近距離薄煤層聯(lián)合開采頂板初次來壓研究

王 洪

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.太原華煤工程設(shè)計有限公司，山西 太原 030024)

0 引言

工作面安全開采防止頂板對支架造成重大損失，管理好頂板控制至關(guān)重要，頂板的管理就需要研究工作面頂板初次來壓和頂板破斷機理。近距離薄煤層聯(lián)合開采頂板，其頂板初次斷裂[1]規(guī)律與條件較好的單一煤層工作面頂板初次來壓有所區(qū)別，近距離薄煤層聯(lián)合開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、頂板破斷規(guī)律呈現(xiàn)不一樣的特征[2]。對于近距離煤層，上煤層的開采，其頂板已受破壞，煤層間距離很近，下煤層開采難以形成穩(wěn)定的關(guān)鍵層，給工作面安全開采造成困難。目前學(xué)術(shù)界主要針對對厚煤層或條件較好的單一煤層頂板運移規(guī)律進行了相應(yīng)研究，但對于近距離薄煤層聯(lián)合開采頂板初次來壓步距研究相對較少，因此有必要對近距離薄煤層聯(lián)合開采過程中其頂板的破斷機理[3]進行相關(guān)研究，為的是預(yù)測近距離煤層開采頂板初次來壓步距，進而防止支架壓壞，也為近距離煤層群聯(lián)合開采過程中對工作面頂板控制以及工作面安全生產(chǎn)保駕護航。

1 工作面概況

西山礦務(wù)局官地礦3318工作面屬于3號煤層，該工作面平均煤厚1.8m，160m長的工作面長度。與上部2號煤層對應(yīng)部分間距約為6.5m。砂質(zhì)頁巖、細粒砂巖、中粒砂巖等構(gòu)成了2號煤的頂板。2號煤和3號煤層間有兩層巖石夾層，其中與3號煤層接觸的是砂質(zhì)泥巖，該層巖體物理性質(zhì)表現(xiàn)較軟；2號煤層直接底為細砂巖，厚度約為4m，強度較硬。3318工作面底板巖體主要為砂質(zhì)泥巖。官地礦采用下行式采煤方法，故3318工作面開采時，其上部2號煤全部采空。在工作面兩側(cè)順槽窺視發(fā)現(xiàn)頂板局部有較大節(jié)理裂隙發(fā)育，但從整體上來看，頂板屬于較為穩(wěn)定頂板。

2 頂板初次來壓步距理論計算

對近距離薄煤層聯(lián)合開采，工作面頂板初次垮落步距的計算，一些學(xué)者提出了不同的假說和理論，但目前采礦界研究近距離煤層開采頂板破斷機理普遍采用的是薄板理論[4]。

2.1 計算力學(xué)模型

針對官地礦2號煤層和3號煤層3318工作面開采狀況，為計算頂板破斷步距，對該工作進行簡化抽象，建立了計算力學(xué)模型[5]，其力學(xué)分析模型見圖1。

圖1 力學(xué)模型

根據(jù)采場規(guī)律，工作面前方煤體支撐著上方頂板，而兩側(cè)由煤柱分別支撐上方頂板，故認為該力學(xué)計算模型為三邊是固支結(jié)構(gòu)。在工作面后方因其是采空區(qū)，矸石或破斷塊體巖石形成三鉸拱，故視為簡支。其中，頂板受到的均布載荷，用字母q表示；工作面切眼長度，用字母b表示；工作面的推進長度，用字母a表示。

2.2 頂板破斷力學(xué)計算

根據(jù)薄板理論，模型的初始條件為：

根據(jù)圖1力學(xué)模型，可以建立撓曲度方程[6]為：

考慮伽遼金法中拉普拉斯算子，對撓曲度方程進行積分、求導(dǎo)，可求得彎矩峰值。

工作面兩側(cè)（x=a）彎矩峰值位置為y=0處，即也即工作面兩側(cè)中點。

2.3 頂板破斷判據(jù)

根據(jù)彈塑性力學(xué)、材料力學(xué)、礦山壓力與巖層控制中的第一強度理論，則3318工作面頂板巖層破斷的臨界值為：

由彎矩和應(yīng)力關(guān)系可以得到：

官地礦3318工作面切眼長度a為160m，頂板均布載荷q為12.6MPa，巖層抗拉強度σl為0.4 MPa，巖層厚度h為4m。

代入?yún)?shù)，計算得到官地礦3318工作面頂板發(fā)生破斷的長度為21.4m，也就是說頂板初次來壓為21.4m。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 建立模型

根據(jù)官地礦3號煤3318工作面實際概況，采用三維離散元數(shù)值模擬軟件3DEC對煤層頂板破斷進行模擬。在模型中開挖3318工作面，觀測分析頂板破斷距離。煤巖體各個物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表1所示，互層接觸面間的一些力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 物理力學(xué)參數(shù)

表2 接觸面力學(xué)參數(shù)

根據(jù)官地礦3318工作面頂?shù)装甯鲙r層，考慮節(jié)理裂隙，對于各個巖層賦予參數(shù)，所建的模擬模型如圖2所示。

圖2 模擬模型

3.2 模擬結(jié)果分析

開挖3號煤3318工作面不同距離，研究工作面頂板出現(xiàn)的變化。對模型上部施加一定載荷，四周對其進行約束，初始條件施加后，對3318工作面進行開挖。模擬3號煤層3318工作面開采，模擬時分別開挖推進步距為15m、20m和25m，觀察這三種情況下頂板變化規(guī)律。3DEC數(shù)值模擬近距離薄煤層開采頂板變化情況見圖3至圖5所示。

圖3 推進15m時頂板破壞情況

工作面推進15m后，從圖3能夠看出，3318工作面頂板出現(xiàn)彎曲變形，一些巖塊已經(jīng)出現(xiàn)了松動，說明局部可能破碎。底板也出現(xiàn)了底鼓現(xiàn)象。查看了其變形量，頂板下沉約為-0.6m。雖然頂板下沉彎曲，但頂板還懸掛在采空區(qū)上部，頂板出現(xiàn)的變形，并沒有垮落充填采空區(qū)。

圖4 推進20m時頂板破壞情況

模擬開挖20m長的工作面推進距離，模擬呈現(xiàn)3318工作面頂?shù)装寰霈F(xiàn)彎曲，也就是說頂板下沉，底板上凸。查看了其變形量，頂板下沉約為-0.7m。與與推進15m的頂板變形相比較，頂?shù)装逑掳驾^之顯著，從中表明工作面在不斷向前推進過程中，工作面后方采空區(qū)空間的增大，頂板雖然有工作面前方煤體和兩側(cè)煤柱支承，但因懸空面積太大，將會無法繼續(xù)保持穩(wěn)定。頂板未出現(xiàn)破斷原因，工作面推進距離未達到頂板承受極限，頂板還能支撐上覆巖層載荷。

圖5 推進25m時頂板破壞情況

從工作面推進25m來看，3318工作面發(fā)生初次來壓，頂板直接垮落，頂板無法承受上覆巖層施加的載荷，發(fā)生破斷。推進距離25m的頂板已經(jīng)垮落，與工作面推進15m、20m相比較，懸空面積太大，說明頂板已經(jīng)超越了其自身承受的極限，相應(yīng)就會發(fā)生斷裂，這也表明工作面初次來壓步距在20m與25m之間，這也正好與理論計算21.4m相符。

4 現(xiàn)場實測

2017年7月8日，3318工作面開始回采，從機尾處進刀，從回采跟蹤觀測，發(fā)現(xiàn)在2017年7月25日中班，30#～33#支架后方頂煤破碎，呈網(wǎng)兜狀，2017年7月27日中班直接頂大面積垮落，直接頂從工作面中部開始向兩側(cè)逐步垮落，從聲音方面表現(xiàn)頂板垮落時聲響很明顯。此時，3318工作面機頭進尺23.6m，機尾22.3m，平均進尺22.95m，表明3318工作面頂板初次發(fā)生破斷的步距在22.95m，這也跟前文理論計算和數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，很好的詮釋了理論分析和數(shù)值模擬的合理性、可行性、正確性。在工作面發(fā)生初次來壓的時候，測得液壓支架最大工作阻力達到4154.84kN，但仍小于支架的額定工作阻力；最小工作阻力113.10kN，為額定阻力的2.26%；把收集到的數(shù)據(jù)進行整理，在工作面頂板第一次破斷的時候液壓支架平均阻力為3254.72kN，液壓支架承受的動載系數(shù)大約為1.30～1.54。另外，液壓支架承受的阻力表明，頂板發(fā)生第一次破斷，頂板壓力主要發(fā)生在工作面中部，中部的液壓支架承受較兩側(cè)的阻力大許多。頂板垮落后，液壓支架的阻力迅速減小，說明了頂板在初次來壓后給工作面釋放了壓力，也為下一步工作面一段距離的開采提供了一定的安全性。3318工作面直接頂初次垮落前和垮落期間支架阻力及動載系數(shù)統(tǒng)計見表3。

表3 支架阻力及動載系數(shù)值統(tǒng)計表

5 結(jié) 論

針對官地礦2號煤和3號煤兩層近距離煤層開采頂板破斷研究，從理論上計算了頂板破斷距離，并運用3DEC數(shù)值模擬軟件對煤層頂板進行了模擬研究，在該工作面開采期間對頂板變化情況及支架受力進行了觀測，先將得出的結(jié)論總總結(jié)如下：

1）運用薄板理論，建立了力學(xué)計算模型，根據(jù)撓曲度方程和第一強度理論，計算得出官地礦3318工作面頂板初次來壓步距為21.4m。

2）考慮礦井實際，給模型賦予各參數(shù)，研究工作面推進15m、20m和25m下頂板的垮落情況，模擬發(fā)現(xiàn)在工作面推進20m時頂板未垮落，而在25m時頂板已經(jīng)完全破斷，表明工作面頂板初次來壓步距在20m～25m之間。

3）在3318工作面開采期間，現(xiàn)場跟蹤觀測，發(fā)現(xiàn)工作面頂板初次來壓步距大約在22.95m，表明理論計算、數(shù)值模擬基本與實際一致。

通過對西山礦務(wù)局官地礦2號、3號煤近距離煤層3318工作面開采頂板初次來壓步距研究，研究得出工作面頂板初次來壓步距約23m，該研究結(jié)論可為相同條件下的其他礦井頂板垮落預(yù)防及防治提供一定參考和借鑒。