同忻礦8311工作面堅硬頂板破斷特征與礦壓顯現規律研究

孫浩杰,徐青云,趙曉渝,李碩森

(山西大同大學 煤炭工程學院,山西 大同 037003)

由于地質運動的原因,我國煤層埋藏條件比較復雜,據統計,我國堅硬頂板煤層約占30%以上,覆蓋50%以上的礦區[1]。堅硬頂板具有高強度、厚度大、節理和裂隙發育弱等特征,使得工作面推采后的采空區頂板不易規則垮落,特別在初次和周期來壓之前,頂板形成大面積懸頂的危險性很高[2-4]。特厚煤層綜放開采過程中易形成巨大的采出空間,煤層上部巖層垮落不能完全填滿采空區,容易形成特厚煤層上方堅硬頂板的大面積懸露,當發生堅硬頂板垮落時會造成大范圍強壓[5-6]。于斌等[7]針對大同礦區特厚煤層堅硬頂板做了深入研究,得出了堅硬頂板斷裂擾動范圍廣,工作面形成強礦壓,特別是煤層頂板“見方”開采時,采場礦壓顯現更加強烈的結論。宮耀等[8]針對厚硬砂巖頂板使用Flac3D研究破斷規律,得出了厚硬頂板的初次垮落步距與老頂的周期斷裂步距。鄭凱歌等[9]針對堅硬頂板破斷演化特征,提出了“長懸臂梁”階段—“砌體梁滑落”階段—“重新壓實”階段三個階段。白鵬程[10]基于礦壓觀測數據,分析得出了堅硬頂板的動載系數平均為1.28的結論。本文以同忻礦8311工作面上方堅硬頂板為研究主體,通過理論計算、數值模擬和現場礦壓觀測的方法進行研究,為相同地質條件下煤層開采提供經驗。

1 工作面概況

同忻礦8311工作面煤層厚度一般為14～18 m,局部厚度超過20 m,屬于特厚煤層,平均埋深超過500 m,以5311巷道為回風巷,以2311巷道為運輸巷。圖1為工作面布置示意圖。煤層上覆巖層以堅硬砂巖類巖石為主,根據地質資料和關鍵層理論,可以判定巖層柱狀圖中編號為7的粗砂巖與中粗粒砂巖巖層和編號為1的含粒粗砂巖巖層為關鍵層,本文研究聚焦于這兩層堅硬頂板。圖2為巖層柱狀圖。

圖1 工作面布置示意

圖2 巖層柱狀圖

2 理論計算

頂板來壓步距不僅影響頂板破斷形式,同時也影響著工作面推進時的支護方式,對煤層開采至關重要。為計算8311工作面采動時堅硬頂板來壓步距,把堅硬頂板視為固支梁。由于固支梁的極限彎矩分布于兩端,因此隨著8311工作面的不斷推移,堅硬頂板達到其極限抗拉強度時發生破斷,即出現初次來壓。此時,堅硬頂板作為梁結構斷裂的初次來壓步距LA[11]為:

(1)

式中:h為堅硬頂板的自身高度,m;σt為堅硬頂板承受最大拉應力,MPa;q1為堅硬頂板上覆載荷,MPa.

當8311工作面繼續向前推進時,上方堅硬頂板懸露面積增大,受采動影響和重力加壓的作用,堅硬頂板產生周期性破斷,造成8311采動工作面產生周期來壓。這時,堅硬頂板的周期來壓步距可以取初次來壓步距的1/4～1/3.

根據該礦8311工作面的地質條件,結合關鍵層理論,把上位堅硬頂板視為第一層關鍵層,對上方軟弱巖層起主要承載作用,下位堅硬頂板視為第二層關鍵層,對兩層堅硬頂板之間的軟弱巖層起主要承載作用,依次分別得到兩層堅硬頂板的上覆載荷。根據同忻礦地質資料,下位堅硬頂板的平均厚度為8.12 m,抗拉強度為7.12 MPa,上覆均布載荷q1近似為0.13 MPa;上位堅硬頂板的平均厚度為19.8 m,抗拉強度為7.12 MPa,上覆均布載荷q2近似為0.25 MPa.將參數分別帶入式(1)計算,可以得到該礦8311工作面下位堅硬頂板的初次來壓步距為85 m,周期來壓步距為21.25～28.3 m;上位堅硬頂板的初次來壓步距為149 m,周期來壓步距為37.25～49.7 m.

3 數值模擬

數值模擬是研究采礦工程問題最常用的方法之一,通常采用非連續和連續介質力學這兩種計算方法。為了深入探究該礦特厚煤層8311工作面中雙硬頂板的破斷規律,這里使用了非連續介質力學方法下的離散單元程序UDEC對這一過程進行研究。

根據該礦的實際生產地質條件,模擬8311工作面開采過程中上覆巖層的運移規律。數值計算模型與實際原型的比例近似為1∶1.模擬的煤層開采厚度為14.91 m,下位堅硬頂板厚度為8.12 m,軟弱夾層厚度為20.39 m,上位堅硬頂板厚度為19.8 m.整個模型的尺寸為長×寬=250 m×82.01 m,在模型底部邊界垂直方向進行固定,在左右邊界水平方向進行固定。根據同忻礦地質資料如表1所示,建立的數值模型如圖3所示。進行數值模擬時,塊體本構模型采用Mohr—Coulomb模型,節理本構模型為面接觸的庫侖滑移模型。

表1 巖層物理力學參數

圖3 數值模擬模型圖

模型建立好之后,需要完成初始的應力平衡計算。為精確模擬開挖過程中堅硬頂板的變化,留設16 m煤柱邊界,3-5號煤層每8 m開挖一次,記錄頂板巖層的移動情況。隨著8311工作面向前推進,煤層上方的軟弱巖層開始垮落,由于堅硬頂板不易垮落,會形成大面積懸頂,當工作面推進到80 m時,下位堅硬頂板發生初次破斷,其上方的軟弱巖層隨之下沉,如圖4所示。當工作面推進到96 m時,下位堅硬頂板發生周期性破斷,形成明顯的懸臂梁結構,下位堅硬頂板上方的中粗粒砂巖層作為較為堅硬的巖層起到一定的承載作用,更上方的軟弱巖層直接垮落,如圖5所示。工作面上位堅硬頂板由于強度高、巖層層厚大,具有較強的抗變形能力,托板效應顯著,直至工作面推進至152 m時,上位堅硬頂板中部才開始初次破斷,其下方巖層基本完全垮落,如圖6所示。當工作面推進到184 m時,上位堅硬頂板發生周期性破斷,周期斷裂步距為32 m,如圖7所示。

圖4 下位堅硬頂板發生初次破斷

圖5 下位堅硬頂板發生周期性破斷

圖6 上位堅硬頂板發生初次破斷

圖7 上位堅硬頂板發生周期性破斷

在工作面推進過程中,上覆巖層不斷垮落,為了分析上覆巖層結構破斷后的垮落規律,分別在煤層上方、下位堅硬頂板下方和上位堅硬頂板下方設置3條位移監測線,可以得到它們的位移變化曲線,如圖8所示。

從圖中可以看出,在該3-5號煤層向前推進的同時,上覆巖層因采動影響隨之發生運動,巖層下沉量隨之增加。下位堅硬頂板在破斷后,形成懸臂梁結構,維持了一定的穩定,在工作面推進到104 m時,才會出現突然性的大塊垮落;采空區上部上位堅硬頂板逐漸懸空,形成固支梁結構,在工作面推進到128 m時,梁的中部開始下沉,由于軟弱巖層垮落后,不能完全充填采空區,上位堅硬頂板下方缺少支撐,上位堅硬頂板在發生周期性破斷之后,會隨之垮落。

4 礦壓觀測

選取8311綜放工作面為研究對象,對現場實測數據進行分析。工作面周期來壓的判斷指標為支架的平均循環末阻力。動載系數K常用作堅硬頂板周期來壓強度指標[12],動載系數可表示為:

K=Pz/Pf

(2)

式中:Pz為周期來壓支架平均工作阻力,kN;Pf為非周期來壓支架平均工作阻力,kN.

利用該工作面數據,算出堅硬頂板周期來壓動載系數,具體數值見表2.該工作面部分支架循環末阻力曲線如圖9～圖11所示。通過對資料的計算與研究,得到工作面的堅硬頂板周期來壓步距為16～34.9 m;來壓期間最大工作面阻力為15 965.2 kN,占額定阻力的96.3%,周期來壓期間動載系數為1.04～1.78,平均為1.24.

表2 堅硬頂板歷次來壓期間動載系數統計

圖9 8311工作面51號支架循環末阻力曲線圖

圖10 8311工作面81號支架循環末阻力曲線圖

圖11 8311工作面111號支架循環末阻力曲線圖

根據礦壓觀測進行分析,得出8311工作面具有大小周期來壓特點,且每間隔兩個小周期來壓就進行一個大周期來壓,大周期來壓期間來壓強度明顯增加,來壓范圍更大,頂板支護效果變差。為了更深入剖析作業面的大周期來壓特點,匯總分析工作面礦壓數據,得出大周期來壓步距較長,一般為28～41 m,兩個小周期來壓后,再發生下一個大周期來壓。在大周期來壓時,支架最大工作阻力14 532.2～15 756.2 kN,來壓強度參數明顯大于小周期來壓強度。大周期來壓階段支架工作阻力增大,來壓范圍更廣,幾乎分布在整個工作面,而小周期來壓階段支架工作阻力相對較小,且持續時間短。具體來說,工作面推進過程中,在一個周期來壓范圍內,下位懸臂梁破斷并垮落形成小周期來壓,隨著工作面繼續推進,上位堅硬頂板斷裂,但回轉空間不大,形成上位砌體巖梁。該結構發生一定回轉,同時造成下位懸臂梁破斷并垮落,最終作用于支架上部形成大的周期來壓。

5 結 語

通過關鍵層理論和UDEC數值模擬,分別計算了兩層堅硬頂板的初次和周期來壓步距,二者相互驗證。通過現場礦壓觀測,得到了特厚煤層堅硬頂板綜放開采時,周期來壓期間動載系數為1.04～1.78,平均為1.24,出現“大小周期來壓”的現象,結合UDEC數值模擬可以推測出,在8311工作面煤層開采的一個大周期來壓范圍內,下位堅硬頂板以懸臂梁形式破斷垮落造成小周期來壓,上位堅硬頂板以砌體梁的形式破斷并造成大周期來壓。