張春霆,楊 恒,梁勝銀,王懷金

(1.山西中煤潘家窯煤業(yè)有限公司,山西 朔州 036000;2.太原理工大學 采礦工藝研究所,太原 030024)

平朔公司井工二礦21103工作面有許多特殊性,一是公司從未有過大采高綜采的生產(chǎn)經(jīng)驗;二是21103采面是在近距離9號煤采空區(qū)之下開采,其上覆巖層移動、來壓規(guī)律、頂板破壞跨落機理可能不同于常規(guī)工作面;三是21103采面上方不僅有近距離9號煤采空區(qū),還有9號煤遺留的區(qū)段煤柱,這種近距離煤柱對21103采面將產(chǎn)生不利影響。要系統(tǒng)準確掌握回答上述這些問題,就必須全面、深入的開展實驗、進行現(xiàn)場監(jiān)測和理論分析。

我們對21103工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行研究之后,基本掌握了近距離采空區(qū)下礦壓規(guī)律;掌握了1103采面上覆巖層位移場和應力場的分布規(guī)律;為11煤首采工作面頂板管理和安全高效開采提供了理論指導。

1 工程概況

試驗工作面為井工二礦11煤層首采21103工作面,煤層產(chǎn)狀平緩,裂隙較發(fā)育,煤層厚3.26 m～6.31 m,平均厚度4.2 m。11煤層頂部為泥巖、泥灰?guī)r和細砂巖。巖性相對致密。

21103工作面位于9號煤層的29103和29104工作面采空區(qū)下方,且兩個采空區(qū)間存在9號煤留下的煤柱。具體的尺寸和位置如圖1所示。

圖1 11煤層21103工作面位置及其鄰近采空區(qū)Fig.1 Location of the 21103 Working face of No.11 coal seam and its adjacent goaf

2 相似模擬實驗研究

2.1 模型設計

2.1.1 實驗目的

21103工作面具有大采高、近距離、上層9號煤層已采空等許多有別于常規(guī)工作面的特殊開采條件,通過相似材料實驗有助于掌握在此條件下的頂板巖層移動、變形破壞和失穩(wěn)跨落規(guī)律。

2.1.2 實驗原理、方法

相似實驗原理認為,兩種相似的物理現(xiàn)象都遵循相同的物理方程,相同的客觀規(guī)律,相應的相似準則必須相等,即物理現(xiàn)象的相似[1]。采礦工程的礦山壓力相似實驗方法要點如下:1)幾何尺寸相似;2)動力相似;3)運動相似;4)材料性質相似。

2.1.3 實驗設備

主要實驗設備有:1)平面應變型相似材料模型實驗臺;2)SZZX-Ea10振弦式壓力盒;3)YJZ-32A型智能數(shù)字靜態(tài)電阻應變儀;4)臺式計算機;5)XJTUDIC三維光學攝影變形測量系統(tǒng)。

2.1.4 模型設計及計算

1)原型條件與數(shù)據(jù)

實驗需要的原型數(shù)據(jù)包括各地層的巖性、厚度、物理力學性質參數(shù),以及工作面長度、推進速度的技術參數(shù)。

①地層的巖性、厚度。地層的巖性、厚度由工作面所在區(qū)域的鉆孔柱狀圖確定。

②物理力學性質指標。整個地層按相鄰且?guī)r性相近的各分層整合為10個～20個左右的煤巖層,并綜合分析試驗數(shù)據(jù)和地層巖性結構特點來確定設計所用到的力學性質指標。

③工作面長度、推進速度等技術參數(shù)。研究對象為21103工作面,工作面長度300.5 m;工作面推進速度約每天8 m。與實驗有關的9號煤903和904工作面,長度均為240 m;903與904之間的區(qū)段煤柱寬度20 m。

2)相似比

①幾何相似比λL。

式中:Lm和Lh為模型和原型的幾何長度,m。

要求原型與模型對應尺寸的比值為一常數(shù)。本次實驗采用模型實驗臺長度為5 m,采用200:1的幾何比。模型工程布局如圖2所示。

圖2 模型工程布局示意圖Fig.2 Model project layout diagram

②動力相似比。動力相似主要考慮重量相似。以Ph、Rh、Vh和Pm、Rm、Vm分別代表原型和模型的壓力(kPa)、容重(kg/m3)、體積(m3)[2-3],λP、λR分別代表壓力相似比和容重相似比,則有:

Ph=RhVh,

Pm=RmVm,

那么,應力的相似比λσ:

合同簽訂后，中國石化煉油銷售公司始終密切關注施工進展情況，派專人與機場、冬奧會高速公路施工承包方北京市政路橋建材集團積極溝通，了解掌握施工方對高速公路專用瀝青針入度、延展度、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗老化性等關鍵質量指標的要求，并將關鍵質量指標與中國石化內部相關企業(yè)生產(chǎn)的瀝青牌號質量指標進行對比分析。經(jīng)過篩選和取樣分析，最終確定勝利煉油廠生產(chǎn)的70號A和90號A瀝青作為北京大興國際機場和北京冬奧會高速公路建設專供瀝青。

③強度相似比。強度相似比λq=λσ,即:

④相似材料配比。最常用的相似材料為石英砂、石膏、石灰按一定比例配合的混合材料。模型共68層,高度140 cm,上部等價載荷6.19 kPa。

3)模型制作

架設好模板后,將各種材料稱重,攪拌均勻,倒入模型架內,然后耙平、搗實,搗實程度按所需的視密度的要求確定。在開采煤層的底板中埋設壓力傳感器。填裝完畢后放置24 h,打開兩側的擋板,干燥若干天后,模型完成。

4)模擬開采

①模擬開采順序。首先開采9號煤的903和904采面,使上覆巖層跨落和移動,為21103工作面形成上方的真實采空區(qū)條件,實現(xiàn)真正意義的采空區(qū)下采煤模擬實驗。

21103工作面在903采空區(qū)的外側開切眼,向前推進,進入903采面采空區(qū)下方,最終越過903與904之間的煤柱進入到采空區(qū)下方,離開煤柱50 m后停止開采。因此,21103工作面的整個開采過程可以模擬初采階段、采空區(qū)下方、遺留煤柱下方的特殊開采環(huán)境的礦山壓力問題。

② 模擬開采速度。工作面推進速度相似比為14.14,實際回采速度按每天8 m計算,模型回采速度為每小時2.3 cm。模型開采執(zhí)行3班作業(yè),1個小時回采1次,每次推進2.3 cm。903和904工作面各需2.17 d,21103工作面需要回采2.95 d,合計共需7.3 d。

2.2 相似模擬小結

21103工作面上覆巖層跨落移動規(guī)律與開采特點:21103工作面大部分在903采面采空區(qū)下回采,903采面開采過程頂板的移動與跨落對21103工作面影響很大[4-5]。首先,9號煤與11號煤之間的巖層因厚度小,在21103工作面開采過程中作為其直接頂不能保持有效維持采場的懸頂長度,隨采隨冒[6];第二,21103工作面也存在頂板的周期性跨落特性,周期步距比903采面和904采面略小;第三,跨落帶高度比903采面和904采面大,周期性跨落時瞬間劇降的跨落帶高度接近903采面的斷裂帶高度;第四,初采工作面進入采空區(qū)下方前發(fā)生了頂板切落失穩(wěn)[7], 21103工作面煤壁在9號煤采空區(qū)邊緣外側不遠處,發(fā)生了頂板切落失穩(wěn)。

3 工業(yè)試驗

3.1 工業(yè)試驗實測研究目的及方法

3.1.1 實測研究目的

礦壓監(jiān)測礦山壓力監(jiān)測的目的是全面掌握礦山壓力的發(fā)生規(guī)律和適應性,為安全、高效生產(chǎn)提供技術保障,并提供經(jīng)驗和指導后續(xù)11號煤的采礦活動。

3.1.2 工作面片幫、冒頂?shù)软椖坑^測

煤壁片幫冒頂位置、規(guī)模、時間統(tǒng)計。一般用測桿、直尺等簡單測量工具或目測宏觀上觀測統(tǒng)計。

3.1.3 主輔運巷頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平坑^測

頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平坑^測擬采用人工觀測，采用手持式激光測距儀(測量精度1 mm)，測量基點設置在巷道頂部和底板及兩側。手持激光測距儀被放置或安裝在基點上。長40 cm的錨固定在圍巖中作為基點。

3.1.4 主輔運巷圍巖應力監(jiān)測

為觀測大采高綜采工作面前方煤幫以及側方煤柱的應力變化特征,應力集中程度、集中范圍、超前及滯后影響范圍,采用KSE-III煤體應力采集系統(tǒng)監(jiān)測21103主輔巷煤體應力。在21103主輔運巷內,各布置1組應力傳感器,每組5只鉆孔應力計,測站距切眼約100 m。測站內各應力傳感器伸入煤體內長度分別為2 m、4 m、6 m、9 m和12 m。輔運巷煤體應力監(jiān)測測點布置如圖3所示。

圖3 輔運巷煤體應力監(jiān)測測點布置Fig.3 Coal body stress monitoring point arrangement in auxiliary transport roadway

3.2 工作面工業(yè)試驗結果分析

3.2.1 工作面頂板周期來壓情況分析

普遍而言,我們一般都是用支架的工作阻力來判斷工作面頂板的動態(tài)程度。分別通過確定步距、確定抗壓強度以及動載荷系數(shù)幾個程序來對它們精確判斷[8-9]。

工作面周期來壓期間支架阻力曲線圖見圖4。

圖4 工作面周期來壓期間支架阻力曲線圖Fig.4 Diagram of support resistance during periodic weighting

如圖4所示,周期來壓與非來壓期間支架工作阻力曲線形態(tài)有很大的差別,來壓期間工作阻力很大,安全閥打開幾次,曲線呈現(xiàn)明顯的鋸齒狀波動,而在未來壓狀態(tài)下支架工作阻力曲線為刀尖狀。此外,周期來壓一般會持續(xù)一段時間。因此,需要在連續(xù)的幾個循環(huán)中存在明顯的鋸齒狀,才能確定為周期來壓。頂板巖性、截割深度和工作面支架支撐長度都影響著來壓的持續(xù)時間。一般來說,當壓力強度較大時,持續(xù)時間也較長;支架頂梁越大、截割深度越小,影響的周期數(shù)就較多。

1)來壓強度分析。9號煤采空區(qū)下周期來壓強度特點為總體較大,且不穩(wěn)定、強度大小不一; 9號煤遺留煤柱兩側存在減壓區(qū),兩端頭處來壓強度較小[10]; 9號煤遺留煤柱邊緣處為最大強度與最小強度的過度區(qū),約為最大強度和最小強度的平均值,與全工作面來壓強度平均值相當。

2)來壓步距分析。21103工作面周期來壓步距規(guī)律明顯可分為采空區(qū)下、9號煤煤柱影響區(qū)兩個部分,每部分內周期來壓步距具有高度一致的統(tǒng)計性[11],采空區(qū)下周期來壓步距均值為20.55 m。

3.2.2 初撐力及超前支撐力情況分析

初撐力是工作面支護的重要參數(shù),直接影響頂板狀態(tài)和管理水平。加強初撐力管理對于改善工作面頂板狀況具有重要意義。

1)由觀測數(shù)據(jù)不難看出,工作面多數(shù)支架的初撐力不足,多數(shù)沒能達到要求的額定初撐力,降低了工作面支架的支撐效果。

2)工作面中各區(qū)域的初撐力有一定差別,9號煤采空區(qū)下各支架初撐力較大,平均數(shù)達額定初撐力的44.48%,9號煤遺留煤柱下和輔運巷端頭處初撐力較小,分別只有額定初撐力的36.08%和38.66%。通過對21103工作面的礦壓觀測可知,9號煤遺留煤柱下和端頭處頂板相對較完整,頂板破碎也最小,致使初撐力打壓相對較小。

3)回采工作面超前塑性區(qū)范圍介于10.2 m～14.2 m之間,平均為12.5 m;支承壓力影響范圍介于20 m～35 m,平均為30.5 m;支承壓力峰值區(qū)間是13.21 MPa ～28.8 MPa,應力集中系數(shù)為1.51～3.3,平均應力集中系數(shù)2.28。

4)以不同鉆孔深度為橫坐標,以其相對峰值為縱坐標,得出巷道側向超前支承壓力曲線?？芍?工作面?zhèn)认虺爸С袎毫Ψ逯禐?5.75 MPa,應力集中系數(shù)為1.8,距煤壁深度為11.8 m。

3.2.3 煤壁穩(wěn)定情況分析

在進行試驗的時候經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)工作面片幫,而且片幫范圍最高能夠占到整個工作面長度的51.3%以上,平均為45.7%。工作面區(qū)域劃分為明顯的分段[12],多發(fā)生在工作面40號至120號支架之間,即工作面中部和上部。

因為礦井煤層較淺、礦壓很小,所以從工作面開始推進到直接頂來壓掉落期間,工作面基本沒有出現(xiàn)片幫的情況;但是隨著開采的不斷推進、采高增加,切屑表面嚴重[13]。當基本頂首次壓實時,煤體壁面吱吱作響,并伴有結渣現(xiàn)象。當基礎頂板壓實時,工作面兩次受到煤壁板形成的大塊煤的影響。

3.2.4 巷道存在的變形量及分析

在回采過程中21103主運巷與21102輔運巷之間煤柱穩(wěn)定較好,兩幫及頂?shù)装宓淖冃瘟繉ιa(chǎn)無明顯的影響,完全可以滿足通風與運輸?shù)囊骩14]。圖5是實測的21103巷道超前頂?shù)装逡平俣茸兓€,由巷道移動測區(qū)的觀測數(shù)據(jù)轉換得到。

圖5 21103主運巷巷道變形位移量曲線Fig.5 Deformation displacement curve of No.21103 main transport roadway

從圖5中曲線的變化規(guī)律可以看出:工作面附近受動壓的影響較明顯,圍巖變形速度較快,曲線的斜率大;而25 m以外,圍巖變形較小,曲線變的平緩,斜率小,動壓的超前影響程度不大。同時也能看出采用錨網(wǎng)支護的順槽,巷道圍巖穩(wěn)定性較好[15-16]。

3.2.5 頂板冒落情況分析

在9號煤開采過程中,9號煤采空區(qū)冒落以后,冒落物都在9號煤的底板上,而作為11號煤的頂板也就是9號煤的底板,依然是完整的。但是11號煤回采時,直接頂因為煤層間距小、頂板巖石厚度不大,導致11號煤層頂板容易破碎,且呈現(xiàn)崩落頂板破碎體積小,崩落規(guī)模大,總崩落量約50 m3。

4 結論

相似模擬實驗表明21103工作面上覆巖層跨落移動規(guī)律:

1)9號煤與11號煤之間的巖層因厚度小,在21103工作面開采過程中直接頂不能保持有效維持采場的懸頂長度,隨采隨冒。

2)21103工作面在采空區(qū)下也存在頂板的周期性跨落特性,周期步距比903采面和904采面略小,一般為20 cm～28 cm,與現(xiàn)場監(jiān)測結果基本一致。

3)工作面進入采空區(qū)下方前發(fā)生了頂板切落失穩(wěn)?，F(xiàn)場實測工作面礦壓規(guī)律:工作面不同位置周期來壓步距不一致。一方面煤柱下周期來壓步距明顯比采空區(qū)下來壓步距大；另一方面采空區(qū)下各支架來壓時間也不一致,來壓步距不穩(wěn)定,但來壓步距均值都非常接近，同時采空區(qū)下頂板壓力明顯大于煤柱下頂板壓力,且采空區(qū)下頂板壓力顯著不均勻。

通過對21103工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行研究之后,基本掌握了近距離采空區(qū)下和煤柱下1103采面支架工作阻力運行特征和周期來壓規(guī)律,為11煤工作面頂板管理和安全高效開采提供了理論指導。