特厚煤層綜放采場覆巖結(jié)構(gòu)及礦壓規(guī)律研究

任啟寒，徐遵玉，陳 成

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037；3.鄂爾多斯市華興能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 010321)

西部礦區(qū)準(zhǔn)格爾煤田地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層傾角平緩，賦存穩(wěn)定，開采條件優(yōu)越。區(qū)內(nèi)淺埋深煤層上覆巖層的基巖風(fēng)化帶及其上部的粘土層、砂礫層，井工開采過程礦壓顯現(xiàn)劇烈，支架工作阻力普遍較大，易發(fā)生煤壁片幫、冒頂及支架壓死等問題[1，2]，且在嘗試提高支架工作阻力后，在周期來壓期間階段，仍存在安全閥頻繁開啟現(xiàn)象[3，4]。

針對(duì)西部礦區(qū)淺埋煤層綜放開采覆巖結(jié)構(gòu)特征及采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，文獻(xiàn)[5，6]分析了影響淺埋煤層礦壓顯現(xiàn)影響因素，推導(dǎo)了初次來壓步距和周期來壓步距的計(jì)算公式，并進(jìn)行了現(xiàn)場驗(yàn)證；文獻(xiàn)[7]采用相似模式試驗(yàn)研究了淺埋煤層覆巖破壞特征及支承壓力分布規(guī)律；文獻(xiàn)[8-13]分析了淺埋煤層采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

以往研究主要針對(duì)淺埋煤層開采條件，對(duì)于深埋特厚煤層綜放開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律方面的研究較少。華興能源有限責(zé)任公司唐家會(huì)煤礦首采F61101工作面埋深超過500m，鄰近礦井綜放采場頂板周期來壓期間出現(xiàn)支架安全閥頻繁開啟現(xiàn)象。為了保證類似條件下工作面安全高效開采，以F61101工作面為研究對(duì)象，對(duì)采場圍巖應(yīng)力演化規(guī)律、覆巖結(jié)構(gòu)特征及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行分析。

1 工程概況

唐家會(huì)煤礦F61101綜放工作面走向長度951m，傾向長度220m，工作面埋深為468.9～570.7m，平均埋深為520m。該面主采的6#煤層煤厚為9.64～21.7m，平均煤厚為16.1m；煤質(zhì)較硬，局部含2～3層夾矸，賦存穩(wěn)定，為近水平煤層。

老頂主要為中砂巖，平均厚度為10.7m，泥質(zhì)膠結(jié)，呈次棱角狀分選性差；巖石抗壓強(qiáng)度為23.9～71.1MPa，抗拉強(qiáng)度為1～3.21MPa，孔隙率在4.16～14.45，巖性較脆。直接頂主要為細(xì)砂巖，平均厚度12.6m，局部夾砂泥巖薄層，夾煤線條痕；巖石抗壓強(qiáng)度為48.2～71.6MPa，抗拉強(qiáng)度為1.21～4.41MPa，孔隙率為7.06～7.57，巖性較脆。直接底主要為泥巖，平均厚度6.1m。老底主要為砂質(zhì)泥巖，平均厚度4.7m。

工作面設(shè)計(jì)采高為4.0m，采放比為1∶3，工作面支架型號(hào)為ZF18000/28/45型。

2 采場圍巖應(yīng)力演化規(guī)律數(shù)值模擬分析

為了研究F61101綜放采場圍巖應(yīng)力演化規(guī)律，建立FLAC3D模型長×寬×高=600m×400m×218m，模型采用Mohr-Coulomb塑性屈服準(zhǔn)則求解。模擬工作面寬度為220m，埋深為520m，模型兩側(cè)、底部邊界分別限制水平位移及垂直位移；未能模擬的巖層通過在模型上邊界施加的垂直載荷進(jìn)行替代。

通過數(shù)值模擬得出工作面推進(jìn)過程中采場圍巖應(yīng)力分布情況，如圖1所示。煤層開采在采空區(qū)上方形成較大的卸壓區(qū)域，支承壓力向采空區(qū)四周煤巖體轉(zhuǎn)移，采場前方及采空區(qū)后方5～15m范圍形成應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力集中系數(shù)最大達(dá)到1.9。

圖1 沿采場傾向方向圍巖應(yīng)力分布規(guī)律

沿工作面傾向方向支承壓力呈對(duì)稱分布，工作面上方為卸壓區(qū)，兩端為應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力集中系數(shù)為1.7。

隨著工作面不斷向前推進(jìn)，沿工作面走向方向采場支承壓力總體上呈不斷增大趨勢(shì)，沿工作面傾向方向采場支承壓力呈對(duì)稱分布規(guī)律。

3 采場礦壓顯現(xiàn)特征

采用KJ345型煤礦液壓支架監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)測定支架工作阻力及頂板來壓情況，在1#、8#、16#、24#、32#、40#、48#、56#、64#、72#、80#、88#、96#、104#、112#、122#液壓支架各安裝一塊壓力傳感器，在整個(gè)工作面布置16條測線，每條測線布置一個(gè)測站，共裝16塊壓力表，將工作面采集的壓力數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。工作面支架阻力及超前支承壓力監(jiān)測如圖2所示。

圖2 支架阻力及超前支承壓力監(jiān)測

3.1 初次來壓

3.1.1 初次來壓判據(jù)

基本頂周期來壓分析以支架的平均循環(huán)末阻力與其均方差之和作為判斷頂板周期來壓的主要指標(biāo)。數(shù)據(jù)計(jì)算的公式為：

頂板來壓依據(jù)：

3.1.2 初次來壓情況

通過F61101工作面礦壓進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，得出工作面上、中、下部初次來壓壓力閥值分別為34.1MPa、32.1MPa、32MPa，來壓步距分別為38.8m、26.9m、38.6m，平均來壓步距為37.6m，初次來壓期間工作面伴隨有煤壁片幫和工作面頂板淋水現(xiàn)象，垮落的頂煤對(duì)頂板具有支撐作用，頂板初次來壓期間礦壓顯現(xiàn)不明顯。工作面初次來壓期間循環(huán)末阻力曲線如圖3所示。

圖3 工作面支架循環(huán)末阻力曲線

初次來壓期間液壓支架工作阻力為8206.5～17546.6kN；來壓前液壓支架的平均工作阻力為10609.6kN，來壓時(shí)平均工作阻力為13738kN，初次來壓動(dòng)載系數(shù)在1.27～1.31。

3.2 周期來壓

周期來壓期間，采場上部來壓步距在5.2～19.1m，中部來壓步距在6.1～18m，下部來壓步距在5.3～15.7m，采場平均周期來壓步距9.9m。受采場兩巷錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)影響，兩巷上方頂板垮落較慢，導(dǎo)致采空區(qū)中部來壓較快，并向兩巷方向發(fā)展。來壓期間，都伴隨有淋水和片幫現(xiàn)象。

周期來壓前液壓支架的阻力范圍為7299.7～17002.5kN，平均為12151.1kN；來壓時(shí)液壓支架阻力范圍為9612.1～18861.4kN，平均14236.7kN。工作面來壓動(dòng)載系數(shù)范圍為1.21～1.54，工作面上部平均動(dòng)載系數(shù)為1.27，中部平均動(dòng)載系數(shù)為1.27，下部平均動(dòng)載系數(shù)1.28。

工作面液壓支架最大工作阻力范圍為11092.7～14362kN，平均最大工作阻力為12955.4kN。支架工作阻力分布如圖4所示。

圖4 工作面推進(jìn)過程中支架工作阻力分布

工作面不同階段礦壓參數(shù)見表1，初采、正常區(qū)域回采及異常回采采場的推進(jìn)速度具有差異性；工作面推進(jìn)至80～120m范圍內(nèi)時(shí)，采場推進(jìn)速度增加，產(chǎn)煤量增大，同時(shí)采場支架工作阻力明顯升高，部分支架下縮量超過40cm，煤壁片幫深度超過1.2m，礦壓顯現(xiàn)較為劇烈，不均勻放煤及推進(jìn)速度增加導(dǎo)致采場出現(xiàn)礦壓顯現(xiàn)異常情況。

表1 工作面不同階段礦壓參數(shù)比較

在工作面推進(jìn)速度較快時(shí)，周期來壓步距較大，頂煤及頂板對(duì)支架時(shí)間長，動(dòng)載系數(shù)小。工作面回采至80～125m期間共經(jīng)歷4次周期來壓，平均周期來壓步距10.9m。

3.3 超前支承壓力分布

根據(jù)圖5和圖6所示的工作面回風(fēng)巷超前液壓支架及運(yùn)輸巷單體支柱受力情況可知，超前支承壓力峰值距離煤壁較近，多分布在煤壁前方7～10.5m，最大應(yīng)力集中系數(shù)為1.8，與數(shù)值模擬結(jié)果基本相符。

圖5 回風(fēng)巷超前液壓支架受力分布

圖6 運(yùn)輸巷超前支護(hù)壓力分布

4 綜放采場覆巖結(jié)構(gòu)特征分析

4.1 采場覆巖垮落特征

在工作面推進(jìn)過程中對(duì)地表沉降進(jìn)行觀測，地表沉降曲線如圖7所示，由圖7可知，工作面推進(jìn)300m左右時(shí)，地表最大沉陷高度為822mm。

圖7 地表沉降曲線

結(jié)合工作面地質(zhì)概況及頂板礦壓顯現(xiàn)特征可知，基本頂平均周期來壓步距與基本頂平均厚度之間比值接近為0.93，上方頂板的懸臂長度較短。因此，深埋弱粘結(jié)頂板厚煤層綜放采場開采條件下，采場覆巖無法形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)，頂板粘結(jié)性弱，周期來壓步距較短，采場礦壓顯現(xiàn)總體上呈現(xiàn)出靜壓大、動(dòng)壓小的特點(diǎn)，局部存在礦壓異常現(xiàn)象。

4.2 覆巖靜壓載荷計(jì)算

結(jié)合采場覆巖結(jié)構(gòu)特征及垮落特征，建立應(yīng)力拱力學(xué)模型[14-16]，如圖8所示。應(yīng)力拱的前拱腳作用在采場支架及頂板上，后拱腳作用在采空區(qū)垮落煤巖體上，q0載荷包括拱體外覆巖重量，拱頂q0載荷經(jīng)拱線傳遞至兩拱腳上面，側(cè)向載荷q1、q2主要有破碎巖體碎脹作用引起，h為拱高；2a為兩拱腳之間距離。

圖8 應(yīng)力拱受力模型

應(yīng)力拱水平方向平衡條件是拱跡線ACB所在截面上的彎矩M和剪力Q均為0，拱具有對(duì)稱性，現(xiàn)僅分析AC段平衡，則C截面上面存在拱頂水平推力TC，由于拱內(nèi)巖體松散煤巖體，提供的支撐力較小，分析是忽略其影響。

TA=NAf=q0af

(7)

q0=γ(H-h)，q1=λq0，q2=λγH

(8)

式中，TC為拱頂C截面的水平力，kN；f為煤巖體的摩擦因數(shù)；H為采深，m。

由式(5)—式(8)聯(lián)立可解得：

根據(jù)式(6)拱高的發(fā)育與拱的跨度、覆巖埋深、側(cè)壓系數(shù)有很大的關(guān)系。式(9)中a可表示為[12]：

a=L控+l+2Mtan(45-φ/2)

(10)

式中，L控為支架控頂距，m；l為周期來壓步距，m；φ為拱內(nèi)松散巖塊內(nèi)摩擦角，(°)；M為煤層采厚，m。

當(dāng)H=520m，λ=0.5，f=0.3，l=9.9m，M=16.1m，φ=15°，L控=6.5m時(shí)，計(jì)算得a=41.2m，代入式(9)，可以得出應(yīng)力拱發(fā)育高度h=35.3m。當(dāng)γ=2.6t/m3，支架寬度b=1.75m，頂煤厚度h頂煤=12.1m，重力換算單位g=10kN/kg，計(jì)算支架應(yīng)承受的靜載荷為F：

F=(h+h頂煤)×L控×b×γ×g=14018.6kN

(11)

根據(jù)壓力拱理論計(jì)算支架承受的理論靜載荷與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)相符。

5 結(jié) 論

1)特厚煤層綜放采場頂板巖體孔隙率高，膠結(jié)性差，采場來壓期間動(dòng)載系數(shù)小，支架承受的靜壓較大。

2)現(xiàn)場實(shí)測采場初次來壓步距為37.6m，平均周期來壓步距為9.9m，超前應(yīng)力集中區(qū)位于工作面前方7～10.5m范圍內(nèi)。

3)采用壓力拱理論計(jì)算了支架承受的理論靜載荷，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相符。