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        大傾角大采高工作面煤矸互層頂板漏冒規(guī)律研究

        2020-12-22 02:29:50伍永平楊文斌解盤(pán)石劉旺海
        煤炭工程 2020年12期
        關(guān)鍵詞:冒頂煤壁阻力

        伍永平,楊文斌,解盤(pán)石,劉旺海

        (1.西安科技大學(xué) 西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054;2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院,陜西 西安 710054)

        近年來(lái),大傾角煤層開(kāi)采在理論研究、裝備研制和技術(shù)應(yīng)用方面均取得長(zhǎng)足進(jìn)步[1],實(shí)現(xiàn)了特定條件下大傾角煤層走向長(zhǎng)壁機(jī)械化開(kāi)采,如四川綠水洞、甘肅東峽煤礦、新疆焦煤集團(tuán)2130煤礦等。同時(shí),有關(guān)大傾角煤層開(kāi)采技術(shù)的研究也在向更深層次的領(lǐng)域擴(kuò)展,如大傾角大采高采煤工藝、偽斜開(kāi)采方法等[2]。針對(duì)大傾角大采高綜采面圍巖運(yùn)動(dòng)特征[3,4],許多學(xué)者運(yùn)用理論分析、物理相似模擬實(shí)驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等諸多方法,研究分析了工作面覆巖活動(dòng)規(guī)律[5]、煤壁受載變形特征[6,7]、支架穩(wěn)定性[8,9]等關(guān)鍵問(wèn)題。

        針對(duì)工作面回采過(guò)程中的冒頂事故,部分學(xué)者通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法進(jìn)行了大量研究。如范彥陽(yáng)等[10]建立了頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)體系和冒頂隱患分區(qū)預(yù)測(cè)模型對(duì)工作面冒頂進(jìn)行分區(qū)預(yù)測(cè)。段昌晨等[11]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法探究了綜采工作面頂板漏冒機(jī)理,發(fā)現(xiàn)工作面漏冒事故的發(fā)生與支架結(jié)構(gòu)、支架的初撐力、工人操作水平以及工作面超前支承壓力影響等綜合因素有關(guān)。劉前進(jìn)等[12]通過(guò)理論分析得出大采高工作面由于采高過(guò)大導(dǎo)致煤壁片幫,從而誘發(fā)工作面冒頂事故。對(duì)于工作面冒頂事故的防治與處理,國(guó)內(nèi)學(xué)者提出了許多控制措施[15-17],主要有煤壁破碎區(qū)加固,頂板漏冒區(qū)充填,以及支架前方采用“鋼梁+板梁”進(jìn)行封頂?shù)确椒?。而?duì)于巷道頂板變形特征、冒頂機(jī)理[18-20]、巷道冒頂防控技術(shù)[21,22]國(guó)內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了相關(guān)研究。

        綜上所述,由于煤層賦存條件的天然性差異,普適性理論無(wú)法適用于特殊煤層的安全高效開(kāi)采。特別是大傾角大采高煤矸互層頂板條件下,頂板變形破壞、圍巖周期性應(yīng)力演化對(duì)于工作面漏冒的響應(yīng)行為亟需更深層次的研究。因此,本文在已有研究工作基礎(chǔ)上,以新疆焦煤集團(tuán)2130煤礦25222工作面為工程背景,采用理論分析、物理相似材料模擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法,對(duì)大傾角大采高工作面煤矸互層頂板的破壞與漏冒特征、應(yīng)力分布與演化規(guī)律進(jìn)行研究,分析得出該類(lèi)工作面頂板架前漏冒規(guī)律及主要影響因素,并在此基礎(chǔ)上,提出工作面煤矸互層冒頂?shù)姆揽卮胧瑸榻鉀Q該類(lèi)煤層采場(chǎng)巖層控制關(guān)鍵技術(shù)難題提供借鑒。

        1 工程概況

        新疆焦煤集團(tuán)2130煤礦25222工作面位于5#煤層,處于15#溝以西,16#溝以東153m,地表高山溝壑,呈東西狹長(zhǎng)分布,西高東低。開(kāi)采標(biāo)高為+1960~+2054m,煤層埋深在152~225m之間(平均190m)。工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)1890m,工作面斜長(zhǎng)105m。煤層傾角35°~46°,平均44°?;夭煞秶鷥?nèi)煤層厚度9.14~13.27m,平均10.01m。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,煤層頂部區(qū)域?yàn)?~5層煤矸互層,厚度為1.91~4.2m,煤質(zhì)較差;底部區(qū)域煤質(zhì)較好,煤層厚度4.2~7.8m,平均6.8m。25222工作面采用綜合機(jī)械化一次采全高工藝,沿煤矸互層頂板開(kāi)采,采高4.5m,預(yù)留2.3m底煤。煤層頂?shù)装迩闆r如圖1所示。

        圖1 煤巖層綜合柱狀

        由于煤矸互層頂板易碎易漏的特點(diǎn),該工作面回采工藝主要采用“留三角煤斜切進(jìn)刀—采煤機(jī)下行割煤—拉架—采煤機(jī)上行清浮煤—推溜”的作業(yè)循環(huán),盡量減少煤矸互層頂板端面空頂時(shí)間。

        2 煤矸互層頂板變形破壞規(guī)律研究

        2.1 物理相似模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)P?/h3>

        結(jié)合2130煤礦5#煤層地質(zhì)條件,依據(jù)相似定律,參照相似模型與地質(zhì)原型各參數(shù)之間的關(guān)系,采用不同相似材料配比,搭建沿工作面走向的物理相似模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)P?。選取河沙作為骨料,石膏、大白粉作為粘結(jié)材料,云母粉作為分層材料。模型幾何相似常數(shù)C1=100,容重相似常數(shù)Cγ=1.6,應(yīng)力相似常數(shù)Cσ=160,載荷相似常數(shù)CF=1.6×106,時(shí)間相似常數(shù)Cτ=10,按照柱狀圖和設(shè)計(jì)比例填裝模型,對(duì)未填裝的覆巖(模型尺寸約40cm)部分采用等效載荷方法。煤巖力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

        表1 煤巖力學(xué)參數(shù)

        相似模型鋪設(shè)尺寸長(zhǎng)×高×寬=300cm×150cm×20cm,工作面開(kāi)采200cm,左右各留50cm邊界煤柱。相似模型如圖2所示。

        圖2 模型巖層特性

        2.2 頂板垮落及漏冒特征

        當(dāng)工作面推進(jìn)至48cm時(shí),移架過(guò)程中基本頂初次來(lái)壓,基本頂垮落,垮落高度為11cm,頂板懸露長(zhǎng)度為35.5cm,前垮落角62°,后垮落角47°。上覆巖層發(fā)生破斷運(yùn)移,發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn),對(duì)煤矸互層頂板產(chǎn)生一定擠壓作用,導(dǎo)致煤巖體破碎程度大,垮落后塊度較小,采空區(qū)下部充填密實(shí)。

        當(dāng)工作面推進(jìn)至74cm時(shí),頂板巖層垮落高度和4#煤層采空區(qū)貫通,頂板巖層垮落高度35.5cm,頂板懸露長(zhǎng)度為50.5cm,前垮落角62°,后垮落角59°。直接頂?shù)膽衣堕L(zhǎng)度與懸露高度較初次來(lái)壓時(shí)明顯增大,前垮落角不變,后垮落角增大,基本頂發(fā)生破斷、回轉(zhuǎn),與上次來(lái)壓時(shí)斷裂垮落的巖層形成鉸接結(jié)構(gòu),對(duì)煤矸互層擠壓作用增加,支架上方煤矸互層頂板出現(xiàn)豎直裂隙,煤矸互層下部夾矸小幅度向下彎曲。當(dāng)工作面割煤結(jié)束后,豎直裂隙逐漸向基本頂發(fā)育,煤矸互層在支架頂梁附近斷裂。在移架過(guò)程中,斷裂煤巖體在支架后方垮落,部分未垮落夾矸堆積在支架上方,支架處于“偽空頂”狀態(tài),煤矸互層下部夾矸沿工作面前方煤壁破碎,在工作面空頂區(qū)發(fā)生架前漏冒。

        2.3 采場(chǎng)應(yīng)力分布與演化特征

        2.3.1 支承壓力分布規(guī)律

        沿工作面走向,支承壓力隨工作面推進(jìn)發(fā)生變化,選取基本頂初次來(lái)壓以及4次冒頂時(shí)工作面周期性來(lái)壓的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行研究,通過(guò)來(lái)壓期間壓力傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映工作面煤壁支承壓力,如圖3所示。

        圖3 走向支承壓力分布

        由圖3可以看出,在工作面回采過(guò)程中,煤壁前方的支承壓力迅速達(dá)到峰值,進(jìn)入煤體深部后逐漸趨于原巖應(yīng)力。距開(kāi)切眼48cm處,工作面初次來(lái)壓,支承壓力影響范圍為30cm,峰值位于工作面前方23cm處,為9.6MPa。當(dāng)工作面推進(jìn)至74cm時(shí),支承壓力峰值達(dá)到11.6MPa,隨著煤體受壓逐漸劣化,超前支承壓力向煤壁深處轉(zhuǎn)移,距工作面前方8cm處,煤壁發(fā)生片幫,支架空頂區(qū)部分煤巖體沿煤壁片幫處漏冒。

        表2 不同推進(jìn)度下支承壓力特征

        由表2可知,4次周期來(lái)壓過(guò)程中,支承壓力峰值為10.7~15.5MPa,逐漸增加;應(yīng)力集中系數(shù)為2.31~3.35,逐漸增大;支承壓力影響范圍為31~52cm,支承壓力峰值距工作面的距離為8~20cm。這表明工作面前方支承壓力隨著工作面的推進(jìn)逐漸遞增,應(yīng)力集中度逐漸增大,支承壓力增壓區(qū)不斷向工作面前方轉(zhuǎn)移,煤壁受超前支承壓力的影響逐漸劣化。

        2.3.2 支架支護(hù)阻力變化特征

        支架工作阻力與工作面推進(jìn)距離的關(guān)系,如圖4所示。工作面推進(jìn)過(guò)程中,支架初撐力主要分布于4000~6000kN,平均值為4867.78kN,循環(huán)末工作阻力分布于6000~7000kN,平均值為6408.73kN;支架初撐力約為支架工作阻力的76%,支架支護(hù)強(qiáng)度不足。

        圖4 支架工作阻力與工作面推進(jìn)距離的關(guān)系

        受4#煤層采動(dòng)影響,工作面部分區(qū)域來(lái)壓現(xiàn)象不明顯,基本頂初次來(lái)壓步距為48cm,周期來(lái)壓步距為10~18cm。工作面正常推進(jìn)及來(lái)壓期間支架工作阻力分布見(jiàn)表3。

        表3 頂板周期來(lái)壓特征

        由表3分析可知,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,工作面基本頂周期來(lái)壓期支架平均工作阻力為6808.6kN,正常開(kāi)采時(shí)為6553.4kN,來(lái)壓時(shí)工作面支架平均支護(hù)阻力增大,增載系數(shù)均值為1.05。這表明工作面來(lái)壓時(shí),支承壓力從煤體向支架傳遞,主要由支架承擔(dān)。工作面推進(jìn)至74cm,發(fā)生冒頂前,支架工作阻力急劇增加,達(dá)到7150kN,增載系數(shù)為1.09,支架頂梁上方煤矸互層受基本頂應(yīng)力與支架支撐作用而擠壓破碎,形成煤巖體破碎區(qū),由于煤矸互層破碎,基本頂載荷無(wú)法傳遞給支架,而是被前方煤壁承擔(dān),此時(shí),支架工作阻力為5934kN,有所減小。因此,工作面發(fā)生冒頂前后,支架工作阻力呈急劇增大—逐漸減小的趨勢(shì)。

        2.3.3 煤矸互層漏冒時(shí)工作面應(yīng)力演化特征

        當(dāng)工作面推進(jìn)至74cm回采時(shí),由支架工作阻力變化特征與支承壓力演化規(guī)律分析可知,煤矸互層頂板漏冒時(shí)支架與煤矸互層頂板、煤壁的相互作用關(guān)系見(jiàn)表4。

        工作面推進(jìn)至74cm割煤后,支架支護(hù)阻力逐漸增加,為6733kN;工作面前方5.6cm處煤壁支承壓力為7.8MPa,相對(duì)較小。

        表4 煤矸互層漏冒時(shí)工作面應(yīng)力演化特征

        移架過(guò)程中,由于煤矸互層頂板硬度小、易離層,受覆巖壓力與支架反復(fù)支撐作用在支架上方斷裂;移架后,支架上方為斷裂煤巖體,支護(hù)阻力為6545kN;支承壓力向工作面前方煤體轉(zhuǎn)移,在工作面前方8cm處煤壁超前支承壓力峰值達(dá)到9.5MPa。

        冒頂前,支架支護(hù)阻力急劇增加,達(dá)到7150kN時(shí)支架上方斷裂煤巖體離層破碎;此后支架工作阻力又逐漸減小,煤壁支承壓力急劇增大,在距工作面7cm處,煤壁支承壓力峰值為10.7MPa,煤矸互層頂板超前斷裂,此范圍內(nèi)煤體逐漸劣化。

        當(dāng)煤體劣化程度達(dá)到煤壁極限抗剪強(qiáng)度時(shí)發(fā)生片幫,破碎煤巖體在支架前方空頂區(qū)沿煤壁片幫處漏冒。漏冒后支架支護(hù)阻力逐漸減小,為6962kN;工作面前方9cm處煤壁支承壓力為7.3MPa,逐漸減小。

        3 煤矸互層頂板冒頂規(guī)律

        在大傾角大采高煤層開(kāi)采中,工作面頂板周期來(lái)壓時(shí),圍巖運(yùn)動(dòng)的幅度和劇烈程度比一般煤層更大,煤矸互層頂板漏冒主要發(fā)生在支架前方,其具體過(guò)程為:煤矸互層頂板受壓斷裂—出現(xiàn)離層—頂板破碎—煤壁片幫—架前漏冒。

        圖5 煤矸互層頂板漏冒過(guò)程

        工作面回采過(guò)程中,煤矸互層頂板受覆巖應(yīng)力及支承壓力的作用,當(dāng)超過(guò)其自承能力時(shí),在支架上方發(fā)生斷裂。如圖5(a)所示;由于煤矸互層頂板較一般直接頂硬度小、完整性差,工作面移架過(guò)程中,煤矸互層頂板臺(tái)階下沉,出現(xiàn)離層,此時(shí),支架工作阻力急劇增加。如圖5(b)所示。當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn),部分懸空基本頂將應(yīng)力全部作用在直接頂上,在基本頂及其上覆巖層應(yīng)力作用下,直接頂將在支架后方斷裂破碎;隨著基本頂懸頂長(zhǎng)度增大,工作面應(yīng)力也隨之增大,達(dá)到一定長(zhǎng)度后回轉(zhuǎn)失穩(wěn)、斷裂垮落,煤矸互層在覆巖壓力與支架反復(fù)支撐作用下全部破碎,破碎矸石堆積在支架頂梁上方形成破碎區(qū),基本頂巖層載荷無(wú)法傳遞給支架,而是由前方煤壁承擔(dān),煤壁超前支承壓力急劇增大,應(yīng)力集中,造成超前頂板壓裂。如圖5(c)所示。而工作面前方支承壓力增大也會(huì)導(dǎo)致煤壁壓酥,當(dāng)超過(guò)其抗剪強(qiáng)度時(shí),發(fā)生片幫,此時(shí)進(jìn)行割煤以及移架時(shí),會(huì)導(dǎo)致破碎夾矸及煤壁上部片幫煤體從梁端和架間的空隙泄露,進(jìn)而快速擴(kuò)展,導(dǎo)致冒頂,如圖5(d)所示。

        由圖5分析可知,導(dǎo)致煤矸互層頂板架前漏冒的主要原因:①煤矸互層頂板硬度小、易破碎;②工作面前方煤壁因采高及頂板劇烈下沉的影響,導(dǎo)致來(lái)壓時(shí)支承壓力疊加增大而逐漸劣化、容易片幫;③工作面回采過(guò)程中,支架支護(hù)初撐力不足,加劇了煤矸互層頂板的破碎程度。

        4 基于頂板下沉量計(jì)算的冒頂防控措施

        由工作面煤矸互層頂板漏冒規(guī)律分析可知,頂板漏冒與頂板懸露、煤壁、支架等有直接關(guān)系,因此對(duì)煤矸互層漏冒前,頂板受載特征進(jìn)行分析,并對(duì)此時(shí)頂板下沉量進(jìn)行計(jì)算,得到煤矸互層漏冒的臨界頂板下沉量,如圖6所示。

        圖6 煤矸互層漏冒前頂板懸露的瞬時(shí)受載

        由圖6可列出基本頂極限平衡力矩公式:

        式中,q為基本頂上覆巖層作用載荷,kN;L為基本頂極限破斷步距,m;γ為基本頂容,kN/m3;h為基本頂厚度,m;P1為煤壁支承壓力,MPa;L1為煤壁支承壓力到破斷點(diǎn)的距離,m;P2為支架工作阻力,kN;L2為支架等效作用載荷到破斷點(diǎn)的距離,m;T為基本頂破斷巖塊間水平擠壓作用力,kN;S0為頂板下沉量,mm。

        根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[23],通過(guò)式(2)、(3)計(jì)算得出T、q。

        再將式(2)、式(3),帶入式(1),可得:

        再將工作面推進(jìn)至74m來(lái)壓時(shí)各數(shù)值帶入式(4),計(jì)算結(jié)果為:

        S0=1340mm

        由于煤矸互層頂板易離層,本身破碎程度較大,工作面頂板的實(shí)際下沉量大于上述計(jì)算所得的下沉量;根據(jù)實(shí)驗(yàn)位移監(jiān)測(cè),煤矸互層漏冒前,頂板下沉量為1500mm,基本頂發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn)。為減小冒頂事故的發(fā)生,頂板下沉量應(yīng)接近或小于S0。

        因此,對(duì)于頂板冒頂防治提出以下措施:①對(duì)控頂距大的地方及時(shí)支護(hù),可以采用帶壓移架的方式,減小頂板端面懸露長(zhǎng)度;②提高支架的實(shí)際初撐力,保證支架的支護(hù)效果;③采用煤壁預(yù)加固技術(shù)提高煤壁穩(wěn)定性。

        5 結(jié) 論

        1)工作面支架上方煤矸互層頂板裂隙隨著來(lái)壓效應(yīng)不斷發(fā)育,最終導(dǎo)致煤矸互層在支架上方斷裂;移架時(shí),煤矸互層出現(xiàn)離層;隨工作面推進(jìn),基本頂斷裂、回轉(zhuǎn),支架上方發(fā)生離層的煤矸層受壓破碎。

        2)煤矸互層頂板漏冒多發(fā)生于工作面來(lái)壓期間。來(lái)壓時(shí),隨支架工作阻力增大,煤矸互層頂板受基本頂與支架擠壓作用,達(dá)到承壓極限時(shí)破壞斷裂,當(dāng)支架支護(hù)作用減弱時(shí),支承壓力向煤壁深處轉(zhuǎn)移,煤壁支承壓力逐漸增大,工作面前方煤壁性能劣化,發(fā)生片幫,煤矸互層頂板發(fā)生架前漏冒。

        3)通過(guò)帶壓移架、提高支架支護(hù)初撐力、提高煤壁穩(wěn)定性等措施可有效防控工作面冒頂事故。

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