王永東

(山西忻州神達(dá)大橋溝煤業(yè)有限公司， 山西 忻州 036500)

1 前言

山西忻州神達(dá)大橋溝煤業(yè)有限公司為2009年兼并重組單獨(dú)保留礦井，開采煤層為8～13號(hào)煤層，生產(chǎn)規(guī)模90萬t/a。該礦現(xiàn)為生產(chǎn)礦井，開采上組8號(hào)煤層，該煤層資源即將開采殆盡，為保證礦井正常采掘接替，必須盡快部署礦井中組煤的開拓工作，保證礦井水平接續(xù)。礦井中組煤包括9號(hào)、10號(hào)、11號(hào)三層煤，屬于極近距離煤層群，采用聯(lián)合布置，分層開采。

1)8號(hào)煤層

為井田內(nèi)上組煤，位于山西組下部，煤層厚度3.20～3.80m，平均3.40m，含0～2層夾矸，夾矸厚度0.3～0.47 m，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。煤層厚度在東、東南薄，西、西北及北部厚，變異系數(shù)為15.73%，可采性指數(shù)為1。其頂板為黑色泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖，厚度0.6～5.04m，底板為泥巖、粉砂巖。井田南部及東南部溝谷中局部剝蝕，ZKL901、ZKL1101號(hào)鉆孔揭露該煤層已風(fēng)氧化，該煤層為穩(wěn)定全區(qū)可采煤層，為井田內(nèi)現(xiàn)開采煤層，其資源儲(chǔ)量已接近枯竭，目前在井田西部801013工作面開采。

2)9號(hào)煤層

為井田內(nèi)中組煤，位于太原組上部，上距8號(hào)煤層14.85～30m，平均23.14m。煤層厚度0～4.85m，平均2.02m，為較穩(wěn)定大部可采煤層，該煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，含夾矸0～2層。變異系數(shù)為52.80%，可采性指數(shù)為0.92。煤層厚度在西部厚，中部逐漸變薄，東南部尖滅。該煤層頂板為粗、細(xì)砂巖、泥巖，底板為泥巖。井田南部溝谷中局部剝蝕。該煤層為井田內(nèi)下步水平延深開采煤層。

3)10號(hào)煤層

為井田內(nèi)中組煤，位于太原組上部，上距9號(hào)煤層3.85～11.60m，平均5.62m。煤層厚度1.50～2.50m，平均2.14m，為穩(wěn)定全區(qū)可采煤層，該煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含夾矸0～1層。煤層厚度在中部及北部厚，西及南部逐漸變薄，變異系數(shù)為16.37%，可采性指數(shù)為1。該煤層頂板為泥巖、粉砂巖，底板為泥巖。該煤層為井田內(nèi)下步水平延深開采煤層。

4)11號(hào)煤層

為井田內(nèi)中組煤，位于太原組上部，上距10號(hào)煤層1.88～3.20m，平均2.50m，煤層厚度1.8～1.95m，平均1.86m，為穩(wěn)定全區(qū)可采煤層，該煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含夾矸0層，煤層厚度變化不大，變異系數(shù)為2.56%，可采性指數(shù)為1。該煤層頂板為泥巖，底板為泥巖。該煤層為井田內(nèi)下步水平延深開采煤層。

對(duì)于大橋溝煤業(yè)而言，上部煤層開采的同時(shí)可引起底板損傷。底板損傷深度，影響了近距離煤層群的安全開采，本文通過以下兩種方式理論分析近距離煤層群開采底板損傷深度。

2 上部煤層開采底板損傷深度計(jì)算

對(duì)于大橋溝煤業(yè)而言，上部8號(hào)煤層部分工作面已開采完三年以上，工作面頂板已經(jīng)充分垮落，先對(duì)該區(qū)域以下的9、10、11號(hào)中組煤進(jìn)行開采，現(xiàn)通過以下兩種方法對(duì)大橋溝煤業(yè)底板損傷深度進(jìn)行了計(jì)算。

2.1 彈塑性理論計(jì)算

將采場(chǎng)抽象成如圖1所示的力學(xué)模型。設(shè)開采寬度為L(zhǎng)=2a，垂直方向應(yīng)力載荷為γH(γ為采場(chǎng)上覆巖層的平均重力密度；H為煤層埋藏深度)，水平方向應(yīng)力載荷為λγH(λ為水平應(yīng)力系數(shù))。在圖中所示坐標(biāo)系下，利用彈性理論可以求得采場(chǎng)附近的應(yīng)力分布為[1-3]

(1)

圖1 采場(chǎng)圍巖應(yīng)力計(jì)算模型圖

采場(chǎng)的開采寬度L越大，工作面周圍的應(yīng)力就越大，r遠(yuǎn)小于L以及λ一般取1，σx的影響可以忽略。

平面應(yīng)力狀態(tài)為

(2)

σ3=0

平面應(yīng)變狀態(tài)為[3]

(3)

式中，μ為采場(chǎng)圍巖的泊松比。

1)平面應(yīng)力狀態(tài)采場(chǎng)邊緣屈服破壞區(qū)

假定圍巖屈服破壞時(shí)服從Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，即

σ1-ξσ3=Rmc

(4)

將式(2)代入式(4)得出，平面應(yīng)力狀態(tài)下采場(chǎng)邊緣破壞區(qū)的邊界方程為

(5)

當(dāng)θ=0時(shí)，從式(5)可以求得采場(chǎng)邊緣的水平方向屈服破壞區(qū)長(zhǎng)度r0為

(6)

利用式(6)得出開采層邊緣下方由于應(yīng)力集中導(dǎo)致的底板巖體屈服破壞深度h為

(7)

對(duì)式(7)進(jìn)行求一階導(dǎo)數(shù)，解方程即可得到平面應(yīng)力狀態(tài)下底板巖體的最大屈服破壞深度hmax為[4]

(8)

該最大值在θ=-74.84°時(shí)(負(fù)號(hào)表示圖2中x軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn))取得。

圖2 采場(chǎng)邊緣巖體屈服破壞區(qū)域

可以看出，采場(chǎng)邊緣底板巖體最大屈服破壞深度與工作面開采寬度成正比，與巖體中垂直應(yīng)力的平方成正比關(guān)系，與巖體自身單軸抗壓強(qiáng)度的平方成反比關(guān)系。

底板巖體最大屈服破壞深度與工作面端部的水平距離Lp為

(9)

2)平面應(yīng)變狀態(tài)采場(chǎng)邊緣屈服破壞區(qū)

將式(3)代入式(4)，平面應(yīng)變狀態(tài)下采場(chǎng)邊緣附近破壞區(qū)的邊界方程為

(10)

當(dāng)θ=0時(shí)，由式(10)可以求出平面應(yīng)變情況下采場(chǎng)邊緣水平方向屈服破壞區(qū)深度r′0為

(11)

平面應(yīng)變情況開采層邊緣底板下方巖體的屈服破壞深度h′0為

(12)

(13)

由式(13)得到有效解為

(14)

由式(13)、(14)可以求出平面應(yīng)變狀態(tài)下開采層邊緣下方由于應(yīng)力集中導(dǎo)致的底板巖體最大屈服破壞深度h′max為

(15)

以上計(jì)算沒有考慮屈服破壞區(qū)巖體由于發(fā)生應(yīng)力屈服導(dǎo)致的塑性流動(dòng)效果，如果考慮這種效果，屈服破壞區(qū)的范圍還會(huì)進(jìn)一步增大。所以在實(shí)際工程計(jì)算時(shí)可以按照式(8)確定采場(chǎng)底板屈服破壞深度(即為底板損傷深度用hσ表示)，考慮到巖體節(jié)理裂隙影響，底板損傷深度hσ為

(16)

式中：β——節(jié)理裂隙影響系數(shù)；

Rc——圍巖抗壓強(qiáng)度。

2.2 滑移線場(chǎng)理論計(jì)算

仍以長(zhǎng)壁工作面開采為例，根據(jù)滑移線場(chǎng)理論，支承壓力影響而形成的底板屈服破壞深度如圖3所示。則底板屈服破壞深度h為

(17)

(18)

式中，h為底板屈服破壞深度；φ為煤體的內(nèi)摩擦角；φf為底板巖層內(nèi)摩擦角。

Ⅰ—主動(dòng)極限區(qū)； Ⅱ—過渡區(qū)； Ⅲ—被動(dòng)極限區(qū)圖3 支承壓力所形成的底板屈服破壞深度

則有：

(19)

(20)

由式(17)至式(20)得

(21)

根據(jù)極限平衡理論計(jì)算煤壁塑性區(qū)寬度x0為

(22)

由式(21)、(22)確定上部煤層開采時(shí)底板巖層最大屈服破壞深度hmax，即采場(chǎng)底板損傷破壞深度hσ為

(23)

式中：M——煤層開采厚度；

k——應(yīng)力集中系數(shù)；

γ——上覆巖層重力密度；

H——煤層埋藏深度；

C——煤體內(nèi)聚力；

φ——煤體內(nèi)摩擦角；

f——煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦系數(shù)；

Pi——支架對(duì)煤幫的阻力；

φf——底板巖層內(nèi)摩擦角。

3 大橋溝煤業(yè)上部煤層開采底板損傷深度實(shí)算

(1)大橋溝煤業(yè)8號(hào)煤層最大埋深取120m，上覆巖層重力密度γ=25kN/m3，煤層厚度3.20～3.80m，平均厚3.4m，8號(hào)煤層工作面長(zhǎng)度為150m。根據(jù)礦井地質(zhì)資料，φ=25°，f=0.2，C=1.25MPa，k=2.7,φf=28°，Rc=61MPa；β=0.32；ξ=2.46，Pi=0。將上述參數(shù)帶入可得8號(hào)煤開采引起底板的破壞深度。

彈塑性理論計(jì)算為

滑移線場(chǎng)理論計(jì)算為

(2)大橋溝煤業(yè)9號(hào)煤層最大埋深取150m，上覆巖層重力密度γ=25kN/m3，煤層厚度0～4.85m，平均厚2.02m，9號(hào)煤層工作面長(zhǎng)度為200m。根據(jù)礦井地質(zhì)資料，φ=25°，f=0.2，C=1.25MPa，k=2.7；φf=28°，Rc=61MPa；β=0.32；ξ=2.46，Pi=0。將上述參數(shù)帶入可求得9號(hào)煤開采引起底板的破壞深度。

彈塑性理論計(jì)算為

滑移線場(chǎng)理論計(jì)算為

(3)大橋溝煤業(yè)10號(hào)煤層最大埋深取160m，上覆巖層重力密度γ=25kN/m3，煤層厚度1.50～2.50m，平均厚2.14m，10號(hào)煤層工作面長(zhǎng)度為191m。根據(jù)礦井地質(zhì)，φ=25°，f=0.2，C=1.25MPa，k=2.7；φf=28°，Rc=61MPa；β=0.32；ξ=2.46，Pi=0。將上述參數(shù)帶入可求得10號(hào)煤開采引起底板的破壞深度。

彈塑性理論計(jì)算為

滑移線場(chǎng)理論計(jì)算為

因此，通過理論分析計(jì)算得出大橋溝煤業(yè)8號(hào)、9號(hào)、10號(hào)煤層開采后的底板最大損傷破壞深度分別為13.91m、28.97m、31.48m。大橋溝煤業(yè)8號(hào)煤與9號(hào)煤最大層間距為30m，其屈服比ψ=0.46，上部8號(hào)煤層開采后，9號(hào)煤層頂板未完全損傷破壞，頂板塊裂。大橋溝煤業(yè)9號(hào)煤與10號(hào)煤最大層間距為11.60m，其屈服比ψ=2.50，但9、10號(hào)煤層之間層間距大于1.2倍的采厚，上部9號(hào)煤層開采后，10號(hào)煤層頂板有足夠的厚度避免嚴(yán)重破碎，頂板塊裂。大橋溝煤業(yè)9號(hào)煤與11號(hào)煤最大層間距為14.80m，10號(hào)煤層與11號(hào)煤層最大層間距為3.20m(11號(hào)煤層巷道相對(duì)于10號(hào)煤層運(yùn)輸巷道計(jì)劃采用外錯(cuò)布置，11號(hào)煤層運(yùn)輸巷道計(jì)劃布置于9號(hào)煤層運(yùn)輸巷道正下方)，其屈服比ψ9=2.13，ψ11=9.84，上部9、10號(hào)煤層開采后，11號(hào)煤層頂板受二次采動(dòng)影響，已經(jīng)完全損傷破壞，已成碎裂頂板。因此，針對(duì)大橋溝煤業(yè)9號(hào)、10號(hào)煤層回采巷道圍巖宜采用錨桿支護(hù)，10號(hào)煤層局部破碎地帶，層間距小于5m時(shí)，建議加強(qiáng)支護(hù)，11號(hào)煤層回采巷道圍巖采用被動(dòng)的棚式支架支護(hù)為主，并輔以錨桿支護(hù)。

4 結(jié)論

通過理論分析計(jì)算得出大橋溝煤業(yè)8號(hào)、9號(hào)、10號(hào)煤層開采后的底板最大損傷破壞深度分別為13.91m、28.97m、31.48m，上部8號(hào)煤層開采后，9號(hào)煤層頂板未完全損傷破壞，頂板塊裂；上部9號(hào)煤層開采后，10號(hào)煤層頂板有足夠的厚度避免嚴(yán)重破碎，頂板塊裂；上部9、10號(hào)煤層開采后，11號(hào)煤層頂板受二次采動(dòng)影響，已經(jīng)完全損傷破壞，已成碎裂頂板。因此，在近距離煤層群開采過程中，要加強(qiáng)頂板監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)破碎地帶的支護(hù)，形成應(yīng)急管理機(jī)制，切實(shí)保障工作面的頂板的安全，保障工作面安全生產(chǎn)。