堅硬厚基巖淺埋煤層切眼合理放頂高度研究

管學海

(中天合創能源有限責任公司，內蒙古鄂爾多斯017318)

淺埋煤層主要分布在神府、東勝礦區，近幾年隨著神府東勝礦區開采強度的增大，開采“厚基巖薄松散層”型淺埋煤層礦井逐漸增多，新問題也隨即出現:初采期間頂板大面積懸頂、基本頂初次來壓期間礦壓顯現異常劇烈，其災害表現形式為颶風傷人、大面積壓架［1－4］。例如:鄂爾多斯礦區的大飯鋪煤礦、酸刺溝煤礦、凱達煤礦、大地精煤礦初采期間均出現過壓架事故。該類頂板特點是砂巖層厚度大、整體性強、埋深淺、頂板巖石強度大，這3個因素的共同作用造成堅硬厚基巖淺埋煤層頂板難垮落，且由于該類煤層埋深淺，其頂板處理措施不同于一般采深下的堅硬頂板，在淺埋條件下若頂板處理高度過大會造成人為“切冒”事故，頂板處理高度過小則不能有效控制基本頂垮落步距。

本文以石窯店煤礦215206工作面為背景，采用數值模擬、理論計算分析頂板處理的合理層位和合理強制放頂高度，并通過現場觀測和礦壓規律驗證頂板處理的效果和研究的正確性。

1 頂板合理處理層位的確定

石窯店215206工作面所采5－2煤層平均埋深69m，上覆基巖層厚度為60m，黃土層厚度為9m，屬于“厚基巖薄松散層型”淺埋煤層，其偽頂為0.4m的炭質泥巖，再往上依次為3.2m的粉砂巖(泥質膠結)、4.2m的細砂巖、2.4m的中砂巖、12.2m的粗粒砂巖，巖層物理力學參數見表1及圖1。根據關鍵層復合破斷理論［5－7］，頂板第4層巖層承擔4～15巖層載荷，小于2，3巖層破斷距，該層破斷后必然導致2，3層巖層同步破斷，可將第4層巖層看作上位基本頂，2，3層巖層看作下位基本頂。在此采用3DEC數值模擬軟件模擬處理層位達到下位基本頂時頂板的破斷垮落規律［8－9］。

表1 煤層上方主要巖層物理力學參數

模型尺寸長160m，寬10m，高75m，模型參數根據實驗室試驗和經驗選取，模型邊界條件采取薄層方法對前、后、左、右、底面進行速度為0的固定，在開挖前對切眼頂板進行處理，形成一個寬度為0.5m，高度達到下位基本頂厚度的切槽，模擬切眼、切槽在工作面推進過程中頂板破斷垮落規律見圖2所示。

圖1 215206工作面鉆孔綜合柱狀

圖2 頂板處理層位達到下位基本頂

從圖2可以看出，當工作面推進15m后，直接頂即破斷，下位基本頂出現微小離層;開挖20m后，下位基本頂和上位基本頂之間離層增大;開挖30m后，下位基本頂垮落，基本頂初次來壓，上位基本頂開始出現離層;開挖40m后，上位基本頂由于受到垮落矸石的支撐作用，離層發展受到限制;開挖70m后，上位基本頂發生斷裂，斷裂線滯后于工作面，對工作面影響很小;開挖80m后，地表黃土層下巖層發生離層，地表下沉不明顯。

由上述分析可知，當頂板處理層位達到下位基本頂后，6.6m厚的下位基本頂和3.2m厚的直接頂提前垮落，采空區則能被碎脹矸石充滿，由于矸石支撐作用則會使上位基本頂只發生斷裂而不是垮落，從而可以有效減小初次來壓強度，避免工作面初次來壓強礦壓顯現導致的災害發生。

2 頂板合理強放高度的確定

根據上節分析可知，為避免大面積懸頂造成初次來壓期間強礦壓顯現，頂板巖層需要處理到下位基本頂，然而當強放高度不同時，下位基本頂破斷距也不同，在此通過分別分析不同強放高度下頂板支承狀態，研究頂板的合理強放高度。

根據放頂高度的不同，可以將初次放頂后頂板的支承狀態分為3種:直接頂懸臂梁、基本頂變截面固支梁、基本頂固支－簡支梁 (矸石支承)(見圖3)。

分別對上述3種情況進行力學分析:

圖3 初次放頂后頂板支承狀況

(1)當放頂高度較小時，即h放=h1，頂板支承情況見圖3(a)所示，此時基本頂巖梁的支承條件不受影響，承載特性保持不變，因此基本頂來壓歩距也不變，但直接頂由兩端固支梁變為懸臂梁，直接頂承載特性降低，計算直接頂垮落步距為:

式中，L1為強放后直接頂初次垮落歩距，3.2m;h1為直接頂厚度，3.2m;R1為直接頂單向抗拉強度，4.49MPa;q1為直接頂承擔載荷，84.48kPa。

(2)當放頂厚度較大時，即h1＜h放＜h冒，頂板支承情況如圖3(b)所示，切槽處基本頂厚度變小，承載能力降低，隨著工作面推進此處首先斷裂，隨后固支梁支承條件變為懸臂梁或一端固支一端簡支，其中切槽斷裂距La和h放關系為:

式中，La為切槽斷裂距;h1為直接頂厚度，3.2m;h2+h3為下位基本頂厚度，6.6m;h放為放頂高度，2.2m;R2為下位基本頂單向抗拉強度，7MPa;(q3)2為下位基本頂承擔載荷，143.27kPa;K為碎漲系數，取1.3。

強制放頂后巖塊體積增大，當巖梁強放端完全破斷后，若強放高度h放較小，則強放梁端不能接觸到破碎巖塊，巖梁支承條件變為圖4所示的懸臂梁，其強放巖梁端B的撓度值y為 (取單位寬度巖梁進行計算):

圖4 強放端基本頂斷裂后懸臂巖梁受力示意

式中，y為強放端下沉量，m;E為巖石彈性模量，36.88GPa;I為截面中性軸慣性矩，23.98m4;l為懸臂巖梁垮距，取20～50m;(q3)2為基本頂承擔上覆載荷，143.27kN/m。

代入上述各值，可得3mm＜y＜127mm，可以看出由于巖梁彈性模量較大，強放后巖梁端下沉很小，因此工程應用上可忽略，所以當h放＜h冒時可認為強放端巖梁斷裂后不能接觸到破碎巖塊，支承條件維持為懸臂梁，直到懸臂側出現斷裂。根據材料力學計算該懸臂梁極限垮落步距Lb為

根據公式 (2)，(5)可知，當強放高度h放增加時，La逐漸減小，因此可知，當La＞Lb時，基本頂初次垮落步距值等于La，當La＜Lb時，基本頂初次垮落步距值等于Lb。

(3)當強放高度h放＞h冒，垮落巖塊能緊密接觸到強放端巖梁，當強放端巖梁斷裂后矸石會對基本頂起到一定支撐作用，此時基本頂來壓歩距會稍大于懸臂梁來壓歩距，但由于切眼強放寬度小致使矸石的支撐情況不明，因此對矸石支撐影響不做具體分析。

綜上可以看出，當h放＜h冒時，若La＞Lb時，則基本頂垮落步距值等于La，當La＜Lb時，基本頂初次垮落步距值等于Lb;當h放＞h冒時，基本頂垮落步距值Lc稍大于Lb。爆破放頂高度與基本頂初次來壓步距關系如圖5所示。

圖5 強放高度與初次來壓步距的關系

從圖5可以看出，通過切眼強制放頂方法可以有效減少基本頂初次來壓步距，但來壓步距不是隨著放頂高度的增加而一直減少，存在一個合理放頂高度區間，在此區間內來壓步距隨著放頂高度增加而線性減小，當超過該區間時基本頂初次來壓步距稍微增大并維持在一個定值，因此確定215206工作面切眼強放高度為7m。

3 現場實踐與效果分析

為使強制放頂高度達到7m，按圖6布置雙排炮孔，炮孔長度14m，傾角30°，孔徑80mm;根據炮孔傾角及柱狀藥包最小抵抗線確定炮孔間距Lj為6m;封孔長度取30倍孔徑［10］。

圖6 切眼頂板炮孔布置示意

在石窯店215206工作面進行現場實踐，結合直觀觀測和礦壓分析兩方面對頂板爆破效果進行分析。

(1)215206工作面放炮結束后，從兩端頭和支架縫隙可以看出切眼處頂板垮落充分，采空區基本被垮落后的碎脹矸石充滿，從支架縫和兩端頭可以看到掉落的錨索，可說明頂板垮落高度大;由現場觀測得知，強放后工作面回采過程中工作面中部直接頂可以隨采隨冒，說明爆破效果很好。

(2)以支架的加權循環末阻力與其均方差之和作為判斷基本頂來壓的主要指標 (圖7為70號支架來壓判斷曲線圖)，從表2可以看出基本頂來壓步距明顯減小，在28～35m之間。

圖7 70號支架來壓判斷曲線

表2 基本頂來壓歩距統計

4 結論

(1)通過數值模擬結果可知，當頂板處理層位達到下位基本頂后，由于直接頂和下位基本頂支承條件的改變，垮落歩距分別縮短為15m和30m，此時由于巖石碎脹性采空區被垮落巖塊充滿，從而可以抑制上位基本頂離層發展的過程，開挖70m后上位基本頂滯后工作面發生斷裂，避免上位基本頂發生滑落失穩給工作面帶來的沖擊，能夠大幅度減小初采期間來壓強度。

(2)根據215206工作面頂板具體情況，研究了放頂高度對基本頂來壓步距的影響。結果表明，來壓步距不是隨著放頂高度的增加而一直減少，而是存在一個合理放頂高度區間，在此區間內來壓步距隨著放頂高度增加而線性減小，當超過該區間時基本頂初次來壓步距會增大并維持為一個定值，最終確定215206工作面強放高度為7m。

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