李正杰，婁金福，郜建明，李晉斌

(1.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013；2.山西晉煤集團趙莊煤業(yè)有限責任公司，山西 晉城 048000)

趙莊煤礦大采高綜采覆巖“兩帶”高度確定

李正杰1，婁金福1，郜建明2，李晉斌2

(1.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013；2.山西晉煤集團趙莊煤業(yè)有限責任公司，山西 晉城 048000)

[摘要]為了確定軟煤層大采高綜采覆巖“兩帶”發(fā)育高度，以趙莊煤業(yè)大采高綜采工作面為研究對象，分析了大采高開采工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，并采用電法監(jiān)測技術實測得出了覆巖“兩帶”發(fā)育高度。基于以上實測結論，通過力學解析得到了覆巖“兩帶”發(fā)育高度的修正公式，為后續(xù)工作面高抽巷層位確定提供了指導。實踐結果表明，該公式吻合現(xiàn)場實際，應用效果良好。

[關鍵詞]大采高綜采；覆巖“兩帶”高度；修正公式

大采高綜采是我國緩傾斜厚煤層開采的發(fā)展趨勢，也是礦井實現(xiàn)高產(chǎn)高效的一種重要采煤方法。生產(chǎn)實踐表明，大采高開采時垮落帶和裂縫帶(簡稱“兩帶”)發(fā)育高度與傳統(tǒng)分層開采相比明顯不同，覆巖劇烈運動引發(fā)的工作面強礦壓和地表環(huán)境問題也日益嚴重。以上問題與大采高采場覆巖結構及運動特征密切相關。

晉煤集團趙莊井田開采山西組3號煤層，該煤層的單軸抗壓強度10～15MPa，偏軟，煤層厚度3.0～5.4m，采場礦壓顯現(xiàn)強烈，制約了工作面的安全高效開采。此外，該煤層原始瓦斯含量高，預抽困難，該礦首次嘗試采用高抽巷治理本煤層瓦斯，但高抽巷的最佳布設層位缺乏理論指導。因此，有必要針對該地質(zhì)條件開展軟煤層大采高綜采覆巖“兩帶”高度研究，以應用于認識覆巖結構、工作面礦壓規(guī)律和指導高抽巷層位確定等開采實踐。

1工作面開采條件及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

1.1工作面開采條件

趙莊礦1306工作面位于1盤區(qū)，走向長度1962m，傾斜長度219.5m，煤厚平均為4.48m，煤層傾角1～8°。地面標高+1012.8～+1173.8m，煤層底板標高+404～+516m。該工作面選用ZY12000/28/62D兩柱掩護式支架進行頂板控制。3號煤頂?shù)装鍘r性特征如表1所示。

表1　1306工作面3號煤層頂?shù)装鍘r性特征

1.2礦壓觀測方案

主要采用綜采支架壓力記錄儀實時監(jiān)測工作面壓力變化情況。1306工作面共布置14個測點，分別為5號、10號、20號、30號、40號、50號、60號、70號、80號、90號、100號、110號、120號、126號支架，見圖1。

圖1　工作面壓力測線布置

1.3礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

沿工作面走向方向選取機頭1323.25～1406.45m，機尾1322.35～1402.95m推進范圍內(nèi)實測的礦壓數(shù)據(jù)進行分析，期間機頭推進83.2m，機尾推進80.6m。表2為周期來壓步距及工作阻力統(tǒng)計，基本頂周期來壓步距3.5～13.2m，平均7.5m。工作面非來壓期間支架工作阻力平均5500kN，來壓時動載系數(shù)1.16～2.43，平均1.69，動壓明顯。該監(jiān)測結果為理論研究覆巖“兩帶”高度提供基礎數(shù)據(jù)。

表2　1306工作面周期來壓及工作阻力情況統(tǒng)計

2覆巖“兩帶”高度理論分析

采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及其特征參數(shù)與覆巖運移破斷密切相關[1-3]，新汶礦區(qū)、兗州礦區(qū)、邢臺礦區(qū)等利用多個工作面的礦壓參數(shù)推算覆巖破壞高度，積累了一套較為精確的計算方法。利用礦壓參數(shù)推算覆巖破壞高度的實質(zhì)是根據(jù)礦壓顯現(xiàn)特征參數(shù)，以巖層變形、移動和破壞特點及“支架-圍巖”相互作用關系為基礎，根據(jù)力學平衡原理，對“兩帶”高度進行力學解析。

2.1垮落帶高度的推算

以往研究表明，無論控頂區(qū)直接頂能否沿煤壁切斷，均能與其前方覆巖保持一定的力學聯(lián)系[4-6]。通過力學建模簡化，控頂區(qū)直接頂與煤壁前方覆巖保持“單鉸”連接，支架頂梁載荷呈三角形分布，合力作用點在立柱與頂梁鉸點處，如圖2、圖3所示。

圖2　控頂區(qū)直接頂與煤壁前方覆巖連接示意

圖3　支架頂梁載荷分布

根據(jù)力學平衡條件，在不考慮平衡千斤頂作用的情況下，經(jīng)推導分析，可得以下方程：

(1)

式中，Pz為周期來壓前由控頂區(qū)上方厚度為Hm的直接頂產(chǎn)生的支架阻力，t/架；θ為巖層破斷角，(°)；Lx為直接頂?shù)膽翼旈L度，m；Lkd為采場最大控頂距，m；La為立柱與頂梁鉸點到頂梁末端的距離，m；Q為厚度相當于Hm的垮落帶巖層重量；η為支架支撐效率。

根據(jù)以上推導，將實測的礦壓數(shù)據(jù)，即：Pz=5500kN，即550t；θ=67°；Lkd=5.902m；La=1.35m，代入(1)式并化簡方程得：

(2)

由式(2)可得垮落帶巖層厚度Hm=13.5m。

2.2裂縫帶下位巖層高度的推算

裂縫帶自下而上可分為嚴重斷裂、一般開裂和微小裂縫三部分[7]。其中，一般開裂和微小裂縫兩部分的巖層雖屬破壞巖層范疇，但其所形成的砌體梁能夠自身平衡而導致支架不受載，因此，僅裂縫帶的嚴重斷裂部分對支架產(chǎn)生力的作用。采場頂板的周期來壓是直接頂之上的基本頂發(fā)生周期性斷裂所形成的砌體梁結構不能維持自身平衡而失穩(wěn)的結果[8-9]，因此，周期來壓時的支架載荷等于直接頂所造成的支架載荷Pz與基本頂斷裂后為維持砌體梁的平衡通過直接頂傳遞給支架的附加載荷PL之和，即：

P=Pz+PL

(3)

周期來壓時基本頂砌體梁A，B兩關鍵塊的受力狀況如圖4所示。根據(jù)力的平衡條件(∑Fx=0，∑Fy=0，∑M=0)，求得方程如下：

(4)

圖4　周期來壓時基本頂砌體梁關鍵塊受力分析

基本頂破斷巖塊形成砌體梁的首要條件是咬合邊端要處于平衡狀態(tài)，即：

T·tanφ≥Ro

(5)

當T·tanφ

(6)

式(4)～(6)中：HLx為裂縫帶下位巖層的厚度，m；Lc為周期來壓步距，m；SA為砌體梁來壓巖塊的終端沉降值，m；φ為巖塊間的摩擦角，(°)；Q為破斷巖塊及其上覆軟巖的重量，在無軟巖的情況下，Q=LcDHLxγ，D為關鍵塊寬度，取1；γ為容重；其他符號意義同前。

根據(jù)工作面礦壓觀測數(shù)據(jù)，PL=5500kN，頂板來壓動載系數(shù)平均值為1.69，則砌體梁破斷產(chǎn)生的附加載荷為5500×0.69=3795kN=379.5t；根據(jù)實測分析，基本頂周期來壓步距Lc=7.5m；SA=0.95m(按泥巖殘余碎脹系數(shù)取0.1，砂巖取0.2。采高4.3m，實測垮落帶高度16～22m，在垮落帶范圍內(nèi)，砂巖累計14.5m，泥巖4.5m，由此求出砌體梁來壓巖塊的終端沉降值)；1306工作面頂板以泥巖、砂巖為主，巖性較軟。根據(jù)巖石物理力學性質(zhì)指標經(jīng)驗數(shù)據(jù)，巖塊間的摩擦角φ=45°；SA=4.3-(14.5×0.2+4.5×0.1)=0.95m，代入(6)式，得：

(7)

據(jù)此計算裂縫帶下位巖層的厚度為HLx=10m。

3覆巖“兩帶”高度電法探測分析

3.1“兩帶”電法探測布置方案

依據(jù)礦壓理論，煤層開采后覆巖層在豎直方向上形成“三帶”[10-11]，即垮落帶、裂縫帶和彎曲下沉帶。而“三帶”的電阻率由于巖層破壞程度不同具有顯著的差異性[12-14]。

在1306巷道內(nèi)布置“兩帶”監(jiān)測鉆場，1號監(jiān)測鉆孔孔口位置在13063巷10號橫貫向外20m，2號監(jiān)測鉆孔孔口位置在13061巷5號橫貫向外5m，在鉆孔中埋設電極電纜形成電法監(jiān)測系統(tǒng)，電法儀安裝在巷道孔口后方采集數(shù)據(jù)。鉆孔布置如圖5所示，鉆孔施工參數(shù)見表3。

圖5　電法監(jiān)測鉆孔布置平面

孔號仰角/(°)孔徑/mm孔深/m套管長度/m控制垂高/m控制平距/m1號29911407681202號32919274878

3.2監(jiān)測結果分析

通過實時監(jiān)測，1號孔共采集數(shù)據(jù)24d，采集有效物理數(shù)據(jù)點數(shù)96768個；2號孔共采集數(shù)據(jù)25d，采集有效物理數(shù)據(jù)點43050個。采用高密度電阻率法對頂板裂高監(jiān)測孔數(shù)據(jù)進行反演[15-16]，1號鉆孔反演結果如圖6所示。

由圖6可知，工作面距離1號孔口98.6m時，電阻率值總體較低(<150Ω·m)，認為開采對前方覆巖破壞尚未產(chǎn)生影響，此時的電阻率為頂板巖層的背景電阻率，為后續(xù)煤層采動巖層變形破壞后的電阻率提供對比數(shù)據(jù)。工作面距離監(jiān)測孔口6.8m時，受煤層采動影響，采空區(qū)后方覆巖發(fā)生破壞，通過與背景電阻率值的對比分析，1號鉆孔監(jiān)測區(qū)域內(nèi)頂板垮落帶高度為16m，該段巖層電阻率值超過背景電阻率值10倍以上，為典型的巖層破壞特征；導水裂縫帶高度為58m，該段巖層電阻率值變化不均勻，局部達到幾千Ω·m以上，且上下溝通特征明顯，為破壞導通區(qū)。

圖6　不同位置時1號監(jiān)測鉆孔的電阻率剖面

同理，根據(jù)2號監(jiān)測鉆孔的實測結果可知，垮落帶發(fā)育高度為22m，裂縫帶發(fā)育高度為59m。

綜合兩個監(jiān)測鉆孔結果，垮落帶發(fā)育高度為16～22m，裂縫帶發(fā)育高度約59m，裂采比13.72。該觀測結論為理論分析結果提供對比驗證依據(jù)。

4“兩帶”發(fā)育高度多參量公式的修正與應用

對比“兩帶”高度電法實測結論以及理論計算結果，垮落帶高度16～22m與理論計算存在一定的偏差，但基本反映了覆巖垮落破壞的特征；而裂縫帶下位巖層厚度10m約占裂縫區(qū)總高度的1/4。鑒于覆巖“兩帶”觀測工程量大，人工與設備費用高，3號煤層后續(xù)工作面的“兩帶”高度可以參照理論公式進行估算。為了使理論計算更接近于現(xiàn)場實際，需要對計算公式進行必要的修正。

4.1垮落帶高度多參量公式的修正

將公式(1)反解，并考慮理論計算與實測結果的差值，將垮落帶高度計算公式修正為：

(8)

4.2裂縫帶高度多參量公式的修正

裂縫帶發(fā)育高度上限值包括垮落帶高度以及裂縫區(qū)高度。裂縫帶下位巖層厚度公式可依據(jù)公式(6)反算推出，其約占裂縫區(qū)總高度的1/4。結合垮落帶高度的修正公式，得到裂縫帶高度上限值修正公式為：

Hli=Hm+4HLx=tanθ[2η(Lkd-La)Pz/Q-(Lkd+Lx)]+4Lctanφ/(1.5-PLη/Q)+4SA+5

(9)

式中各符號意義同前。

4.3實踐應用

趙莊礦1307工作面首次采用高抽巷治理瓦斯，將該工作面相關參數(shù)代入“兩帶”高度多參量修正公式中，得到垮落帶高度為18.5m，裂縫帶高度為58.2m。按照高抽巷處于裂縫區(qū)中部考慮，確定高抽巷的合理層位距煤層頂板38.5m。

現(xiàn)場高抽巷布置在煤層上方約40m處，現(xiàn)場實際應用表明，該礦瓦斯難以預抽問題不再成為制約工作面的生產(chǎn)進度的因素，工作面推進速度明顯加快，由原來3～5刀/d增加到6～8刀/d，高抽巷抽放純量均值達到36.9m3/min，日抽放量達53133.9m3，占工作面日總抽放量的70.5%～73.9%，實現(xiàn)了工作面瓦斯的零超限。

5結論

通過現(xiàn)場實測及理論分析的方法，研究了趙莊煤礦大采高綜采覆巖“兩帶”發(fā)育高度，得到以下主要結論：

(1)礦壓監(jiān)測分析得出基本頂周期來壓步距為3.5～13.2m，平均7.5m，來壓時動載系數(shù)為1.69，工作面非來壓期間，支架平均工作阻力為5500kN。

(2)采用電法實測得出趙莊煤礦大采高綜采面垮落帶高度為16～22m，裂縫帶高度為59m，裂采比為13.72。

(3)理論解析得出了覆巖“兩帶”發(fā)育高度多參量公式，并結合實測結果進行了修正，由該公式確定的高抽巷層位在實踐應用中效果良好。

[參考文獻]

[1]任艷芳，寧宇，齊慶新.淺埋深長壁工作面覆巖破斷特征相似模擬[J].煤炭學報，2013，38(1)：61-66.

[2]潘俊鋒，齊慶新，毛德兵，等.沖擊性頂板運動及其應力演化特征的3DEC模擬研究[J].巖石力學與工程學報，2007，26(S1)：3546-3552.

[3]閆少宏，尹希文，許紅杰，等.大采高綜采頂板短懸臂梁-鉸接巖梁結構與支架工作阻力的確定[J].煤炭學報，2011，36(11)：1816-1820.

[4]杜峰，白海波.薄基巖綜放采場直接頂結構力學模型分析[J].煤炭學報，2013，38(8)：1331-1337.

[5]何富連，錢鳴高.綜采面直接頂滑落冒頂?shù)臋C理與控制[J].中國礦業(yè)大學學報，1995，24(3)：30-34.

[6]劉長友，錢鳴高，曹勝根，等.采場直接頂?shù)慕Y構力學特性及其剛度[J].中國礦業(yè)大學學報，1997，26(2)：20-23.

[7]何國清.礦山開采沉陷學[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，1994.

[8]錢鳴高，繆協(xié)興，何富連.采場“砌體梁”結構的關鍵塊分析[J].煤炭學報，1994，19(6)：557-563.

[9]錢鳴高，繆協(xié)興.采場上覆巖層結構的形態(tài)與受力分析[J].巖石力學與工程學報，1995，14(2)：97-106.

[10]錢鳴高，劉聽成.礦山壓力及其控制[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2009.

[11]錢鳴高，石平五，許家林.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社有限責任公司，2010.

[12]楊鏡明，魏周政，高曉偉.高密度電阻率法和瞬變電磁法在煤田采空區(qū)勘查及注漿檢測中的應用[J].地球物理學進展，2014，29(1)：362-369.

[13]劉盛東，吳榮新，張平松，等.高密度電阻率法觀測煤層上覆巖層破壞[J].煤炭科學技術，2001，29(4)：18-22.

[14]王冬青.高密度電阻率成像法在斷裂帶探測中的應用研究[D].南京：南京大學，2009：42-47.

[15]吳小平，汪彤彤.電阻率三維反演方法研究進展[J].地球物理學進展，2002，17(1)：156-162.

[16]楊發(fā)杰，巨妙蘭，劉全德.高密度電阻率探測方法及其應用[J].礦產(chǎn)與地質(zhì)，2004，18(4)：356-360.

[責任編輯：潘俊鋒]

Determination of ‘Two Belts’ Height of Overlying Strata with Large Mining Height Fully Mechanized Face in Zhaozhuang Coal Mine

LI Zheng-jie1，LOU Jin-fu1，GAO Jian-ming2，LI Jin-bin2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；2.Zhaozhuang Mine Company of Shanxi Jin Mine Corporation Co.，Ltd.,Jincheng 048000，China)

Abstract：In order to confirmed ‘ two belts’ height of overlying strata with large mining height fully mechanized mining in soft coal seam，it taking fully mechanized mining working face in Zhaozhuang coal mine as studying objects，then mine pressure rules of large mining height working face was analyzed，and ‘two belts’ development height was tested in filed by electrical monitoring technique.On the basis of filed testing conclusions，modifier formula of ‘ two belts’ development height was put forward by mechanical analysis，it provided guidance for layer confirmation of high level drainage roadway，the practical results showed the formula satisfied for filed practical and application effect was good.

Key words：fully mechanized mining with large mining height；overlying strata ‘ two belts’ height，modifier formula

[收稿日期]2015-09-22[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.025

[基金項目]國家自然科學青年基金項目(51304118);青年科學基金項目(51504136)

[作者簡介]李正杰(1987-)，男，河南永城人，碩士，助理工程師，主要從事礦山壓力及巖層控制研究工作。

[中圖分類號]TD822.1

[文獻標識碼]A

[文章編號]1006-6225(2016)03-0094-04

礦山壓力與災害控制

[引用格式]李正杰，婁金福，郜建明，等.趙莊煤礦大采高綜采覆巖“兩帶”高度確定[J].煤礦開采，2016，21(3)：94-97，121.