郭建達(dá),韓連昌,田 燚,鄢朝興

(貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院, 貴州 貴陽(yáng) 550025)

0 引 言

淺埋煤層廣泛賦存于我國(guó)西部地區(qū),已探明的該種煤層主要分為兩類(lèi),分別賦存于陜西、內(nèi)蒙古為代表的西北沙漠地區(qū)和西南地區(qū)云貴川等省份的山區(qū),第一類(lèi)對(duì)應(yīng)地表地形平緩、基巖較薄、表土層為厚松散沙土層,如神府、東勝煤田等;第二類(lèi)煤層對(duì)應(yīng)地表地形為起伏較大的峰叢地貌,薄松散層較厚基巖、煤層埋深變化強(qiáng)烈是其典型賦存特征[1G3].

國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)淺埋煤層開(kāi)采工作面頂板破斷特征、支護(hù)阻力確定、突水潰沙防治及采動(dòng)引發(fā)地表開(kāi)裂塌陷等方面進(jìn)行了卓有成效的研究:黃慶享教授等[2,4G5]在淺埋煤層綜采工作面實(shí)測(cè)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)?zāi)M的基礎(chǔ)上,分析得出基本頂初次來(lái)壓時(shí)關(guān)鍵層呈現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)性破斷,提出了關(guān)鍵層的非對(duì)稱(chēng)三鉸拱結(jié)構(gòu).石平五、錢(qián)鳴高、侯忠杰教授等[6G7]經(jīng)大量觀測(cè)和模擬實(shí)驗(yàn)得出頂板破斷的主要形式是整體切落,并指出提高支架初撐力和及時(shí)充填采空區(qū)是控制頂板的有效方法.劉國(guó)磊等[8G9]以發(fā)耳礦為研究對(duì)象,得出山地淺埋煤層推進(jìn)過(guò)程中基本頂更易發(fā)生滑落失穩(wěn),且初次破斷具有不對(duì)稱(chēng)性.由于煤層對(duì)應(yīng)地表地形地貌差異較大,上述研究結(jié)果不能很好地指導(dǎo)峰叢地貌下淺埋煤層開(kāi)采的頂板控制和支架選型.

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明:由于峰叢地貌淺埋煤層上覆巖層遭到開(kāi)采擾動(dòng)及侵蝕后較難形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu),工作面來(lái)壓異常強(qiáng)烈,常伴隨頂板破斷切冒、煤壁片幫、巷道支架壓死及其他設(shè)備損壞等礦壓災(zāi)害的產(chǎn)生.為此,本文以貴州省發(fā)耳礦區(qū)3井區(qū)1306工作面現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采條件作為工程背景,探索峰叢地貌淺埋煤層工作面開(kāi)采覆巖運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)特征和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,研究工作面液壓支架合理工作阻力確定的方法,以防止各類(lèi)礦壓災(zāi)害的產(chǎn)生,指導(dǎo)礦井的安全高效生產(chǎn).

1 現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)概況

發(fā)耳煤礦屬山東兗州礦業(yè)集團(tuán)子公司貴州能化公司所轄,坐落于貴州省水城南部,距市區(qū)約70 k m,礦區(qū)內(nèi)地形跌宕起伏,切割強(qiáng)烈,屬于構(gòu)造侵蝕而成的高中山地貌.海拔最高處與最低處分別是楊家?guī)r地區(qū)和北盤(pán)江河床,最大高差1015.60 m;一般相對(duì)高差300~400 m.1306工作面位于發(fā)耳井田三井區(qū)中部,工作面走向長(zhǎng)490 m,傾向長(zhǎng)65.4 m.工作面地表地形起伏情況如圖1所示.

所采煤層平均傾角12°,厚度為0.3~2.3 m,平均1.9 m.老頂為泥質(zhì)粉砂巖,平均厚度13.9 m.直接頂為粉砂質(zhì)泥巖,平均厚度6.2 m.直接底為泥質(zhì)粉砂巖,平均厚度4.5 m.工作面煤層埋藏深度較淺,大部分集中于40~217 m以?xún)?nèi)的淺部,對(duì)應(yīng)地表地形主要為峰叢地貌,工作面在靠近開(kāi)切眼處對(duì)應(yīng)地形地勢(shì)十分陡峭.該煤層綜合柱狀圖如圖2所示.

圖1 1306工作面地表地形

圖2 煤巖綜合柱狀圖

2 峰叢地貌淺埋煤層開(kāi)采覆巖移動(dòng)規(guī)律

2.1 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

根據(jù)對(duì)1306工作面現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)發(fā)現(xiàn):由于煤層埋深較淺,工作面推進(jìn)過(guò)程中礦壓顯現(xiàn)異常劇烈,出現(xiàn)頂板大面積切冒,支架壓死等情況,對(duì)應(yīng)地表產(chǎn)生裂隙與坍塌,在推進(jìn)至峰叢地貌谷溝段時(shí)表現(xiàn)尤為明顯,這給工作面的安全高效開(kāi)采帶來(lái)了巨大隱患.

根據(jù)淺埋煤層工作面開(kāi)采周期來(lái)壓頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析結(jié)果可知[1,4],峰叢地貌淺埋煤層工作面來(lái)壓期間基本頂失穩(wěn)形式主要是滑落失穩(wěn).峰叢地貌淺埋煤層開(kāi)采時(shí),特別是工作面背向溝谷推進(jìn)過(guò)程中,由于山地坡體臨空面的存在,巖體間除存在垂向載荷外,還有水平方向作用力,不同方向應(yīng)力相互疊加影響導(dǎo)致上覆巖層產(chǎn)生水平位移,坡體表面開(kāi)裂,破斷塊體之間的塑性鉸接區(qū)無(wú)法產(chǎn)生足夠的摩擦力,從而形成易失穩(wěn)的多邊塊鉸接結(jié)構(gòu),導(dǎo)致基本頂產(chǎn)生滑落失穩(wěn),如圖3所示.

圖3 基本頂?shù)幕涫Х€(wěn)

此時(shí)頂板垮落后,在煤壁和支架的共同支撐下呈懸臂梁結(jié)構(gòu),一旦其端部發(fā)生斷裂,將產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),所有重量將全部加載在支架上,為防止基本頂結(jié)構(gòu)發(fā)生滑落失穩(wěn),此時(shí)必須加大支架所提供的支撐力.支架與頂板結(jié)構(gòu)共同維持頂板的穩(wěn)定,基本頂滑落失穩(wěn)形成的壓力主要由支架承受,支架處于最危險(xiǎn)的“給定載荷”狀態(tài)[1,10].

工作面初次來(lái)壓時(shí)基本頂結(jié)構(gòu)受到破環(huán),巖塊產(chǎn)生斷裂,基本頂巖塊觸矸后相比觸矸前所需支護(hù)阻力小很多,按巖塊觸矸前狀態(tài)考慮,得到工作面初次來(lái)壓期間防止頂板結(jié)構(gòu)發(fā)生滑落失穩(wěn)所需支護(hù)阻力Pm0為[1,3,11]:

式中,lk為控頂距長(zhǎng)度;b為支架寬度;γ,γ1,γ2分別為基本頂、載荷層、直接頂巖石容重;K為巖塊長(zhǎng)度之比;i為塊度(巖塊厚度/長(zhǎng)度);α為坡體傾斜角度;θ2為回轉(zhuǎn)角;h為基本頂厚度,h′載荷層厚度;L2為關(guān)鍵塊體長(zhǎng)度;KG0為按太沙基土壓力計(jì)算原理近似估算的載荷傳遞系數(shù),KG0＝Kr0Kt0,Kr0與Kt0分別為載荷傳遞巖性因子與時(shí)間因子.

式中,λ為載荷層側(cè)應(yīng)力系數(shù),h1為載荷層高度.

工作面周期來(lái)壓時(shí),按控制頂板結(jié)構(gòu)不發(fā)生滑落失穩(wěn)考慮,得到所需的支護(hù)阻力Pm為:

式中,θ′2max為巖塊Ⅱ最大回轉(zhuǎn)角;P02為作用于關(guān)鍵塊的載荷,P02＝h L2γ＋KG(h′1＋1/2 L2tanα)L2γ1,k＝ (2 q′＋q2)/[3(q′ ＋q2)].Pm主要指支架提供的有效支護(hù)阻力,還需要將支架支護(hù)效率μ考慮在內(nèi).因此,工作面支架的工作阻力為:

將頂板初次來(lái)壓和周期來(lái)壓的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,參考最大值指導(dǎo)工作面支架的選型.

2.2 數(shù)值模擬分析

2.2.1 模型建立及參數(shù)設(shè)置

為研究峰叢地貌淺埋煤層開(kāi)采上覆巖層移動(dòng)和煤層頂板破壞規(guī)律,利用FLAC3D有限元分析軟件建立了數(shù)值計(jì)算模型.模型總長(zhǎng)600 m,非地表起伏部分高度為110 m,峰叢高度為110 m.根據(jù)工作面推進(jìn)方向與地表地形對(duì)應(yīng)情況,將開(kāi)采階段依次分為向谷段開(kāi)采、谷底段開(kāi)采、背谷段開(kāi)采.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果,1306工作面上覆巖層及該煤層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

2.2.2 開(kāi)挖過(guò)程中模型垂直應(yīng)力與垂向位移分析

工作面推進(jìn)至谷溝段上覆巖層垂直應(yīng)力分布如圖4所示.

圖4 開(kāi)采過(guò)程中垂直應(yīng)力變化

由圖4可知:工作面推進(jìn)過(guò)程中,在煤層及上覆巖層前方出現(xiàn)應(yīng)力集中,煤壁壓力較大.上覆巖層的支撐壓力分布受峰叢地貌地表起伏影響明顯,呈與地表起伏變化相一致的現(xiàn)象.且礦壓顯現(xiàn)劇烈程度呈現(xiàn)“背谷段＞向谷段＞谷底段”的特征.

隨工作面推進(jìn)上覆巖層垂直位移量和垂直應(yīng)力分布如圖5所示.由圖5可知:當(dāng)工作面由向谷段向谷底段推進(jìn)時(shí),支架壓力和覆巖下沉量逐漸減小;隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn),支架支護(hù)阻力和覆巖下沉量在工作面由谷底段進(jìn)入背谷段時(shí),呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì);而向谷段數(shù)值整體低于背谷段.由此可知工作面開(kāi)采過(guò)谷溝段過(guò)程中,背谷段相比向谷段與谷底段需要提供更大支護(hù)阻力才能保證頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,因此工作面支架選型需將背谷段作為主要參考,加強(qiáng)此段礦壓檢測(cè)預(yù)報(bào)和工作面支護(hù).

圖5 工作面垂直位移量和垂直應(yīng)力分布

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

在1306工作面開(kāi)采期間,采用額定工作阻力33.5 MPa的ZY340/12/28型液壓支架和ZYG 3400/13/32型排頭支架進(jìn)行支護(hù),采用KBJ－60Ⅲ－1礦用數(shù)字單體支柱阻力計(jì)分別對(duì)工作面上、中、下3個(gè)區(qū)域的支護(hù)阻力進(jìn)行監(jiān)測(cè).圖6為開(kāi)采期間中部8＃液壓支架工作阻力變化曲線.

圖6 過(guò)峰叢地貌開(kāi)采工作面支架工作阻力曲線

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明:

(1)工作面初次來(lái)壓與周期來(lái)壓期間,礦壓顯現(xiàn)劇烈程度呈現(xiàn)中部最強(qiáng),下部稍弱,上部最弱的變化趨勢(shì).

(2)背谷開(kāi)采階段頂板平均來(lái)壓步距為25.66 m,向谷開(kāi)采階段平均來(lái)壓步距為30.14 m,背谷段來(lái)壓步距明顯小于向谷段.

(3)工作面經(jīng)過(guò)峰叢地貌開(kāi)采時(shí),總體平均工作阻力為23.64 MPa,向谷段、谷底段、背谷段平均工作阻力分別為23.88,22.52,24.35 MPa.支架工作阻力變化趨勢(shì)與地表起伏情況對(duì)應(yīng)明顯,呈現(xiàn)“背谷段＞向谷段＞谷底段”特點(diǎn)分布,與數(shù)值模擬結(jié)果相一致.工作面初次來(lái)壓和周期來(lái)壓時(shí),支架最大工作阻力大幅增加,多次超過(guò)其額定工作阻力33.5 MPa,支架安全閥多次開(kāi)啟,與理論分析結(jié)論相互驗(yàn)證一致.

峰叢地貌下工作面推進(jìn)期間,未發(fā)生冒頂和支架壓死等現(xiàn)象,說(shuō)明在工作面支架選型時(shí),結(jié)合理論分析與數(shù)值模擬結(jié)果,將峰叢地貌對(duì)頂板載荷分布影響特別是背谷段開(kāi)采作為重要參考是合理的.

4 結(jié) 論

(1)基于峰叢地貌淺埋煤層工作面上覆巖層礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和頂板破斷特征的分析,結(jié)合發(fā)耳礦區(qū)1306工作面淺埋煤層地質(zhì)條件,建立了峰叢地貌下淺埋煤層開(kāi)采基本頂來(lái)壓期間“支架－圍巖”相互作用關(guān)系模型.計(jì)算得出控制初次來(lái)壓和周期來(lái)壓頂板結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)的支護(hù)阻力,并對(duì)“支架－圍巖”相互作用關(guān)系進(jìn)行了分析.

(2)采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析了工作面過(guò)山地溝谷段時(shí)煤巖體垂向應(yīng)力和垂直位移量的變化規(guī)律,得出了礦壓顯現(xiàn)劇烈程度呈現(xiàn)“背谷段＞向谷段＞谷底段”的特征,應(yīng)將背谷段開(kāi)采作為確定支架合理工作阻力的主要參考依據(jù).

[1] 黃慶享.淺埋煤層長(zhǎng)壁開(kāi)采頂板結(jié)構(gòu)及巖層控制研究[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2000.

[2] 黃慶享.淺埋煤層的礦壓特征與淺埋煤層定義[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002,21(8):1174G1177.

[3] 王旭鋒.沖溝發(fā)育礦區(qū)淺埋煤層采動(dòng)坡體活動(dòng)機(jī)理及其控制研究[D].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2009.

[4] 黃慶享.淺埋煤層長(zhǎng)壁開(kāi)采頂板結(jié)構(gòu)理論與支護(hù)阻力確定[J].礦山壓力與頂板管理,2002,19(1):70G72.

[5] 黃慶享,胡火明,劉玉衛(wèi),等.淺埋煤層工作面液壓支架工作阻力的確定[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2002,6(3):304G307.

[6] 錢(qián)鳴高,石平五.礦山壓力及其控制[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2003.

[7] 侯忠杰,吳文湘,肖 民.厚土層薄基巖淺埋煤層“支架－圍巖”關(guān)系實(shí)驗(yàn)研究[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,22(1):9G12.

[8] 劉國(guó)磊.山地淺埋煤層開(kāi)采覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律與結(jié)構(gòu)特征研究[D].青島:山東科技大學(xué),2010.

[9] 劉國(guó)磊,樊克恭,肖同強(qiáng).山地淺埋煤層工作面支架合理工作阻力研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2012,8(05):1034G1040.

[10] 王旭峰,張東升,張 煒,等.沙土質(zhì)型沖溝發(fā)育區(qū)淺埋煤層長(zhǎng)壁開(kāi)采支護(hù)阻力的確定[J].煤炭學(xué)報(bào),2013,38(2):194G 198.

[11] 王方田,屠世浩,張艷偉,等.沖溝地貌下淺埋煤層開(kāi)采礦壓規(guī)律及頂板控制技術(shù)[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2015,32(06):877G882.