杜同生

（中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院江蘇徐州221008）

特厚煤層綜放開采工作面覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究

杜同生

（中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院江蘇徐州221008）

針對(duì)大同塔山煤礦石炭二疊紀(jì)特厚（9.8 m～29.21 m）煤層復(fù)雜地質(zhì)條件，運(yùn)用礦壓理論分析和現(xiàn)場礦壓觀測的方法對(duì)綜放開采工作面覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析研究。通過對(duì)兩種方法所得工作面初次來壓和周期來壓等結(jié)果的對(duì)比，分析得出存在差異的原因。

特厚煤層；綜放開采；覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律；礦壓觀測

0 引言

大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司是全國煤炭行業(yè)的特大型企業(yè)之一，現(xiàn)有石炭二疊系的大同、寧武、朔南、河?xùn)|4個(gè)煤田，煤炭儲(chǔ)量高達(dá)900億t。首采塔山煤礦，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為15 Mt/a，是同煤集團(tuán)開采二疊系煤層的首建礦井。塔山井田面積達(dá)174.2 km2，礦井可采儲(chǔ)量達(dá)31億t，主采煤層3#～5#厚度為11.1 m～31.7 m（平均19.4 m），變化幅度較大，含有6層～11層夾矸，最大厚度達(dá)0.6 m；煤層多有火成巖侵入；煤層與頂板都受到不同程度的破壞，類似地質(zhì)條件下綜放開采礦壓規(guī)律研究較少，無經(jīng)驗(yàn)可借鑒[1-2]。為保證工作面的安全生產(chǎn)，必須對(duì)在有火成巖侵入條件下且煤層厚度在20 m左右進(jìn)行的特厚煤層綜采放頂煤開采覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究。

1 工作面覆巖運(yùn)動(dòng)模型及發(fā)展規(guī)律預(yù)測 [3-6]

1.1 覆巖運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)模型

在采場推進(jìn)上覆巖層運(yùn)動(dòng)發(fā)展過程中，根據(jù)各巖層運(yùn)動(dòng)和特征的差異可以劃分為3部分。

⑴冒落帶，由“破壞拱”中垮落巖層組成；

⑵砌體梁帶（導(dǎo)水裂隙帶），由“破壞拱”中裂斷巖梁（傳遞巖梁）組成；

⑶沉降移動(dòng)帶，包括“破壞拱”上的緩沉帶和“破壞拱”兩側(cè)參與移動(dòng)的巖層。

導(dǎo)水裂隙帶（裂斷巖梁）中覆巖運(yùn)動(dòng)的發(fā)展過程包括兩個(gè)階段。

第一次裂斷運(yùn)動(dòng)階段（采場第一次來壓階段）。在該運(yùn)動(dòng)階段，隨著工作面的不斷推進(jìn)，覆巖運(yùn)動(dòng)范圍逐漸擴(kuò)大，采場上方的壓力拱由小到大逐漸向上方巖層擴(kuò)展。根據(jù)相似材料模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，當(dāng)工作面推進(jìn)距離大約為工作面長度時(shí)，壓力拱向上擴(kuò)展到最高處，高度約為工作面長度的1/2。在此過程中，裂隙帶中下位1個(gè)～2個(gè)傳遞巖梁（老頂） 已完成了初次運(yùn)動(dòng)和數(shù)個(gè)周期運(yùn)動(dòng)（見圖1）。

正常運(yùn)動(dòng)階段（周期來壓階段）。包括“破壞拱”最上部巖層第一次運(yùn)動(dòng)完成到回采工作面推進(jìn)結(jié)束的全部推進(jìn)過程（見圖2）。在正常運(yùn)動(dòng)階段，“破壞拱”不再向上方巖層擴(kuò)展，保持恒定的高度，隨工作面向前方推進(jìn)。

由上述分析可知，裂隙帶巖層第一次運(yùn)動(dòng)階段為采場上方“破壞拱”在工作面前方和工作面上方兩個(gè)方向上逐漸擴(kuò)展的階段。當(dāng)?shù)谝淮芜\(yùn)動(dòng)階段結(jié)束時(shí)，“破壞拱”在工作面垂直方向上不再擴(kuò)展，然后進(jìn)入正常運(yùn)動(dòng)階段，“破壞拱”將只在工作面前方方向上跳躍式向前擴(kuò)展。此時(shí)，“破壞拱”拱頂為一近似水平線。

1.2 工作面覆巖運(yùn)動(dòng)發(fā)展規(guī)律

1.2.1 垮落巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律

各巖層垮落步距的計(jì)算：

由工作面長度（L0）所決定的進(jìn)入裂斷運(yùn)動(dòng)的巖層的全部厚度（Hl）一般可按工作面長度的一半估算。即

直接頂垮落步距的計(jì)算：

第一次垮落步距按直接頂厚度最大的巖層第一次垮落計(jì)算。

1.2.2 裂斷巖梁結(jié)構(gòu)組成及裂斷步距的計(jì)算

1.2.2.1 老頂各巖梁裂斷步距的計(jì)算

第一次來壓裂斷步距：

式中：mS——支托層厚度，m；

mC——隨動(dòng)層厚度，m；rP——平均密度，t/m3；

σS——支托層抗拉強(qiáng)度，t/m2。按式（4） 計(jì)算結(jié)果估算阻力，按式（5）計(jì)算結(jié)果估算縮量。

周期來壓裂斷步距：

1.2.2.2 老頂“巖梁”構(gòu)成及各巖梁厚度的判定

每一“傳遞巖梁”由支托層及其之上的隨動(dòng)層的同時(shí)運(yùn)動(dòng)（近乎同時(shí)運(yùn)動(dòng)）的巖層組成。

相鄰巖層是否同時(shí)運(yùn)動(dòng)，是判別它們是否構(gòu)成同一巖梁的依據(jù)，按式（8）、式（9）進(jìn)行判斷。

相鄰巖層同時(shí)運(yùn)動(dòng)（組成同一巖梁），

式中：MS和ES分別為下位巖層的厚度和抗壓強(qiáng)度；MC和EC分別為上位巖層厚度和抗壓強(qiáng)度。

1.3 塔山礦8102工作面頂板活動(dòng)規(guī)律的理論分析

塔山煤礦8102工作面位于塔山礦的一盤區(qū)。工作面上覆開采侏羅紀(jì)煤層的小煤窯4座，煤層底板標(biāo)高為1 032 m～1 062 m，相應(yīng)地面標(biāo)高 1 450 m～1 584 m。所采煤層為石炭二疊系3#～5#合并層，煤層厚度為12.63 m～25.4 m，平均19.01 m。煤層含有6層～11層夾石，最大厚度達(dá)0.6 m。煤層傾角1°～3°，屬較穩(wěn)定型煤層。工作面長度230 m。該煤層上部由于煌斑巖侵入的穿插破壞，煤層受熱變質(zhì)或硅化，結(jié)構(gòu)疏松，易碎，使煤層結(jié)構(gòu)與煤質(zhì)趨于復(fù)雜化。圖3為工作面位置及其范圍內(nèi)地質(zhì)鉆孔分布示意圖。

工作面開采初期1505鉆孔具有代表性。根據(jù)1505鉆孔資料，柱狀圖見第15頁圖4。采用傳遞巖梁理論計(jì)算的各巖梁垮落與斷裂步距結(jié)果見圖4。覆巖運(yùn)動(dòng)發(fā)展規(guī)律由直接頂垮落和老頂巖梁裂斷步距來表述。

覆巖第一次運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)階段是自工作面開切眼開始推進(jìn)，到裂隙帶中最上部一個(gè)傳遞巖梁第一次裂斷運(yùn)動(dòng)完成為止 (見第13頁圖1）。研究認(rèn)為，8102工作面老頂巖梁由多層構(gòu)成，計(jì)算了直接頂垮落至老頂不再裂斷時(shí)的步距；也計(jì)算了第一次運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)階段垮落、裂斷來壓步距。對(duì)照裂隙帶覆巖第一次運(yùn)動(dòng)階段模式圖（見圖1）不難知道，計(jì)算結(jié)果與該模式圖樣式非常吻合。因此，可以認(rèn)為本計(jì)算結(jié)果基本能夠描述相應(yīng)工作面第一次運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)階段的覆巖運(yùn)動(dòng)發(fā)展規(guī)律。此時(shí)，裂隙帶內(nèi)巖層在推進(jìn)方向上裂隙較發(fā)育，各巖層的裂隙濃度已擴(kuò)展到（或接近擴(kuò)展到）全部厚度，采場上覆巖層形成一個(gè)高為1/2工作面長度的“破壞拱”，“破壞拱”在工作面前方和工作面上方兩個(gè)方向上逐漸擴(kuò)展。在采場推進(jìn)過程以“傳遞巖梁”的形式出現(xiàn)周期性斷裂運(yùn)動(dòng)，在推進(jìn)方向上能始終保持傳遞水平力的聯(lián)系。該部分巖層也是內(nèi)應(yīng)力場的主要壓力來源。

在正常推進(jìn)階段，以計(jì)算結(jié)果和圖1為依據(jù)，參照?qǐng)D2（見第13頁圖2），在正常運(yùn)動(dòng)階段，老頂巖梁將遵從第一運(yùn)動(dòng)階段時(shí)的裂斷步距，“破壞拱”不再向上方巖層擴(kuò)展。隨工作面逐步向前方推進(jìn)，“破壞拱”在工作面垂直方向上不再擴(kuò)展，將只在工作面前方方向上跳躍式向前擴(kuò)展。此時(shí)，“破壞拱”拱頂為一近似水平線。

2 工作面覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律及支架工況實(shí)測研究

2.1 觀測目的

通過對(duì)塔山煤礦8102工作面進(jìn)行現(xiàn)場礦壓觀測，了解工作面支架工作狀況、來壓步距、工作面超前支撐壓力分布特征及內(nèi)應(yīng)力場等情況，進(jìn)行事故預(yù)測和動(dòng)力信息基礎(chǔ)研究。

2.2 觀測內(nèi)容與方法

采用YHY-60型礦用液壓支架測力儀。該測力儀主要是通過紅外線抄表系統(tǒng)，每隔5 min記錄一次數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)主要是支架前后柱的工作阻力。每2 d抄表一次。將數(shù)據(jù)通過紅外線抄表系統(tǒng)輸入計(jì)算機(jī)，然后利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。畫出裝有測力儀支架的工作阻力變化曲線，以此獲取綜放工作面礦壓實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù)，用以研究工作面來壓、支架阻力及支架工作狀況。測定液壓支架有關(guān)工作參數(shù)，分析支架與圍巖的相互關(guān)系，評(píng)價(jià)支架對(duì)工作面頂板條件的適應(yīng)性，為以后工作面液壓支架的選型提供決策依據(jù)。

該綜放工作面231 m，沿綜放工作面共安置上、中、下3個(gè)測站，每個(gè)測站布置3條～4條測線，測力儀與液壓支架連通，測站布置見圖5。

根據(jù)儀表觀測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場宏觀觀測資料分析，工作面自開采以來，已經(jīng)歷78次較明顯的來壓過程，在工作面開采前計(jì)算的頂煤初次垮落步距分別為13.55 m、16.6 m、19.17 m，平均為16.44 m，而現(xiàn)場實(shí)際頂煤垮落步距在11 m～21.75 m，平均16.38 m；第一、第二、第三垮落層的初次垮落步距分別為20.23 m±2 m、23.7 m±2 m、24.5 m±2 m，現(xiàn)場觀測的情況為直接頂初次垮落步距為23 m～27 m，平均25 m，說明計(jì)算模型符合現(xiàn)場情況。在老頂初次來壓的預(yù)測上，各巖梁（主要考慮對(duì)礦壓顯現(xiàn)明顯的第一、二巖梁） 的步距分別為38.27 m±2 m、47.79 m±2 m，平均為43 m；現(xiàn)場實(shí)際觀測的步距為46 m～54.3 m，平均50.2 m，存在一定的誤差。通過分析研究認(rèn)為，產(chǎn)生誤差的主要原因是：

①開采初始階段沒有進(jìn)行放煤，在隨后的開采過程中頂煤放得并不充分（通過塔山煤礦提供的資料計(jì)算頂煤的回收率為65%），使頂煤和直接頂垮落后的高度基本充填了回采空間，從而導(dǎo)致了初始階段老頂巖梁不能懸空，因此導(dǎo)致來壓步距表面上的增大。

②由于工作面頂板沿走向方向有斷層存在，使得工作面頂板被天然劃分成大小不等的塊段，影響到周期來壓步距，與理論計(jì)算產(chǎn)生較大誤差。

③巖梁周期裂斷是巖梁周期來壓的前提，巖梁周期裂斷是誘發(fā)因素，周期來壓是表現(xiàn)形式。巖梁周期來壓步距是一個(gè)工程參量，除了受煤層的強(qiáng)度、巖梁強(qiáng)度等內(nèi)部力學(xué)參數(shù)影響外，還受工作面支架的工作狀態(tài)、采場推進(jìn)速度等外部環(huán)境因素的影響，故在工程實(shí)踐中，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際有一定差距[7]。

3 結(jié)論

本文通過應(yīng)用傳遞巖梁理論，對(duì)塔山礦8102特厚煤層綜放工作面覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析，并利用礦壓觀測儀器對(duì)工作面頂板活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行現(xiàn)場觀測。結(jié)果表明，在特厚復(fù)雜煤層綜放開采條件下，傳遞巖梁理論以及關(guān)于巖梁周期運(yùn)動(dòng)步距的推導(dǎo)算法，能夠比較準(zhǔn)確地反映工作面頂板的活動(dòng)規(guī)律，指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)，預(yù)防由礦山壓力引起的部分礦山地質(zhì)災(zāi)害。通過上述分析，認(rèn)為計(jì)算結(jié)果基本反映了工作面的實(shí)際情況，所運(yùn)用的理論與參數(shù)選取也是合理的，再通過一些修正，該結(jié)論可以為塔山煤礦大面積開采奠定理論基礎(chǔ)。

[1] 范志忠，任勇，徐剛，等.淺埋大采高綜放開采煤柱礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究 [J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2010，12(38):25-27.

[2] 吳永平.大同礦區(qū)特厚煤層綜放采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究 [J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2008，1(36):8-10.

[3] 宋振騏.實(shí)用礦山壓力控制 [M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1988.

[4] 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：1991.

[5] 石平五.采場礦山壓力理論研究的述評(píng) [J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1984(01)：48-59.

[6] 錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制 [M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

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Research of the Overburden Strata Movement of Fully Mechanized Sublevel Caving Mining Face in Extremely Thick Coal Seam

Du Tongsheng
(School of Mines,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221008)

In view of the complex geological conditions of Datong Tashan Carboniferous-Permian extremely thick(9.8 m～29.21 m) coal seam,use of mine pressure theoretical analysis and field observation method,the fully mechanized sublevel caving mining face movement of overlying rock were analyzed.Analysis of reasons for the differences by comparing two methods that obtained initial and periodical pressure at the working face and other results.It provided the reference for the safe production in the working face.

extremely thick coal seam;fully mechanized sublevel caving mining;law of overburden strata

TD325

A

1000-4866（2011）04-0013-04

杜同生，男，1970年出生，本科學(xué)歷，工程師，從事煤礦管理及開采技術(shù)研究工作。

2011-08-04

2011-08-18