王志強(qiáng),高全臣,趙景禮,何 濤

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)力學(xué)與建筑學(xué)院,北京 100083;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)資源與安全工程學(xué)院,北京 100083)

厚煤層整層開采關(guān)鍵層對(duì)垮落高度的影響分析

王志強(qiáng)1,2,高全臣1,趙景禮2,何 濤2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)力學(xué)與建筑學(xué)院,北京 100083;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)資源與安全工程學(xué)院,北京 100083)

對(duì)現(xiàn)有的上覆巖層垮落帶高度判定公式進(jìn)行理論分析,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室相似模擬試驗(yàn),得出隨著工作面的推進(jìn),關(guān)鍵層是否進(jìn)入垮落帶,取決于自身斷裂的塊度、厚度以及斷裂長(zhǎng)度三因素。確定以關(guān)鍵層為研究對(duì)象,建立四邊固支的彈性薄板力學(xué)模型,推導(dǎo)出其極限懸露斷裂步距準(zhǔn)則,對(duì)其斷裂后是否進(jìn)入垮落帶,給出判定準(zhǔn)則,并結(jié)合工程背景計(jì)算實(shí)際關(guān)鍵層的斷裂步距,與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)值接近,認(rèn)為計(jì)算比較客觀。最終形成以關(guān)鍵層為主體的厚煤層整層開采上覆巖層垮落帶高度的確定方法。

整層開采;關(guān)鍵層;垮落帶;斷裂;彈性薄板

采場(chǎng)垮落帶高度作為采場(chǎng)三帶劃分之一,對(duì)工作面支護(hù)阻力及上覆導(dǎo)水層是否破壞具有直接影響,因而對(duì)于垮落帶高度需要進(jìn)行科學(xué)的判定。

目前,應(yīng)用最廣泛的上覆巖層累計(jì)垮落高度∑h是根據(jù)采高 M和垮落巖石的碎脹系數(shù) c確定的[1],即:

式中,c為破碎矸石的碎脹系數(shù)。

該方法在應(yīng)用中,是建立在垮落的巖石碎漲后充填滿采空區(qū)的前提條件下,即采高相對(duì)較小的情況下,并且將垮落帶的高度建立在采高的基礎(chǔ)上,沒有考慮垮落巖石碎漲后不能充滿采空區(qū)的條件,即包括綜合機(jī)械化放頂煤以及大采高在內(nèi)的一次采出的情況。趙宏珠教授在對(duì)大采高采場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征的研究中[2],認(rèn)為當(dāng)采高達(dá)到 6.5m時(shí),自由空間是始終存在的。

按照關(guān)鍵層的定義[3],基本頂屬于采場(chǎng)上方最低關(guān)鍵層。采場(chǎng)上覆的穩(wěn)定關(guān)鍵層發(fā)生斷裂后,整個(gè)采場(chǎng)的結(jié)構(gòu)將向地表發(fā)展尋求新平衡,因而關(guān)鍵層的斷裂影響著采場(chǎng)垮落巖石的高度。關(guān)鍵層的破斷特征表明,關(guān)鍵層的破斷將導(dǎo)致全部或局部上覆巖層的同步破斷,引起較大范圍內(nèi)的巖層移動(dòng)。

按照上述分析,以采高及破碎巖石的碎漲系數(shù)為研究對(duì)象確定垮落帶高度,并不能反映客觀現(xiàn)象,因此,以采場(chǎng)上方關(guān)鍵層的穩(wěn)定情況作為確定厚煤層整層開采垮落帶高度的基礎(chǔ),見圖 1所示。

圖1 采空區(qū)上覆關(guān)鍵層

從圖中可看出,垮落帶上方的關(guān)鍵層層位是決定采場(chǎng)垮落帶高度的主要因素之一。距離工作面較近的關(guān)鍵層 1發(fā)生斷裂后,整個(gè)采場(chǎng)的結(jié)構(gòu)將繼續(xù)向高處發(fā)展達(dá)到關(guān)鍵層 2的層位尋求新的平衡,并且一些較為軟弱的巖層與下方的關(guān)鍵層協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。

1 相似模擬試驗(yàn)及結(jié)論分析

1.1 模型設(shè)計(jì)

以西山礦區(qū)代表性的 8號(hào)煤層實(shí)際生產(chǎn)條件進(jìn)行相似模擬試驗(yàn)[4],該礦采用厚煤層綜合機(jī)械化放頂煤回采。

工作面長(zhǎng)度為 100m,所采 8號(hào)煤層傾角近水平,煤層平均厚度為 5.0 m。煤層直接頂為石灰?guī)r,平均厚 1.8m;直接底為細(xì)粒砂巖,厚 2.53m。具體巖性見表 1所示。

表1 煤 (巖)層巖性參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)采用二維實(shí)驗(yàn)臺(tái),尺寸:長(zhǎng) ×寬 ×高為1620mm×160mm×1300mm,采用平面應(yīng)力模型。設(shè)幾何相似比為αL=100∶1,設(shè)密度比為α=1.5∶1,要求模擬與實(shí)體所有各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況相似,即要求各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的速度、加速度、運(yùn)動(dòng)時(shí)間等都成一定比例。各層巖層的模擬參數(shù)見表 2。

表2 煤 (巖)層模擬參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

在直接頂分別布置 12個(gè)應(yīng)變片,從左側(cè)第 3列測(cè)線也就是模擬工作面區(qū)段進(jìn)風(fēng)巷上側(cè)開始布置,應(yīng)變片間隔 100mm。準(zhǔn)備就緒后,開掘工作面,掘進(jìn)過程中,嚴(yán)格按照時(shí)間相似比進(jìn)行推進(jìn)。為了在開采過程中精確獲取數(shù)據(jù),采用放頂煤實(shí)驗(yàn)室的 7v14數(shù)據(jù)采集器來自動(dòng)采集壓力數(shù)據(jù),通過與計(jì)算機(jī)相接,把數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦潭ǖ奈募?/p>

1.3 數(shù)據(jù)處理分析

在圖 2中,當(dāng)工作面長(zhǎng)度約 30m時(shí),直接頂初次垮落后,垮落帶上覆的巖板呈懸露狀態(tài),當(dāng)懸露邊長(zhǎng)約 25m時(shí)在固支端出現(xiàn)斷裂垮落。

圖 2 工作面推進(jìn) 30m上覆巖層垮落示意

圖 3、圖 4所示,當(dāng)工作面上覆巖層垮落穩(wěn)定后,上方 10m處的關(guān)鍵層懸露邊長(zhǎng)從圖 3顯示的20m增加至 28m時(shí)仍未發(fā)生斷裂垮落,而工作面在此期間推進(jìn)了約15m。

圖 3 工作面推進(jìn) 35m上覆巖層垮落示意

圖 4 工作面推進(jìn) 50m上覆巖層垮落示意

圖5所示為工作面長(zhǎng)度從 50m增加到 55m時(shí)上覆巖層垮落情況。結(jié)合圖 4可以看出,采空區(qū)上方約 10m高度的巖層其懸露步距在約 30m時(shí)出現(xiàn)斷裂并垮落,由于自由空間較大,垮落后,該巖層直接滑落,形成不規(guī)則的垮落情況,并且由于該層巖石的斷裂造成采空區(qū)上方垮落帶高度達(dá)到 12m,并且其上方起穩(wěn)定作用的巖層出現(xiàn)微小離層。

圖 5 工作面推進(jìn) 55m上覆巖層垮落示意

圖 6中為回采結(jié)束時(shí),形成了一個(gè)拱式平衡結(jié)構(gòu),在結(jié)構(gòu)兩端形成鉸接梁結(jié)構(gòu)。工作面最終不規(guī)則垮落帶 20m,規(guī)則垮落帶高度 22m,垮落角大約65°,并且上方依然存在一個(gè)較小的自由空間。

圖 6 工作面回采結(jié)束時(shí)上覆巖層垮落示意

相似模擬試驗(yàn)工作面回采過程中得到了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù),經(jīng)整理后,得到不同工作面長(zhǎng)度垮落帶支承壓力分布情況。

圖 7、圖 8分別是工作面推進(jìn) 55m和首采工作面回采結(jié)束整理得到的支承壓力分布情況。從圖中可以看出,因采空區(qū)垮落帶增高,測(cè)得的支承壓力不斷增大。并且在采空區(qū)中部支承壓力值近似最大,分析原因應(yīng)是中部垮落巖石被壓實(shí)所致。因此,可以通過數(shù)據(jù)進(jìn)一步判定,即使考慮碎漲松散系數(shù)的情況下,工作面中部巖石的碎漲系數(shù)要小于兩端,與前述實(shí)驗(yàn)過程相吻合,進(jìn)一步表明,尤其在工作面中部,厚煤層一次采出的情況下,依靠碎漲巖石充填滿采空區(qū)是不客觀的。

圖 7 工作面推進(jìn) 55m時(shí)支承壓力分布

圖 8 工作面回采結(jié)束上方支承壓力分布

1.4 試驗(yàn)結(jié)論

(1)上覆關(guān)鍵層的穩(wěn)定與否,客觀由其懸露步距決定,當(dāng)其達(dá)到懸露步距,將造成斷裂垮落。

(2)上覆關(guān)鍵層的懸露步距,試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),受到巖石垮落角、距離煤層高度以及工作面推進(jìn)度的影響。

(3)關(guān)鍵層垮落后,是否進(jìn)入垮落帶,取決于其斷裂塊度、厚度以及與自由空間的關(guān)系。

(4)通過數(shù)據(jù)采集,發(fā)現(xiàn)隨著回采空間的增加,測(cè)得的采空區(qū)支承壓力增大。

2 垮落帶高度的確定方法

當(dāng)一次采高較大,破碎矸石無法充填滿采空區(qū)時(shí),上覆巖層的穩(wěn)定性取決于關(guān)鍵層,認(rèn)為采場(chǎng)上覆關(guān)鍵層在斷裂前其四邊始終由實(shí)體巖層支撐,關(guān)鍵層的下方為自由空間,處于四邊固支的力學(xué)狀態(tài),力學(xué)模型見圖 9所示。因而將堅(jiān)硬巖層力學(xué)模型按照四邊固支板[5-7]簡(jiǎn)化后計(jì)算如下:

圖 9 工作面上覆穩(wěn)定巖層力學(xué)結(jié)構(gòu)

式中,ω為彈性薄板的撓度;q為堅(jiān)硬巖層承載,按照文獻(xiàn)[8]確定;a,b分別為采場(chǎng)上覆巖層懸露的幾何邊界值,與回采空間幾何條件有關(guān);D為板的抗彎剛度。

當(dāng)一個(gè)工作面回采時(shí),普遍條件下工作面的長(zhǎng)度是一個(gè)常量,而工作面的推進(jìn)距離是一個(gè)變量。因而,將與工作面長(zhǎng)度有關(guān)的 a作為定值引入變量系數(shù)λ,使 b=λa:

前述條件得出的是按照四邊固支板解得的彎矩值,實(shí)際回采中,剖面上關(guān)鍵層可以簡(jiǎn)化為梁的力學(xué)模型,按照兩端固支梁解得其極限斷裂條件[9]:

取上方 10m高度的 3.66m厚粉砂巖基本頂作為研究對(duì)象,將其參數(shù) q,h以及[σ],計(jì)算得出,粉砂巖在達(dá)到 18m的懸露跨距時(shí),出現(xiàn)斷裂。但是,其是否進(jìn)入垮落帶需要根據(jù)下式核定[10]:

式中,hi為自下而上第 i層基本頂?shù)姆謱雍穸?m; Δ為關(guān)鍵層下方自由空間高度;li0為第 i層基本頂懸露巖塊長(zhǎng)度,m。

公式 (4)的意義是,作為關(guān)鍵層其厚度大于其下自由空間高度的 1.5倍,并且斷裂的長(zhǎng)度要大于厚度的 2倍,只有這樣才能形成結(jié)構(gòu)。

試驗(yàn)中可以看出,由于該關(guān)鍵層下方自由空間高度較大,不能滿足上式要求,所以進(jìn)入垮落帶。實(shí)際生產(chǎn)中,基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄嗥骄鶠?20m,較接近計(jì)算值。因此,認(rèn)為該計(jì)算數(shù)據(jù)可靠。

3 結(jié)論

(1)理論分析了采場(chǎng)上覆關(guān)鍵層對(duì)采空區(qū)垮落帶高度的影響。

(2)上覆關(guān)鍵層的穩(wěn)定與否,客觀由其懸露步距決定,當(dāng)其達(dá)到懸露步距,將造成斷裂垮落。

(3)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),上覆關(guān)鍵層的懸露步距,受到巖層垮落角、距離煤層高度以及工作面推進(jìn)度的影響。

(4)關(guān)鍵層垮落后,是否進(jìn)入垮落帶,取決于其斷裂塊度、厚度以及與自由空間的關(guān)系。

(5)對(duì)采場(chǎng)上覆堅(jiān)硬巖層建立彈性薄板力學(xué)模型,得出極限斷裂步距表達(dá)式,對(duì)于其斷裂后是否進(jìn)入垮落帶,給出基于斷裂長(zhǎng)度、巖層厚度以及自由空間 3因素的判別準(zhǔn)則,并結(jié)合實(shí)際地質(zhì)條件進(jìn)行計(jì)算,認(rèn)為計(jì)算結(jié)果比較客觀。

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[責(zé)任編輯:王興庫]

Analysis of Influence of Key Strata on Caving Height in Single Full-seam M in ing

WANG Zhi-qiang1,2,GAO Quan-chen1,ZHAO Jing-li2,HE Tao2

(1.Mechanical&Architecture School,China University ofMining&Technology(Beijing),Beijing 100083,China; 2.Resources&Safety School,China University ofMining&Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

This paper researched caving zone height of overlying strata by theoretical analysis and analog s imulation and obtained that with mining face advancing,whether the key strata reached caving zone was dependent on fracturing fragmentation,thickness and length.Key strata as research object,this paper set up a mechanical model of four-side clamped elastic thin slab to deduce its limit fracturing pace principle and judge whether it reach caving zone after fracturing.Based on an engineering case,actual fracturing pace was calculated which was close to observation value.Thus,a confirmation method for caving zone height of overlying strata controlled by key strata in full-seam mining formed.

full-seam mining;key strata;caving zone;fracture;elastic thin slab

TD327.2

A

1006-6225(2010)03-0007-03

2010-01-17

王志強(qiáng) (1980-),男,內(nèi)蒙古呼倫貝爾人,博士,主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代采礦技術(shù)、采場(chǎng)礦壓研究。