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(天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

淺埋厚基巖堅硬頂板煤層初采強來壓原理分析

張書敬，張亮，解興智

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013)

針對淺埋厚基巖堅硬頂板煤層初采期容易出現(xiàn)大面積懸頂、基本頂初次來壓時礦壓顯現(xiàn)異常劇烈問題，以神府礦區(qū)石窯店煤礦為工程背景，采用巖石力學實驗、鉆孔窺視對頂板巖層結(jié)構(gòu)進行分析，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用數(shù)值模擬和理論分析對該類頂板初采期的致災(zāi)機理進行研究。結(jié)果表明：直接頂整體性強、強度大，其初次垮落歩距大且呈大面積垮落特征，這是初采期間容易出現(xiàn)颶風災(zāi)害的原因；由于上位基本頂承擔大部分上覆巖層載荷，其破斷距只承擔自身載荷的下位基本頂破斷距，導致砂巖基本頂同時破斷，破斷后形成的厚巖塊三鉸拱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，當工作面回采到巖梁前端斷裂線位置時即發(fā)生滑落失穩(wěn)，給工作面支架帶來巨大沖擊，這是導致淺埋厚基巖堅硬頂板煤層初采期容易產(chǎn)生災(zāi)害的原因。

淺埋厚基巖；堅硬頂板；致災(zāi)機理；初采強來壓

國內(nèi)學者將淺埋煤層劃分為2種：典型淺埋深煤層和非典型淺埋煤層。其中典型淺埋煤層是基巖比較薄、松散層厚度較大的淺埋煤層，其頂板破斷為整體切落形式，易出現(xiàn)臺階下沉；非典型淺埋煤層是基巖厚度比較大、松散載荷層厚度較小的淺埋煤層，其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律介于普通工作面與淺埋煤層工作面之間，表現(xiàn)為2組關(guān)鍵層，存在輕微的臺階下沉現(xiàn)象[1-4]。

淺埋煤層主要分布在神府、東勝礦區(qū)，近幾年隨著神府東勝礦區(qū)開采強度的增大，開采“厚基巖薄松散層”型淺埋煤層礦井逐漸增多，新問題也隨即出現(xiàn)：初采期間頂板大面積懸頂、基本頂初次來壓期間礦壓顯現(xiàn)異常劇烈，其災(zāi)害表現(xiàn)形式為颶風傷人、大面積壓架事故。

由于國內(nèi)外學者對淺埋深厚基巖堅硬頂板研究很少，對該類頂板致災(zāi)機理不明確，而神府、東勝礦區(qū)礦井對該類頂板的處理辦法仍然是參照一般采深特堅硬頂板礦井的經(jīng)驗，而沒有針對性的初采期頂板控制技術(shù)，致使該條件下初采期懸頂大面積垮落導致的頂板事故時有發(fā)生。

鑒于以上情況，本文以石窯店煤礦為工程背景，對淺埋厚基巖堅硬頂板初采期致災(zāi)機理進行研究，采用鉆孔窺視、巖石力學實驗分析頂板巖層結(jié)構(gòu)特征，利用3dec離散元數(shù)值模擬軟件分析初采期頂板破斷垮落規(guī)律，并結(jié)合關(guān)鍵層理論研究該類淺埋煤層初采期頂板致災(zāi)機理。

1 石窯店5-2煤層頂板及來壓特征

1.1 頂板特征

1.1.1 頂板巖石力學實驗

根據(jù)鉆孔綜合柱狀圖，5-2煤層上覆基巖層厚度為60m，黃土層厚度為9m，屬于“厚基巖薄松散層型”淺埋煤層，其偽頂為0.4m的炭質(zhì)泥巖，再往上依次為3.2m的粉砂巖(泥質(zhì)膠結(jié))、4.2m的細砂巖、2.4m的中砂巖、12.2m的粗粒砂巖，砂巖層厚度大。為獲取各巖層層位具體參數(shù)，采取頂板鉆孔取芯，對各層位巖芯分別進行巖石力學實驗，其結(jié)果如表1所示。

表1 頂板巖樣力學參數(shù)測試結(jié)果

從巖石力學實驗結(jié)果來看，石窯店5-2煤層頂板特征如下：

(1)頂板巖石單向抗壓、抗拉強度均較高，抗壓強度平均為81.18MPa，抗拉強度平均為6.08MPa，屬于堅硬頂板；其中頂板3～10m層位的中砂巖和細砂巖最堅硬，其平均抗壓強度為88.88MPa，抗拉強度達到6.92MPa。

(2)巖石彈性模量高，平均為31.82GPa，由于巖石有較高的彈性模量，因此頂板巖石在破壞前變形量很小，達到極限強度后容易突發(fā)脆性破壞。

2.1.2 頂板裂隙發(fā)育情況

頂板裂隙發(fā)育情況是影響頂板穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，為確定石窯店煤礦5-2煤層頂板裂隙情況，采用鉆孔窺視方法觀測切眼頂板上10m范圍內(nèi)的裂隙數(shù)目，其結(jié)果見圖1及表2。

圖1 觀測孔1頂板鉆孔窺視

頂板范圍/m觀測孔12340～302113～621116～100000

鉆孔窺視結(jié)論：切眼處頂板0～6m范圍內(nèi)裂隙不發(fā)育，6～10m范圍內(nèi)裂隙極不發(fā)育，其中裂隙以橫向裂隙為主，頂板10m范圍內(nèi)不含明顯的破碎帶，整體性很強。頂板裂隙發(fā)育情況往往決定頂板垮落特征，當頂板裂隙不發(fā)育時，懸頂達到極限跨距時呈瞬時一次冒落特征，采空區(qū)空氣被迅速擠出產(chǎn)生強大沖擊，給井下人員和設(shè)備帶來巨大危害，這是淺埋厚基巖堅硬頂板煤層回采過程中容易出現(xiàn)颶風的一個重要原因。

1.2 頂板來壓特征

石窯店215204工作面初采期間大面積懸頂垮落形成颶風，且基本頂初次來壓時，因來壓強度大造成液壓支架安全閥大量損壞，現(xiàn)通過采集工作面電液控系統(tǒng)壓力記錄模塊的礦壓數(shù)據(jù)，分析215204工作面頂板來壓步距、來壓強度，其結(jié)果見圖2及表3，表4。

圖2 215204工作面60號支架來壓判斷曲線

表3 來壓歩距統(tǒng)計 m

從表3，表4可以看出，215204工作面基本頂初次來壓歩距大，約為52.0m，初次來壓期間動載系數(shù)為1.73，支架受到的沖擊載荷大；且根據(jù)該工作面初采情況得知，頂板垮落時在膠帶巷形成颶風，基本頂初次來壓期間支架安全閥大量損壞，因此必須對該類厚基巖型淺埋煤層初采期頂板致災(zāi)機理進行深層次研究，為避免強來壓提供理論基礎(chǔ)。

表4 動載系數(shù)統(tǒng)計

2 致災(zāi)機理研究

2.1頂板破斷垮落規(guī)律

本節(jié)通過3dec離散元軟件[5-6]對石窯店215206工作面初采期頂板破斷過程及垮落情況進行模擬，包括煤層上覆所有的19層巖層及2層底板，模型尺寸長160m，寬10m，高75m；計算模型參數(shù)根據(jù)實驗室試驗和經(jīng)驗選??；模型邊界條件采取薄層方法對前、后、左、右、底面進行速度為0的固定；為得到可以接受的運算速度將模型中煤層上覆的3層巖層切割得較密，上覆基巖切割較疏，其開挖過程見圖3(a)～圖3(h)。

當工作面推進到20m時，煤層上覆的3.2m粉砂巖內(nèi)部開始出現(xiàn)離層，其上巖層沒有明顯變化；當工作面推進到30m時，粉砂巖內(nèi)部離層進一步增大，且粉砂巖與其上巖層也出現(xiàn)明顯離層；當工作面推進到35m時，3.2m的粉砂巖全部垮落，且呈大面積一次性垮落特征，其上12.2m厚的粗砂巖處開始出現(xiàn)離層；工作面推進到45m時，粗砂巖頂端離層明顯增大；工作面推進到55m時，粉砂巖上的4.2m厚的中砂巖、2.4m厚的細砂巖和12.2m厚的粗砂巖同步垮落，工作面頂板處雖然施加1.2MPa支撐載荷但仍然被完全壓垮；工作面推進到65m時，粗砂巖上方巖層開始發(fā)生離層并發(fā)生斷裂，形成裂縫帶。

工作面推進到75m時，裂縫帶高度繼續(xù)增加，12.2m厚的粗砂巖發(fā)生第2次垮落，工作面出現(xiàn)第1次周期來壓，來壓歩距約為20m；工作面推進到85m時，裂縫帶高度不再增加，上部巖層出現(xiàn)明顯彎曲下沉，地表已出現(xiàn)輕微下沉。

2.2 頂板破斷力學分析

2.2.1 各巖層破斷距

由于5-2煤層頂板依次為粉砂巖、細砂巖、中砂巖、粗砂巖，各巖層厚度和強度差異不明顯，不能直觀判斷直接頂和基本頂，因此現(xiàn)通過組合梁原理判斷頂板巖層之間的相互影響，并理論計算頂板破斷距，頂板各巖層力學參數(shù)見表5。

根據(jù)組合梁原理進行計算，結(jié)果如下[7]：

第1層粉砂巖本身的載荷為：

q1=γ1h1=26.4×3.2=84.48(kPa)

考慮第2層對第1層的作用，則

由此可知，第2層中砂巖本身強度大、巖層厚，對第1層不施加載荷，第1層粉砂巖只承擔自身重量，可按固支梁計算第1層的破斷距：

表5 煤層上方主要巖層力學物理參數(shù)

第2層中砂巖本身的載荷q2為：

q2=γ2h2=26.1×4.2=109.62(kPa)

計算到第3層時，第2層受到的載荷：

計算到第4層時，第2層受到的載荷：

(q4)2<(q3)2

因此可知，由于第4層巖層為12.2m厚的粗砂巖，本身強度大，對其下巖層不施加載荷，第2層巖層與第3層巖性和強度均相似，可將其看為組合梁，按固支梁計算其破斷距：

第4層中砂巖本身的載荷為q4為：

q4=γ4h4=25.6×12.2=312.32(kPa)

計算到第5層時，第4層受到的載荷：

同理可得，(q5)4<(q6)4<…<(q15)4=657.4(kPa)

計算到第16層時，第4層受到的載荷：

(q16)4=643.4(kPa)<(q15)4

因此可知，由于第16層頂板巖層為12.2m厚的粉砂巖，本身強度大，其自重及上巖層載荷均由自己承擔，對下部巖層不起作用，按照固支梁計算第4層破斷距：

利用組合梁原理對煤層上覆巖層相互影響分析可知，第1層粉砂巖只承受自身重量，第2層中砂巖只承受第2層和第3層自身重量，而第4層粗砂巖厚度為12.2m，承載能力大，頂板4～15巖層載荷均由其承擔，第16層12.2m厚的粉砂巖承擔自身及上覆巖層載荷。

通過固支梁理論計算頂板上第1層粉砂巖破斷距約為33m，且通過礦壓觀測結(jié)果可知，形成穩(wěn)定的周期來壓后該粉砂巖可隨采隨冒，因此可將3.2m厚的粉砂巖看作直接頂；根據(jù)關(guān)鍵層復合破斷理論，頂板第4層巖層承擔4～15巖層載荷，其破斷距為52.1m，小于2、3巖層破斷距，該層破斷后必然導致2、3層巖層同步破斷，可將第4層巖層看作上位基本頂，2、3巖層看作下位基本頂，初次來壓步距為52.1m。

2.2.2 初次來壓頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

基本頂斷裂后暫時形成鉸接平衡結(jié)構(gòu)[8-9](見圖4)，這是頂板斷裂和頂板來壓不同步的原因。隨著工作面的繼續(xù)推進，塊體1和塊體2的回轉(zhuǎn)角增大，兩塊體的接觸點B下降同時兩塊體端頭壓力T增大來繼續(xù)保持鉸接拱的平衡。根據(jù)砌體梁理論可知，在塊體回轉(zhuǎn)過程中若A點摩擦力小于塊體受到的上覆載荷，則會發(fā)生滑落失穩(wěn)；若B點的擠壓力大于塊體擠壓強度則會發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn)。

圖4 基本頂初次來壓結(jié)構(gòu)

由材料力學可得保持三鉸拱平衡的水平推力為：

(1)

(2)

式中，q為梁的載荷集度，kN/m；L為初次來壓步距，m；h為基本頂巖層厚度，m；R為梁兩端摩擦剪力，kN。

此結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生滑落失穩(wěn)，必須滿足：

R≤Ttanφ

(3)

式中，φ為巖塊間的摩擦角，約為38～45°。

將式(1)、式(2)代入式(3)：

h≤1/4tanφ

(4)

代入石窯店相關(guān)資料：h=18.8m，L=52.1m，則：

h/L=0.36>0.2=1/4tanφ

(5)

根據(jù)上述分析可知，砂巖基本頂在斷裂后暫時形成三鉸拱結(jié)構(gòu)，但由于巖塊高長比大，三鉸拱抗滑落失穩(wěn)能力弱，當工作面回采到巖梁前端斷裂線位置時很快發(fā)生滑落失穩(wěn)，導致工作面發(fā)生臺階下沉，并伴隨強烈礦壓顯現(xiàn)，這是淺埋厚基巖堅硬頂板煤層初采期間容易發(fā)生大面積來壓的原因。

3 結(jié)論

(1)直接頂強度大、整體性強、垮落歩距大，且垮落時呈大面積垮落特征，這是淺埋厚基巖堅硬頂板初采期容易形成大面積懸頂，并引發(fā)颶風災(zāi)害的原因。

(2)18.8m的砂巖基本頂初次來壓歩距約為52.1m，頂板破斷后形成三鉸拱結(jié)構(gòu)，但由于鉸接巖塊的高長比大，鉸接結(jié)構(gòu)的抗滑落失穩(wěn)能力弱，當工作面回采到巖梁前端斷裂線處易發(fā)生滑落失穩(wěn)，這是淺埋厚基巖堅硬頂板初采期工作面容易出現(xiàn)臺階下沉并伴隨強烈礦壓顯現(xiàn)的原因。

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[責任編輯：潘俊鋒]

Analysis of Strong Weighting in Initial Mining Shallow-buriedCoal-seam under Thick Basement and Hard Roof

ZHANG Shu-jin, ZHANG Liang, XIE Xing-zhi

(Coal Mining & Designing Branch, China Coal Research Institute, Beijing 100013, China)

A large area of hanging roof and strong underground pressure behavior easily occurred in the initial period of mining shallow-buried coal-seam under thick basement and hard roof.Applying rock mechanics experiment, bore-hole imaging to analyzing roof strata structure, roof disaster mechanism in initial mining was researched by numerical simulation and theoretical analysis.Results were showed as follows.Immediate roof had high integrality and strength and its first caving pace was large, and this was the cause of typhoon disaster easily occurring in initial mining.Most of overlying strata load was bear by upper-basic roof and broken pace of lower-basic roof resulted into sandstone basic roof simultaneously breaking.Stability of three-hinged arch structure after breaking was bad.When mining face reached the location of front breaking line, sliding instability occurred and brought large impact on powered support, which was the cause of roof disaster in initial mining shallow-buried coal-seam under thick basement and hard roof.

shallow-buried thick basement；hard roof；disaster mechanism；strong weight in initial mining

2014-07-08

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.06.026

國家自然科學青年基金項目(51304118)

張書敬(1973-)，男，山東魚臺人，工學博士，副研究員，從事礦山壓力研究和煤礦生產(chǎn)管理工作。

張書敬，張 亮，解興智.淺埋厚基巖堅硬頂板煤層初采強來壓原理分析[J].煤礦開采，2014，19(6)：98-102.

TD322.1

A

1006-6225(2014)06-0098-05