李　忠

(西山煤電集團公司 西銘礦，山西　太原　030053)

對于工作面覆巖結(jié)構(gòu)的研究，現(xiàn)有成果主要是針對單一煤層的開采，而對于近距離煤層，由于上煤層開采后，頂?shù)装宓慕Y(jié)構(gòu)和特性受到采動影響而發(fā)生改變，因此下煤層開采時的礦壓特征與單一煤層相比有著一定的區(qū)別。本文以西銘礦實際地質(zhì)情況為工程背景，通過理論分析和數(shù)值模擬的方法，對上煤層開采后覆巖運動特征和底板破壞情況做分析研究，并對下煤層工作面支架阻力進行合理推算，為礦井安全開采奠定基礎(chǔ)。

1　工作面概況

西銘礦是西山煤電集團的主力礦井，43108工作面位于西十一采區(qū)，主采3#煤層，煤層厚度為1.30～2.80 m，平均2.37 m，煤層傾角為2°～8°，平均5°，煤層埋深約220 m.

工作面上覆2#煤層采空區(qū)，2#煤層厚度為1.65～2.40 m，平均2.0 m，上下煤層間距為9～17 m，平均12 m.其主要巖層綜合柱狀圖見圖1.

圖1　綜合巖層柱狀圖

2　覆巖結(jié)構(gòu)分析

2.1　上煤層開采覆巖破壞情況

隨著2#煤層的開采，其覆巖結(jié)構(gòu)會發(fā)生一定改變，根據(jù)經(jīng)驗公式，2#煤層的垮落帶高度為：

(1)

式中：

Hm—垮落帶高度，m；

M—煤層厚度，m，取2.0；

Kp—巖層碎漲系數(shù)，取1.2.

將數(shù)據(jù)代入式(1)，得2#煤層垮落帶高度為10 m.

煤層開采后，其裂隙帶高度可由式(2)表示：

(2)

式中：

Hl—裂隙帶高度，m.

將數(shù)據(jù)代入式(2)，可得2#煤層的裂隙帶高度為23.81～35.01 m.

2.2　上煤層底板破壞深度

隨著2#煤層的開采，會對其底板造成一定的損傷破壞，嚴重影響3#煤層的正常開采，根據(jù)彈塑性理論，底板最大破壞深度為：

(3)

式中：

Dmax——底板破壞最大深度，m；

γ—巖層容重，kN/m3，取25;

H—埋深，m，取208；

L—工作面長度，mm，取200；

Rc—單軸抗壓強度，MPa，取35.

將數(shù)據(jù)代入式(3)，可得2#煤層的底板破壞最大深度為1.73 m，而上下煤層間距平均為12 m，大于最大破壞深度，故3#煤層開采時，只有部分老頂受到破壞。

2.3　下煤層覆巖結(jié)構(gòu)分析

3#煤層頂板的垮落高度也可由式(1)求得，取煤層厚度M為2.37 m，碎漲系數(shù)KP為1.2，則3#煤層垮落高度為11.85 m，層間巖層厚度平均為12 m，剩余完整部分厚度過小，難以形成平衡結(jié)構(gòu)。因此，3#煤層工作面支架所受壓力為層間巖層和上煤層采空區(qū)垮落矸石重量之和，其結(jié)構(gòu)模型見圖2.

圖2　下煤層覆巖結(jié)構(gòu)圖

3　數(shù)值模擬

3.1　建立模型

根據(jù)圖1及礦井實際地質(zhì)資料，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立數(shù)值模型，見圖3.

圖3　數(shù)值模型圖

如圖3，模型采用Mohr-Coulomb材料模型，長200 m×寬250 m×高50 m，模型底部固支，四周設(shè)置水平位移，頂部施加應(yīng)力模擬上部載荷。利用數(shù)值模擬結(jié)果，對近距離煤層礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行研究。

3.2　上煤層開采的礦壓規(guī)律

首先，對2#煤層進行開挖，每次推進1 m，記錄工作面塑性破壞區(qū)圖，見圖4.

圖4　上煤層開采后塑性破壞區(qū)圖

為方便觀察，將剪切破壞區(qū)域全部用淺色表示，拉伸破壞區(qū)域全部用深色表示。由圖4可以看出，覆巖塑性區(qū)呈“馬鞍形”分布，拉伸破壞區(qū)域即為頂板垮落范圍，距2#煤層約9.5 m，剪切破壞區(qū)域即為導(dǎo)水裂隙帶范圍，距2#煤層約31 m. 結(jié)果與理論計算結(jié)果十分接近，進一步驗證了理論計算的準確性。

3.3　下煤層開采的礦壓規(guī)律

開采3#煤層之前，改變2#煤層采空區(qū)材料特征，模擬矸石對頂板的支撐作用，然后對3#煤層進行開挖，記錄塑性破壞區(qū)圖，見圖5.

圖5　下煤層開采后塑性破壞區(qū)圖

由圖5可以看出，下煤層開采后，其冒落巖層貫通上煤層的采空區(qū)，但上煤層的覆巖破壞范圍未發(fā)生明顯改變。說明下煤層開采后，頂板破壞高度即為層間巖層的厚度，未造成上煤層垮落帶的進一步擴大，進一步驗證了圖2所示的結(jié)構(gòu)模型。

4　下煤層支架阻力的確定

對于下煤層的開采，合理支架阻力的選擇也十分重要，下面通過3種不同的計算方法，確定合理的支架阻力。

4.1　理論計算

1) 根據(jù)經(jīng)驗公式。

根據(jù)經(jīng)驗公式，一般的，工作面支護強度可由式(4)表示：

p=nHzγ

(4)

式中：

p—支架支護強度，kN/m2；

n—增載系數(shù)，一般取2；

Hz—直接頂厚度，m，取12.

將數(shù)據(jù)代入，可得支架支護強度為600 kN/m2.

根據(jù)支護強度，可得支架工作阻力為：

Q=p(b+L)B/η

(5)

式中：

Q—支架工作阻力，kN；

b—端面距，m，取0.34；

L—頂梁長度，m，取3.89；

B—支架中心距，m，取1.5；

η—支架效率，取0.98.

將數(shù)據(jù)代入，可得支架工作阻力為3 884.7 kN.

2) 根據(jù)結(jié)構(gòu)模型。

通過前面的分析，可知下煤層覆巖結(jié)構(gòu)模型如圖2所示，下煤層支架阻力應(yīng)為層間巖層與上覆采空區(qū)垮落巖層重量之和，則支架的工作阻力可由下式表示：

Q=KsBLz(Hm1+hcj)γ

(6)

式中：

Hm1—上煤層冒落高度，m，取10；

hcj—層間巖層厚度，m，取12；

Lz—支架控頂距，m，取4.24；

Ks—安全系數(shù)，取1.2.

將數(shù)據(jù)代入，可得支架的工作阻力為4 197.6 kN.

3) 根據(jù)頂板分類。

支架工作阻力的大小與基本頂?shù)募墑e有一定的關(guān)系。基本頂?shù)姆旨壙梢杂芍苯禹敵涮钕禂?shù)N來表示，對于43108工作面，其直接頂充填系數(shù)為：

(7)

式中：

Hc—下煤層垮落矸石的厚度，為層間巖層與上煤層冒落高度之和，m，取22；

M2—下煤層厚度，m，取2.37.

將數(shù)據(jù)代入式(7)，可得充填系數(shù)N=9.28，依據(jù)基本頂分類標準，屬于I 級來壓不明顯頂板。

基本頂級別與額定支護強度下限之間的關(guān)系見表1.

表 1　支護強度與基本頂級別的關(guān)系表

由表1可知，下煤層采高為2.37 m，則其額定支護強度下限約為pe=464 kPa. 根據(jù)其支護強度，得到支架工作阻力為：

Q=KsBLzpe

式中符號含義與前面相同，代入數(shù)據(jù)，可得支架工作阻力為3 541.2 kN.

4.2　確定合理的支架阻力

通過前面的計算，可以看出3種計算方法所得支架工作阻力差別不大，為確定最為合理的支架阻力，可取3個結(jié)果的平均值，為：

因此，可以確定支架的工作阻力最小應(yīng)為3 874.5 kN.

5　結(jié)　論

根據(jù)西銘礦43108工作面的實際地質(zhì)情況，通過理論分析和數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論：

1) 對2#煤層和3#煤層的頂?shù)装迤茐姆秶M行理論計算，并依據(jù)計算結(jié)果，構(gòu)建下煤層的覆巖結(jié)構(gòu)模型。

2) 通過對數(shù)值模擬結(jié)果的分析，得到2#煤層的垮落帶高裂隙帶的高度分別為9.5 m和31 m，驗證了理論計算的結(jié)果，通過分析3#煤層開采時的覆巖結(jié)構(gòu)變化，驗證了構(gòu)建的結(jié)構(gòu)模型。

3) 利用3種不同方法，對3#煤層工作面支架工作阻力進行計算，得出支架阻力應(yīng)大于3 874.5 kN，為工作面的安全生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

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