郎 琦

1煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 北京 100013

2煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100013

3北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心 北京 100013

受采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)影響，煤層開(kāi)采后將引起上覆巖層移動(dòng)、斷裂與跨落[1-2]。對(duì)于復(fù)雜不穩(wěn)定煤巖開(kāi)采來(lái)壓規(guī)律和頂板垮斷機(jī)理，由于區(qū)域條件差異，因素復(fù)雜多變，無(wú)法建立統(tǒng)一模型，研究者少。復(fù)雜不穩(wěn)定煤巖開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)變化大，規(guī)律不易總結(jié)，需頂板垮斷機(jī)理解釋和指導(dǎo)。當(dāng)前，大型礦區(qū)正在綜放開(kāi)采煤巖較復(fù)雜的石炭系[3-4]，研究復(fù)雜不穩(wěn)定煤巖綜放開(kāi)采頂板垮斷機(jī)理具有理論和現(xiàn)實(shí)意義。

筆者以同發(fā)東周窯礦復(fù)雜不穩(wěn)定煤巖綜放開(kāi)采實(shí)測(cè)不規(guī)則礦壓規(guī)律為切入點(diǎn)，通過(guò)理論分析，提出了該礦復(fù)雜不穩(wěn)定煤巖綜放開(kāi)采頂板垮斷機(jī)理，從理論上解釋了該區(qū)特殊礦壓規(guī)律，對(duì)復(fù)雜不穩(wěn)定煤巖頂板垮斷機(jī)理進(jìn)行了探索，可為類似礦井提供借鑒，具有一定現(xiàn)實(shí)和理論意義。

1 復(fù)雜不穩(wěn)定煤巖結(jié)構(gòu)

以同發(fā)東周窯礦 8100 綜放面為研究對(duì)象。該礦采用頂板全部垮落法，“一刀一放”多輪間隔放煤，機(jī)采高度為 3.2 m，循環(huán)進(jìn)度為 0.8 m。

1.1 復(fù)雜不穩(wěn)定煤層結(jié)構(gòu)

(1)純煤層 厚度為 5.8～7.9 m，厚度不穩(wěn)定。

(2)夾矸煤層 3～9 層泥巖夾石，層數(shù)不穩(wěn)定；單層夾石厚度為 0.1～2.5 m，厚度不穩(wěn)定。

(3)巖石侵入煤層 局部被煌斑巖侵入，嚴(yán)重時(shí)侵入長(zhǎng)度占工作面的 60%，最厚達(dá) 3 m。

1.2 復(fù)雜不穩(wěn)定頂板結(jié)構(gòu)

(1)直接頂 泥巖，厚度為 1.67～6.94 m，厚度不穩(wěn)定，分區(qū)厚度差別大，平均厚度為 5.03 m，較厚。

(2)基本頂 中粗砂巖，厚度為 12.9～26.7 m，厚度不穩(wěn)定，分區(qū)厚度差別大，平均厚度為 19.8 m，較厚。

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析

采用頂板監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連續(xù)記錄支架工作阻力，設(shè) 9個(gè)監(jiān)測(cè)站，以各監(jiān)測(cè)站每天加權(quán)平均工作阻力、加權(quán)平均循環(huán)末阻力的平均值與其各自均方差之和作為來(lái)壓判據(jù)[5-6]。以 38 號(hào)支架處的 2 號(hào)站為例，每天平均工作阻力和循環(huán)末工作阻力、來(lái)壓判據(jù)如圖 1 所示。

圖1 2 號(hào)監(jiān)測(cè)站來(lái)壓曲線Fig.1 Pressure curve of monitoring station 2

筆者根據(jù)各次來(lái)壓強(qiáng)度劃分為小來(lái)壓和大來(lái)壓，分別用垂直橫軸的細(xì)豎線和粗豎線表示，用動(dòng)壓系數(shù)[7]表示強(qiáng)度，由來(lái)壓位置得出步距。分別統(tǒng)計(jì)了開(kāi)始監(jiān)測(cè)階段各監(jiān)測(cè)站大來(lái)壓動(dòng)壓系數(shù)和大、小來(lái)壓的步距，如表 1、2 所列。

表1 大來(lái)壓初次來(lái)壓與周期來(lái)壓動(dòng)壓系數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of first occurrence of large pressure and dynamic pressure coefficient of periodical pressure

表2 各監(jiān)測(cè)站大、小來(lái)壓步距統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of step distance of large and slight pressure of various monitoring stations m

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析可知，各站來(lái)壓次數(shù)、各次來(lái)壓強(qiáng)度、步距相差較大。

(1)小來(lái)壓 平均初次來(lái)壓步距為 37 m，周期來(lái)壓步距為 7～37 m，平均周期來(lái)壓步距為 18 m。

(2)大來(lái)壓 平均初次來(lái)壓步距為 97 m，平均初次來(lái)壓動(dòng)壓系數(shù)為 1.673；周期來(lái)壓步距范圍為 30～83 m，平均周期來(lái)壓步距為 44 m，平均周期來(lái)壓動(dòng)壓系數(shù)為 1.508；初次來(lái)壓動(dòng)壓系數(shù)范圍為 1.38～2.10，周期來(lái)壓動(dòng)壓系數(shù)范圍為 1.1～2.0。

3 理論計(jì)算與分析

3.1 理論計(jì)算

經(jīng)典理論把頂板初次和周期垮斷分別看作固支和懸臂巖梁 (直接頂薄時(shí)自然垮落)，初次垮斷步距L0和周期垮斷步距L1分別為[6-8]

式中：h為頂厚；Rt為抗拉強(qiáng)度；q為單位長(zhǎng)頂重；γ為容重。

對(duì)于直接頂，Rt=2.5 MPa，γ=26 kN/m3；對(duì)于基本頂，Rt=7 MPa，γ=24 kN/m3，計(jì)算得頂板垮斷步距如表 3、4 所列。

表3 直接頂垮斷步距統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of step distance of direct roof caving m

表4 基本頂垮斷步距統(tǒng)計(jì)Tab.4 Statistics of step distance of basic roof caving m

3.2 理論與實(shí)測(cè)對(duì)比分析

實(shí)測(cè)小來(lái)壓和大來(lái)壓平均初次來(lái)壓步距、最大和最小初次來(lái)壓步距、平均周期來(lái)壓步距、最小周期來(lái)壓步距，分別與理論計(jì)算值接近或相差不大。

實(shí)測(cè)小來(lái)壓和大來(lái)壓最大周期來(lái)壓步距、各次周期來(lái)壓步距，分別與理論計(jì)算值相差較大。

由此看出，在簡(jiǎn)單地質(zhì)條件下，理論計(jì)算頂板垮斷步距與實(shí)測(cè)各來(lái)壓步距相差不大，各監(jiān)測(cè)站實(shí)測(cè)來(lái)壓次數(shù)、強(qiáng)度和步距變化不大，可用平均值代表工作面來(lái)壓特征；在復(fù)雜地質(zhì)條件下，理論計(jì)算頂板平均周期垮斷步距與實(shí)測(cè)各次周期來(lái)壓步距相差較大，理論計(jì)算頂板最大周期垮斷步距比實(shí)測(cè)最大周期來(lái)壓步距小得多，各監(jiān)測(cè)站來(lái)壓次數(shù)、來(lái)壓強(qiáng)度和步距相差較大。

4 頂板垮斷機(jī)理及類型劃分

根據(jù)以上監(jiān)測(cè)結(jié)果和理論分析，筆者將復(fù)雜不穩(wěn)定頂煤垮落方式劃分為 8 個(gè)類型，如圖 2 所示。

(1)Ⅰ型 基本頂較薄-直接頂較薄-頂煤無(wú)厚巖型?；卷攽冶哿菏綉翼敇O限斷裂。大來(lái)壓步距和強(qiáng)度較小。

圖2 復(fù)雜不穩(wěn)定頂煤垮落方式類型Fig.2 Complex unstable roof coal caving types

(2)Ⅱ 型 基本頂較薄-直接頂較薄-頂煤有厚巖型。頂煤厚巖對(duì)頂板有限支撐，基本頂斷裂略微加長(zhǎng)。大來(lái)壓步距和強(qiáng)度略有增大。

(3)Ⅲ 型 基本頂較薄-直接頂較厚-頂煤無(wú)厚巖型。上位直接頂小懸板，對(duì)基本頂支撐，基本頂斷裂略微加長(zhǎng)。大來(lái)壓步距和強(qiáng)度略有增大。

(4)Ⅳ 型 基本頂較薄-直接頂較厚-頂煤有厚巖型。頂煤骨架-厚直接頂三階組合支撐結(jié)構(gòu)，對(duì)基本頂支撐，基本頂斷裂加長(zhǎng)。大來(lái)壓步距和強(qiáng)度增大。

(5)Ⅴ 型 基本頂較厚-直接頂較薄-頂煤無(wú)厚巖型。基本頂分層斷裂，下、上位基本頂形成 2 個(gè)長(zhǎng)度不同階梯狀懸頂結(jié)構(gòu)，上位基本頂斷裂有所加長(zhǎng)。產(chǎn)生 2 次大來(lái)壓，下位步距和強(qiáng)度較小，上位步距和強(qiáng)度適當(dāng)加大。

(6)Ⅵ 型 基本頂較厚-直接頂較薄-頂煤有厚巖型。頂煤厚巖對(duì)頂板支撐，基本頂分層斷裂，形成下、上位 2 個(gè)長(zhǎng)度不同階梯狀懸頂結(jié)構(gòu)，下、上位基本頂斷裂略微加長(zhǎng)。產(chǎn)生 2 次大來(lái)壓，下位步距和強(qiáng)度適當(dāng)加大，上位步距和強(qiáng)度明顯增大。

(7)Ⅶ 型 基本頂較厚-直接頂較厚-頂煤無(wú)厚巖型。上位直接頂小懸板，對(duì)基本頂支撐，基本頂分層斷裂，形成下、上位 2 個(gè)長(zhǎng)度不同階梯狀懸頂結(jié)構(gòu)，下、上位基本頂斷裂略微加長(zhǎng)。產(chǎn)生 2 次大來(lái)壓，下位步距和強(qiáng)度適當(dāng)加大，上位步距和強(qiáng)度明顯增大。

(8)Ⅷ 型 基本頂較厚-直接頂較厚-頂煤有厚巖型。頂煤骨架-厚直接頂三階組合支撐結(jié)構(gòu)對(duì)基本頂支撐，基本頂分層斷裂，形成下、上位 2 個(gè)長(zhǎng)度不同階梯狀懸頂結(jié)構(gòu)。以上 2 個(gè)結(jié)構(gòu)組成頂煤骨架-厚直接頂-下上位基本頂 5 階組合支撐結(jié)構(gòu)，下、上位基本頂斷裂大大加長(zhǎng)。產(chǎn)生 2 次大來(lái)壓，步距和強(qiáng)度均大大增加。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)來(lái)壓強(qiáng)度和頂板斷裂分析，劃分了大、小來(lái)壓，直接頂垮落引起小來(lái)壓，基本頂斷裂引起大來(lái)壓。

(2)復(fù)雜不穩(wěn)定煤巖綜放開(kāi)采來(lái)壓不規(guī)則。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和來(lái)壓分析，提出了 8 種頂板斷裂類型，8種斷裂類型步距相差較大，造成各監(jiān)測(cè)站大來(lái)壓次數(shù)、各次大來(lái)壓步距與強(qiáng)度相差較大。

(3)復(fù)雜不穩(wěn)定煤巖綜放，用平均值作標(biāo)準(zhǔn)預(yù)報(bào)礦壓，與實(shí)際差距大。因此，要在實(shí)測(cè)基礎(chǔ)上，在垮斷機(jī)理指導(dǎo)下，綜合分析各區(qū)特征、各次來(lái)壓位置及時(shí)間，才能對(duì)各區(qū)分類進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。