近距離厚煤層開采的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

申 超

（中煤平朔集團(tuán)公司，山西 朔州 036006）

0 引言

我國是一個(gè)煤炭資源儲(chǔ)量非常豐富的國家，其中厚煤層（煤層厚度大于等于3.5 m）的儲(chǔ)量約占全部煤炭儲(chǔ)量的一半，生產(chǎn)的煤炭總量也占全國產(chǎn)量的一半，遠(yuǎn)高于世界平均水平的15%。綜放開采技術(shù)在科研工作者的長期研究下，取得了很多豐碩的成果，使得綜放開采技術(shù)得到了大面積的推廣和應(yīng)用。但是綜放開采仍存在各種各樣的問題，如“堅(jiān)硬頂板條件下放頂煤”“硬煤條件下放頂煤”“煤層含夾矸”等條件下綜放開采的安全保障技術(shù)，都有待進(jìn)一步研究，其中堅(jiān)硬頂板條件下的綜放開釆也是重要研究課題[1]。為了解決此類技術(shù)難題，必須研究堅(jiān)硬頂板條件下的礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律，許多專家學(xué)者都對此進(jìn)行了研究和探討，許家林等人將對采場上覆巖層小范圍或者直到地表大范圍巖層運(yùn)動(dòng)起主要控制作用的巖層稱為關(guān)鍵層，并在關(guān)鍵層理論提出后，給出了判定是否為關(guān)鍵層的方法，闡述了關(guān)鍵層在上覆巖層中的作用機(jī)制；錢鳴高、廖協(xié)興等[2]利用薄板模型與塑性力學(xué)理論分析頂板狀態(tài)，認(rèn)為老頂初次來壓前后的破斷形式分別為O-X型和半X型破壞；王家臣[3]等研究了頂板邊界在不同條件支撐下的位移應(yīng)力解析解；王平等在分析計(jì)算兩對邊簡支、兩對邊固支彈性矩形薄板的解時(shí)引入了水平應(yīng)力。基于彈性基礎(chǔ)梁理論，蔣金泉等揭示了高位硬厚巖層彈性基礎(chǔ)邊界下破斷規(guī)律的演化特征；潘岳、顧士坦[4]基于Winkler彈性地基基礎(chǔ)，又引入軟化地基，得出在埋深200 m～300 m范圍內(nèi)，軟化地基給予煤壁處頂板的地基反力為全彈性地基的4倍，并求得在煤壁前面的最大彎矩。盡管針對近距離厚煤層堅(jiān)硬頂板條件下的礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行了有效的研究，但是由于煤礦地質(zhì)條件的不同，一套支護(hù)理論和設(shè)備無法滿足所有煤礦支護(hù)的需求，必須針對不同的地質(zhì)條件進(jìn)行分析研究，基于近距離厚煤層開采的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的特點(diǎn)，制定出合理的支護(hù)方案，保障煤礦井下巷道的安全開采。

該文以中煤平朔集團(tuán)井工三礦39201工作面的開采為工程背景，該文結(jié)合上述幾種堅(jiān)硬頂板條件下的礦壓研究理論，采用了力學(xué)分析和現(xiàn)場檢測相結(jié)合的方法，分析了綜放工作面上覆堅(jiān)硬頂板的破斷情況，研究了堅(jiān)硬頂板條件下工作面的初次來壓、周期來壓情況和來壓強(qiáng)度等礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。該研究能為支架選型設(shè)計(jì)及其支護(hù)、開采工藝的選擇優(yōu)化等問題提供了理論依據(jù)。

1 綜放面堅(jiān)硬頂板的力學(xué)屬性分析

1.1 上層工作面底板破壞深度力學(xué)分析

1.1.1 力學(xué)模型的建立

井工三礦39201工作面處于已開采結(jié)束的34201工作面下方，由于34201工作面的采動(dòng)影響，對39201工作面的上覆巖層造成了破壞，因此若研究39201工作面上覆巖層的移動(dòng)和破壞規(guī)律，首先要分析34201工作面開采對其底板的破壞深度。已知4煤層與9煤層之間平均距離約為45 m。根據(jù)34201工作面、39201工作面之間的層位關(guān)系，建立34201工作面煤層底板破壞力學(xué)模型。通過該礦34201工作面現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，工作面超前支承壓力峰值在其前方15 m左右，力學(xué)破壞深度影響角度取63°，可以計(jì)算出底板破壞深度為29.4 m，求得堅(jiān)硬頂板未破壞深度為15.6 m[5]。

圖1基本頂彈性地基梁力學(xué)模型

2 堅(jiān)硬頂板極限垮距的力學(xué)分析和計(jì)算

保護(hù)層未采基本頂初次來壓步距的分析和計(jì)算。堅(jiān)硬頂板在初次來壓破斷前，可將基本頂巖梁假設(shè)為兩端由彈性基礎(chǔ)支撐的連續(xù)介質(zhì)巖梁，如果基本頂上面沒有大承載能力的巖層，則上覆巖層的重量會(huì)由基本頂承載并最終將荷載傳到基本頂兩側(cè)的支撐點(diǎn)，即煤壁和煤柱上[6]。由于模型具有對稱性，根據(jù)如圖1所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析。

基本頂對巖梁影響荷載即q的計(jì)算公式：

計(jì)算39201工作面堅(jiān)硬頂板的初次垮落步距：

式中：σ取中砂巖抗拉強(qiáng)度10 MPa。

h—彈性地基的厚度為層間距45 m。

q—基本頂對巖梁影響荷載。

由此可知，保護(hù)層未開采前堅(jiān)硬頂板初次垮落時(shí)，初次垮落步距為52 m。

基本頂周期來壓步距的分析和計(jì)算。堅(jiān)硬頂板初次斷裂后，隨著工作面的向前推進(jìn)，巖梁一端由彈性基礎(chǔ)支撐，另一端懸在采空區(qū)之上。隨著工作面的不斷向前推進(jìn)，堅(jiān)硬頂板會(huì)周期性地?cái)嗔哑茐摹?jù)此建立相應(yīng)的力學(xué)模型，如圖1所示。

當(dāng)堅(jiān)硬頂板初次來壓后，懸在采空區(qū)的巖梁M1=0，根據(jù)初次來壓的力學(xué)分析，可得堅(jiān)硬頂板周期來壓模型撓曲線微分方程，計(jì)算出堅(jiān)硬頂板周期來壓時(shí)的極限垮距[7]：

保護(hù)層開采后基本頂?shù)臉O限垮落步距計(jì)算。堅(jiān)硬頂板未受到破壞的厚度為15.6 m，根據(jù)式（1），可求得保護(hù)層開采后堅(jiān)硬頂板的初次來壓步距為18 m。根據(jù)式（2），堅(jiān)硬頂板的周期來壓步距為9 m。開采保護(hù)層后，39201工作面堅(jiān)硬頂板的初次垮落步距由開采保護(hù)層前的52 m變?yōu)?8 m；周期來壓步距由之前的26 m變?yōu)? m，堅(jiān)硬頂板受到了弱化，有利于工作面的支護(hù)管理，保障了工作面安全。

3 現(xiàn)場礦壓實(shí)測分析

該次支架壓力的分析數(shù)據(jù)來源于中煤平朔集團(tuán)井工三礦39201堅(jiān)硬頂板綜放工作面，監(jiān)測時(shí)間從工作面初采2019年4月8日～6月28日，共82 d，工作面推進(jìn)距離73 m。根據(jù)觀測期間工作面支架工作阻力的變化情況，確定39201工作面綜放階段堅(jiān)硬頂板初次來壓步距、周期來壓步距以及來壓強(qiáng)度。分析堅(jiān)硬頂板初次來壓步距和周期來壓步距時(shí)，沿輔運(yùn)巷到運(yùn)輸巷方向?qū)⒐ぷ髅娣譃樯稀⒅小⑾?個(gè)測區(qū)，每個(gè)測區(qū)以各支架的阻力變化為基本依據(jù)，同時(shí)結(jié)合煤壁片幫、安全閥開啟等情況。

從工作面上、中、下部不同推進(jìn)距離下支架工作阻力的數(shù)據(jù)可知，直接頂初次垮落步距為：工作面上部堅(jiān)硬頂板初次來壓步距為6 m，下部堅(jiān)硬頂板初次來壓步距為21.6 m，中部堅(jiān)硬頂板初次來壓步距為19.1 m，整個(gè)39201工作面平均初次來壓步距為15.56 m，前文理論計(jì)算所得的堅(jiān)硬頂板初次來壓步距為18 m，有一定誤差，但在誤差允許范圍內(nèi)；在整個(gè)觀測期內(nèi)，共觀測到6次周期來壓，其中工作面下部堅(jiān)硬頂板平均周期來壓步距為7 m，工作面中部堅(jiān)硬頂板平均周期來壓步距為10.8 m，工作面上部堅(jiān)硬頂板平均周期來壓步距為10.5 m，整個(gè)39110工作面上覆堅(jiān)硬頂板平均周期來壓步距為9.43 m，前文理論計(jì)算所得的堅(jiān)硬頂板周期來壓步距為9 m，與理論分析所得的周期來壓步距非常吻合。綜上所述，根據(jù)液壓支架觀測數(shù)據(jù)確定，39201工作面基本頂初次來壓步距平均值為15.56 m，周期來壓步距平均值為9.43 m。

4 結(jié)論

該文采用力學(xué)分析和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法對堅(jiān)硬頂板條件下綜放開采的礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行了研究，利用土力學(xué)中地基的計(jì)算方法，通過力學(xué)分析計(jì)算得出開采4煤對底板的破壞深度，其破壞深度為29.4 m，堅(jiān)硬頂板未破壞深度為15.6 m。

根據(jù)彈性基礎(chǔ)支撐的巖梁模型理論，計(jì)算開采保護(hù)層后堅(jiān)硬頂板的初次垮落步距為18 m，破斷位置在巖梁中部，周期垮落步距為9 m。

根據(jù)液壓支架的大量實(shí)測數(shù)據(jù)，分析得到保護(hù)層開采后堅(jiān)硬頂板的初次來壓步距大約為15.56 m，周期來壓步距大約為9.43 m，為支架選型設(shè)計(jì)及其支護(hù)、開采工藝的選擇優(yōu)化等問題提供了理論依據(jù)。研究成果對于后續(xù)工作面的開采也具有重要的指導(dǎo)意義，同時(shí)對于堅(jiān)硬頂板厚煤層開采技術(shù)難題具有一定的參考價(jià)值。