唐山礦矸石充填開采工作面寬度優(yōu)化研究

尹寶杰

(開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河北 唐山 063000)

矸石充填可以有效控制頂板沉降，減小地表沉陷[1-3]。頂板沉降率與充實率之間存在密切關(guān)系，充實率高有利于減小頂板沉降，降低礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度[4-5]。張強(qiáng)等[6]研究了充實率、充垮比、垮柱比等因素對減弱采場礦壓顯現(xiàn)的影響，發(fā)現(xiàn)在充實率為90%時，煤壁支承峰值應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)都顯著減小。孫少龍[7]研究發(fā)現(xiàn)煤層埋深和頂板巖性對充填前頂板不可控下沉量的影響較大。

在深井超長工作面中，工作面長度的增加會導(dǎo)致基本頂中部裂隙的存在概率升高，進(jìn)而增加了基本頂發(fā)生局部破斷的可能性[8]。劉暢等[9]基于薄板理論推導(dǎo)了巖層破斷步距的計算公式，分析了工作面長度對梯形臺空間結(jié)構(gòu)演化及采場礦壓顯現(xiàn)特征的影響。劉云龍[10]研究得到了中厚煤層工作面長度與礦壓強(qiáng)度的回歸方程。

在頂板結(jié)構(gòu)模型研究方面，具有代表性的為錢鳴高院士的“砌體梁理論”和宋振騏院士的“傳遞巖梁理論”，在不斷的開采實踐中，許多學(xué)者在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了完善[11-12]。何滿朝院士提出“切頂短壁梁理論”[14]，可以用于指導(dǎo)切頂卸壓無煤柱自動成巷技術(shù)，同時也被應(yīng)用到礦壓顯現(xiàn)的預(yù)測中[15-17]。在矸石充填體研究方面以彈性地基梁為典型代表[18]，組合梁理論對于復(fù)合頂板礦壓顯現(xiàn)也能做出科學(xué)解釋[19]。

綜上所述，工作面的寬度對于頂板結(jié)構(gòu)和礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)弱具有一定影響，采空區(qū)頂板沉降作為矸石充填控制礦壓的重要指標(biāo)，可以從其他影響因素進(jìn)行研究，但對于工作面寬度與采空區(qū)頂板沉降之間的關(guān)系，現(xiàn)有研究仍存在不足，且在研究礦壓顯現(xiàn)時將頂板結(jié)構(gòu)模型簡化十分必要，因此本文以唐山礦矸石F5001充填工作面為工程背景，通過基本力學(xué)方程推導(dǎo)煤層頂板變形規(guī)律，建立簡化的頂板組合梁結(jié)構(gòu)模型，研究工作面寬度與頂板下沉的關(guān)系，該理論適用于在矸石充填工作面，為確定的采空區(qū)頂板沉降限制下的工作面寬度設(shè)計提供依據(jù)。

1 采礦地質(zhì)條件與開采工藝

1.1 采礦地質(zhì)條件

F5001工作面煤層沉積較為穩(wěn)定，屬于穩(wěn)定煤層，結(jié)構(gòu)簡單。工作面煤層走向大體為NE-SW，可采走向長度為619.5 m，傾向NW，平均斜長66 m。煤層傾角變化較大，一般在4°～17°之間，平均為11°。煤層厚度在1.5～2.3 m之間，平均2.2 m，采區(qū)開采深度為599～723 m。5煤層為黑色光亮-半亮型煤層、呈條帶狀及片狀結(jié)構(gòu)，低灰、低硫、煤質(zhì)極好。F5001工作面煤層頂?shù)装迩闆r見表1[20]。

表1 煤層頂?shù)装迩闆rTable 1 Condition of roof and floor of coal seam

1.2 開采工藝與工作面布置

F5001工作面采用走向長壁綜合機(jī)械化的采煤方法，采空區(qū)采用矸石充填管理頂板的采煤方法。固體充填開采采用全采全充的充填工藝，條帶固體充填開采以矸石充滿采空區(qū)為原則，矸石充實率大于50%。開采過程中，采煤機(jī)沿頂板割煤，充填液壓支架維護(hù)作業(yè)空間。為控制頂板煤層，沿傾斜方向鋪設(shè)金屬網(wǎng)，矸石充填工作面布置如圖1所示。與傳統(tǒng)綜采方式不同的是，在采空區(qū)一側(cè)布置充填作業(yè)面，可以實現(xiàn)架后充填與架前采煤在同一工作面中并行作業(yè)。

圖1 工作面采充系統(tǒng)布置圖Fig.1 Layout diagram of mining and filling systemin working face

5煤層F5001工作面條帶矸石充填開采工作面參數(shù)為：采寬66 m(包括兩巷寬為75 m)，留寬75 m。工作面布置如圖2所示。

圖2 工作面布置Fig.2 Layout of working face

2 工作面寬度與頂板下沉關(guān)系的理論計算

從力學(xué)基本方程推導(dǎo)頂板的變形破壞規(guī)律。將上覆巖層壓力簡化為均布載荷，假設(shè)頂板發(fā)生彈性變形，忽略頂板橫向變形，在此基礎(chǔ)上分析頂板沿厚度方向產(chǎn)生的壓縮變形，將頂板簡化為彈性組合固支梁，用組合固支梁理論研究頂板的變形規(guī)律[21]。假設(shè)底板為剛性，忽略底板的變形，組合固支梁模型如圖3所示。

圖3 組合固支梁模型示意圖Fig.3 Composite supported beam model

相關(guān)計算公式見式(1)。

(1)

式中：w為頂板豎向最大撓度，m；q為頂板載荷集度，kN/m；L為頂板等效彈性梁跨度(工作面寬度)，m；E為等效彈性模量，GPa，E=6.6～13.5 GPa；Ie為等效截面慣性矩，m4。

頂板簡化后的橫截面如圖4所示。煤層上覆巖體按照不同的物理力學(xué)性質(zhì)分層存在，根據(jù)組合梁理論，將不同的材料和截面通過剪力鍵連接在一起，構(gòu)成共同工作的組合結(jié)構(gòu)，按照圖4中的分層進(jìn)行組合，并計算其等效截面慣性矩。

圖4 頂板等效截面示意圖Fig.4 Equivalent section of roof

簡化后可根據(jù)式(1)得到式(2)。

(2)

式中：w為頂板豎向最大撓度，m；γ為巖石容重，kN/m3，γ=20～25 kN/m3；Hb為埋藏深度，m；H為頂板厚度，m；L為頂板等效彈性梁跨度，m；E為等效彈性模量，GPa，E=6.6～13.5 GPa；Ie為等效截面慣性矩，m4；θ為煤層傾角，取平均傾角值，11°。

由等效慣性矩公式可以計算組合梁等效后的慣性矩，見式(3)。

(3)

式中：Ie為等效慣性矩，m4；I為常規(guī)慣性矩，m4；α為組合梁中不同性質(zhì)頂板彈性模量的比值；β為Ie和I的比值，一般取大于1的值；L為頂板等效彈性梁跨度，m。

計算出Ie后，根據(jù)組合梁的最大撓度公式，可計算不同組合梁跨度，即工作面寬度條件下的頂板最大下沉量。 根據(jù)已采集的數(shù)據(jù)可知，γ=20～25 kN/m3，E=6.6～13.5 GPa，w為0.538 m，L=66 m。根據(jù)式(2)可得，不同巖層容重、不同埋深以及不同巖層彈性模量條件下，頂板的厚度估計值， 見表2， 平均值為13.10 m。為進(jìn)一步計算采空區(qū)頂板隨工作面寬度改變的下沉值，將F5001工作面充填、支護(hù)強(qiáng)度下的頂板厚度認(rèn)定為13.10 m。計算出頂板厚度后，將式(2)和式(3)簡化為式(4)。

表2 頂板厚度估計值Table 2 Estimation of roof thickness

w=0.44×e0.003L+1.47×10-4×e0.05L

(4)

式中：w為采空區(qū)頂板最大沉降，m；L為工作面寬度(頂板等效彈性梁跨度)，m。

3 工作面寬度優(yōu)化

3.1 工作面最大寬度計算

模型在充分考慮巖梁特有的介質(zhì)特性、幾何特性和所處環(huán)境條件的情況下，弱化工程力學(xué)計算式可應(yīng)用的巖梁條件，結(jié)合材料力學(xué)中的四個假設(shè)：①平面假設(shè)：認(rèn)為變形前為平面的梁的橫截面變形后仍保持為平面；②縱向纖維無正應(yīng)力假設(shè)：認(rèn)為各縱向纖維之間并無相互作用的正應(yīng)力；③線彈性假設(shè)；④梁由均質(zhì)材料制成假設(shè)。

巖梁破壞設(shè)計模型如圖5所示，跨度為L，高度為H，受均布載荷F，體力不計，寬度b=h=H，中性層位于縱截面中間位置。

圖5 組合固支巖梁模型Fig.5 Model of composite supported rock beam

以x>0段區(qū)域為研究對象，該區(qū)域巖梁所受彎矩見式(5)和式(6)。

(5)

(6)

式中：I為橫截面對中性軸的慣性矩，m4；L為工作面寬度(頂板等效彈性梁跨度)，m。

將式(5)代入式(6)變換可得式(7)。

(7)

根據(jù)巖梁的巖性和橫截面設(shè)計，采空區(qū)組合彈性固支巖梁處巖層的極限抗拉強(qiáng)度為4.63 MPa。將σx=4.63 MPa代入式(7)可以獲取該抗拉強(qiáng)度對應(yīng)的工作面寬度L=124 m，將L=124 m代入式(4)，此時對應(yīng)的理論頂板下沉量為0.759 m，選取安全系數(shù)為1.2，可得工作面寬度為103 m。

3.2 工作面寬度設(shè)計

根據(jù)上述內(nèi)容，將采空區(qū)頂板下沉位移作為合理布置工作面寬度的依據(jù)。在F5001工作面當(dāng)前充填效果條件下，工作面寬度的布置主要受到埋深、煤體上覆巖層容重以及頂板物理力學(xué)性質(zhì)的影響。124 m是工作面寬度布置的臨界值，當(dāng)工作面寬度小于等于124 m時，工作面上方頂板沉降量處于0.759 m以下的低水平狀態(tài)；當(dāng)工作面寬度超過124 m后，頂板下沉量迅速增加，此時采空區(qū)頂板達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度，容易對巷道支護(hù)、人身安全造成嚴(yán)重威脅。因此在F5001工作面當(dāng)前支護(hù)水平和矸石充填條件下，選取1.2的安全系數(shù)，最大工作面寬度為103 m，可以充分開采煤炭資源、增加經(jīng)濟(jì)效益。

4 工程應(yīng)用

假設(shè)F5001工作面的矸石壓縮率、矸石充填率以及支柱支撐力基本保持不變，工作面寬度與采空區(qū)頂板下沉的關(guān)系曲線近似呈內(nèi)凹型，即工作面寬度在124 m以內(nèi)時，采空區(qū)頂板下沉量被控制在0.759 m以內(nèi)；當(dāng)工作面達(dá)到并超過124 m時，采空區(qū)頂板承受的拉應(yīng)力即將達(dá)到抗拉強(qiáng)度極限4.63 MPa，此時對應(yīng)的采空區(qū)頂板下沉量達(dá)到0.759 m，相當(dāng)于采高的34.7%。將采空區(qū)頂板沉降量作為工作面寬度選取的判斷依據(jù)，得到如圖6所示的工作面寬度選取示意圖，并將T3292工作面采空區(qū)頂板的下沉數(shù)據(jù)[22]和F5001工作面頂板的下沉數(shù)據(jù)放在一起，與理論數(shù)值進(jìn)行比對分析，發(fā)現(xiàn)理論計算的精度較高，能夠較為準(zhǔn)確地反映實際工況。F5001工作面條帶矸石充填開采工作面參數(shù)為，采寬66 m(包括兩巷寬為75 m)。

圖6 工作面寬度選取示意圖Fig.6 Selection of working face width

當(dāng)工作面寬66 m時，現(xiàn)場實測工作面推進(jìn)45 d，推進(jìn)距離162.5 m。采空區(qū)頂板沉降總計538 mm，處于較低的沉降水平。根據(jù)弱化后的式(4)計算得到頂板下沉為0.519 m，與采空區(qū)內(nèi)位移監(jiān)測數(shù)據(jù)0.538 m基本吻合，說明了理論計算的準(zhǔn)確性。

5 結(jié) 論

1) 根據(jù)簡化的頂板組合固支梁模型，得到了采空區(qū)頂板下沉量與工作面寬度的對應(yīng)關(guān)系式。

2) 根據(jù)彈性組合固支梁模型理論，結(jié)合梁的抗拉強(qiáng)度理論公式，當(dāng)工作面寬度布置在124 m左右時，采空區(qū)頂板達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度4.63 MPa。

3) 工作面寬度為66 m時，理論計算頂板下沉量為0.519 m，與監(jiān)測數(shù)據(jù)0.538 m接近，理論計算具有較高的精確度。