，8中的任一個運動垮落或者相鄰兩個節(jié)理面運動垮落。設頂煤塊體受到的主動力合力方向坐標為(xi，yi，zi)，當zi≥0時，塊體不會發(fā)生下落，因此zi的值小于0。不考慮礦山壓力的作用，則主動力方向為(0，0，－1)，得到頂煤塊體Ⅰ沿著單一節(jié)理面運動下落和沿著2個節(jié)理面運動下落的方向向量為:

4　頂煤塊體的動力學分析

頂煤由節(jié)理面切割成不同產(chǎn)狀的塊體，以頂煤塊體Ⅰ為對象，對其進行受力分析［1，5－6］。頂煤塊體Ⅰ受力如圖4所示。

圖4　頂煤塊體受力分析

(1)若頂煤塊體Ⅰ沿著單一節(jié)理面i接觸垮落，則T = Nitanφi，由平衡方程推理得出:

(2)若頂煤塊體Ⅰ沿著節(jié)理面當中的兩個面滑落時，T = Nitanφi+ Njtanφj，Ni≥0，Nj≥0，由平衡方程推得:

頂煤塊體受到重力和礦山壓力的作用，簡化礦山壓力，視塊體Ⅰ下落的主動力只有重力，則x = 0，y =0，z =－1，帶入(1)式和(2)式得到: F1= 0.98－tanφ1; F2= 0.5－0.86tanφ2; F7= 0.86 + tanφ7; F8= 0.99; F12= 0.36－0.25tanφ1－0.85tanφ2; F17=－0.47tanφ1－0.53tanφ7; F18=－0.51tanφ1; F27= 0.18－0.68tanφ2－0.3tanφ7; F28= 0.5－1.16tanφ2－0.3tanφ8; F78= 0.65－ 0.57tanφ7。得到虛平衡力與節(jié)理面摩擦角的關系，通過實驗室試驗得到千樹塔煤礦3號煤層內(nèi)摩擦角為34°，近似將各個節(jié)理面的內(nèi)摩擦角視為等于煤體的內(nèi)摩擦角，所以tanφi= tan34°= 0.67 (i =1，2，7，8)，帶入得到各個F值，如下所示: F1= 0.31; F2=－0.08; F7= 1.53; F8= 0.99; F12=－0.377; F17=－0.67; F18=－0.34; F27=－0.48; F28=－0.48; F78= 0.27。

綜合上述分析，只有F1，F(xiàn)7，F(xiàn)8，F(xiàn)78大于零，塊體Ⅰ將沿著節(jié)理面1，7，8或者同時沿著兩個節(jié)理面7和8滑動垮落。

5　結論

(1)由運動學分析得知，頂煤塊體沿著節(jié)理面7垮落運動，或者沿著節(jié)理面2和7的交線、節(jié)理面7和8的交線垮落運動，但是都朝向y軸負方向，即朝著支架方向垮落，說明此節(jié)理面截割頂煤利于頂煤的冒落回收。

(2)由動力學分析得知，頂煤塊體可能沿著節(jié)理面1，7和8發(fā)生垮落，或者同時沿著節(jié)理面7和8發(fā)生垮落。

(3)應用塊體理論相關知識分析千樹塔煤礦堅硬特厚煤層頂煤塊體結構，得到頂煤塊體可能發(fā)生垮落的方向，及初采期間頂煤塊體垮落與其內(nèi)摩擦角的關系。

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［責任編輯:于海湧］

地質(zhì)與勘測

Application of Block Theory in Full-mechanized Caving Mining in Hard and Extremely-thick Coal-seam

ZHAO Tie-lin1，2，WANG En-peng1，2，XIE Xing-zhi1，2

(1.Coal Mining＆Designing Research Branch，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China;
2.Coal Mining＆Designing Department，Tiandi Science＆Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

Abstract:In full-mechanized caving mining hard and extremely-thick coal-seam，top-coal was cut by joints and fissure and would form blocks which were interconnected.When free face occurred under top-coal，part top-coal blocks would firstly cave.Applying block theory and bore-hole imaging，cut status of top-coal was analyzed.The movement and dynamics relationship of blocks was analyzed from the form of block caving along single-joint and double-joint.Internal frictional angle of joint and the relational expression of the angle and slide direction was obtained，which provided new research view for top-coal caving in hard and extremely-thick coal-seam.

Keywords:block theory; hard coal-seam; extremely-thick coalseam; full-mechanized caving mining

［作者簡介］趙鐵林(1990－)，男，江蘇連云港人，碩士研究生，研究方向為礦山壓力與巖層控制。

［基金項目］天地科技股份有限公司科技創(chuàng)新基金項目:新疆巨厚煤層高強度開采關鍵技術研究(KJ－2014－TDKC－04) ;天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部青年創(chuàng)新基金項目:淺埋煤層綜放工作面堅硬頂煤弱化技術研究(KCSJ－QNCX－2014－07)

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11－3677/td.2015.02.004

［收稿日期］2014－10－18

［中圖分類號］TD821

［文獻標識碼］A

［文章編號］1006-6225 (2015) 02-0013-03