薄基巖工作面開采覆巖運移規(guī)律*

甄 澤，張 杰

(1.榆林市楊伙盤煤礦，陜西 榆林 719316；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

薄基巖淺埋煤層開采引起的礦壓規(guī)律與普通長壁工作面相比有很大不同，薄基巖淺埋煤層在開采過程中存在明顯的臺階下沉現(xiàn)象，且礦壓顯現(xiàn)更為劇烈，極易造成回采工作面壓架事故[1-2]。在富含潛水的厚松散層地質(zhì)條件下還存在突水潰沙隱患[3-5]。王連國[6]研究了不同巖性的巖層在開采過程中的破壞規(guī)律，得到了預(yù)計淺埋薄基巖開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的力學(xué)模型。方新秋[7]認(rèn)為基巖厚度和上覆松散層的厚度是決定淺埋薄基巖煤層“砌體梁”結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)鍵所在。王家臣[8]則認(rèn)為基巖厚度、工作面長度和采高是影響“砌體梁”尺寸參數(shù)的主要因素，存在正相關(guān)的關(guān)系。這些學(xué)者的研究主要集中于基巖厚度大于30 m條件的綜采工作面開采，對基巖厚度小于30 m條件下綜采應(yīng)用以及經(jīng)驗總結(jié)研究較少。而神府礦區(qū)某礦1-2煤大部分區(qū)域基巖厚度均小于30 m，因此，分析和評價該礦1-2煤開采時上覆巖層變形破壞規(guī)律，對1-2煤層開采的可行性進(jìn)行論證，對于預(yù)防不安全事故的發(fā)生具有重要意義。

1 工程概況

神府礦區(qū)某礦1-2煤層1201工作面平均埋深100.1 m，煤層厚度為0.91～2.43 m，平均1.59 m，可采煤層基巖由東向西逐漸變厚，基巖厚度10.14～50.01 m，其他工作面地質(zhì)條件與1201工作面基本相似。因此，選取具有代表性的1201工作面為研究對象。薄基巖的定義與基巖厚度、“兩帶”高度有關(guān)，冒落帶高度一般為采高的2～4倍，裂隙帶高度一般為采高的4～8倍[7]，由此可見，1201工作面屬于典型的厚表土層、薄基巖條件。

2 薄基巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

2.1 回轉(zhuǎn)變形失穩(wěn)

根據(jù)“S-R”穩(wěn)定理論[9-10]，頂板巖層不發(fā)生回轉(zhuǎn)變形是穩(wěn)定的條件,見式(1)

(1)

式中，i=h/l—斷裂度；∑h—直接頂巖層厚度，m；l—基本頂周期來壓步距，m；kp—巖石碎脹系數(shù)，一般取1.3；h—承載巖層厚度，m；sinθ1=[M-∑h(kp-1)]/l，基巖臨界厚度，m；h1—承載層負(fù)載巖層厚度，m；γy—巖層容重,N/m3；σc—承載巖層抗壓強(qiáng)度，Pa。

2.2 滑落失穩(wěn)分析

不發(fā)生滑落失穩(wěn)的條件，見式(2)

(2)

式中，tanφ—巖塊間的摩擦因數(shù)，一般為0.3。現(xiàn)分析極限狀態(tài)下的頂板巖層結(jié)構(gòu)，∑h=4 m，h=7 m，M=2.4 m，γy為25 kN/m3，σc為45 MPa，據(jù)經(jīng)驗，周期垮落步距l(xiāng)可取10 m。代入(1)(2)式可得發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn)時臨界負(fù)載巖層厚度h1為93.2 m，發(fā)生滑落失穩(wěn)時的臨界負(fù)載巖層厚度h1為2.1 m。顯然，該礦1-2煤層1201工作面范圍內(nèi)的煤層頂板巖層必然發(fā)生滑落失穩(wěn)，工作面有出現(xiàn)臺階下沉和壓架事故的風(fēng)險。

3 垮落特征數(shù)值模擬及工程實踐

3.1 模型的建立

依據(jù)該礦1-2煤地質(zhì)資料，設(shè)計模擬模型1-2煤層平均采高2.4 m，松散層土層厚度100 m，基巖厚度分別為10 m、20 m、30 m、40 m，建立4個模型進(jìn)行工作面覆巖破壞規(guī)律模擬，模型左、右以及下部邊界均采用位移約束固定邊界。巖土層力學(xué)參數(shù)見表1，模型圖如圖1所示，模擬云圖如圖2所示。

圖2 模擬云圖

表1 計算采用巖體力學(xué)參數(shù)

圖1 巖層塊體分布模型

3.2 模擬結(jié)果分析

觀測結(jié)果：在模型上方基巖中設(shè)置觀測點，測得的基巖頂部下沉量如圖3所示。工作面超前支承壓力曲線圖如圖4所示。

圖4 支承壓力

圖3 基巖下沉量

基巖下沉量分析：由圖3可知，當(dāng)工作面推進(jìn)距離相同，隨著基巖厚度的增大，基巖下沉量逐漸減小。顯然，當(dāng)基巖厚度為10 m時，基巖下沉量為工作面采高，原因在于，煤層開采后，基巖整體切落，由于地表松散土層也隨之下沉，上覆巖層將隨著工作面的推進(jìn)出現(xiàn)臺階下沉，極易造成壓架事故；當(dāng)基巖厚度大于20 m時，在工作面首次推進(jìn)10 m，基巖下沉量均小于采高2.4 m，表明此厚度的基巖在煤層采出后未發(fā)生整體切落現(xiàn)象，直接頂垮落后，老頂巖層能夠形成鉸接結(jié)構(gòu)，可在一定程度上維持上覆巖層的穩(wěn)定；當(dāng)基巖厚度為20 m、30 m、40 m、50 m時，基巖初次來壓步距分別為30 m、35 m、40 m和45 m，模擬結(jié)果表明，隨著基巖厚度的增大，基巖初次垮落步距也隨之增大。可以預(yù)測，老頂初次垮落后，隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，工作面將產(chǎn)生周期性來壓，這與一般地質(zhì)條件下的開采覆巖運移規(guī)律相同。

支承壓力分析：由圖4可看出，當(dāng)基巖厚度為10 m、20 m、30 m、40 m、50 m時，支承壓力峰值距離工作面距離分別為7 m、9 m、11 m、14 m、16 m，隨著基巖厚度的增大，工作面前方超前支承壓力峰值點朝著遠(yuǎn)離工作面的方向轉(zhuǎn)移，且呈現(xiàn)出略微增大的趨勢，表明基巖承載能力增強(qiáng)。

3.3 工程實踐

監(jiān)測結(jié)果：在采取了薄基巖下開采相關(guān)安全措施后，對基巖厚度大于20 m的煤層進(jìn)行開采。在工作面推進(jìn)過程中，對不同厚度基巖區(qū)域內(nèi)工作面支架工作阻力進(jìn)行監(jiān)測，統(tǒng)計不同厚度的基巖5次周期來壓時工作面的推進(jìn)距離，支架工作阻力如圖5所示，不同厚度基巖周期來壓步距統(tǒng)計見表2。

表2 不同基巖厚度工作面周期來壓步距統(tǒng)計表

周期來壓分析：1201工作面的開采過程中，在20 m厚度的基巖區(qū)域，工作面片幫嚴(yán)重，隨著基巖厚度的增大，片幫現(xiàn)象有所緩和。由圖5及表2可知，工作面周期來壓步距隨著基巖厚度的增加而增大；當(dāng)基巖厚度為40 m時，周期來壓步距為15.2 m，大于基巖厚度為50 m時的13.6 m，原因在于40 m厚基巖區(qū)域上覆松散土層厚度較薄，為60 m。而50 m厚基巖區(qū)域上覆松散土層厚度為98 m，由于上覆土層更厚，50 m基巖層將承受更大的壓力；因此，周期來壓步距較40 m厚基巖周期來壓步距減小。

圖5 工作面支架支撐阻力

實踐結(jié)果：現(xiàn)場工程實踐表明，工作面在回采過程中雖然出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的片幫現(xiàn)象，但未發(fā)生壓架事故，驗證了理論分析和數(shù)值模擬的可靠性。即當(dāng)薄基巖厚度達(dá)到一定數(shù)值時，采取安全措施后可確保此地質(zhì)條件下煤層的安全開采。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)巖層“三帶”劃分原則判別神府礦區(qū)某礦1201工作面為厚表土薄基巖條件，根據(jù)“S-R”穩(wěn)定理論，對1201工作面上覆基巖穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，認(rèn)為工作面上覆基巖在煤層采出后將發(fā)生滑落失穩(wěn)。

(2)模擬了不同厚度基巖下開采上覆巖層的運移情況，模擬結(jié)果表明，當(dāng)基巖厚度為10 m時，將產(chǎn)生壓架事故；當(dāng)基巖厚度大于20 m時，上覆巖層可產(chǎn)生相互鉸接的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，能保證工作面的正常回采。

(3)通過現(xiàn)場工程實踐，對支架受力狀況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)基巖厚度大于20 m時，上覆巖層可在一定程度上形成穩(wěn)定的鉸接結(jié)構(gòu)，維持頂板巖層的穩(wěn)定，使得上覆巖層周期性垮落，驗證了數(shù)值模擬的可靠性。