孫浩杰,徐青云,趙曉渝,李碩森

(山西大同大學(xué) 煤炭工程學(xué)院,山西 大同 037003)

由于地質(zhì)運(yùn)動的原因,我國煤層埋藏條件比較復(fù)雜,據(jù)統(tǒng)計(jì),我國堅(jiān)硬頂板煤層約占30%以上,覆蓋50%以上的礦區(qū)[1]。堅(jiān)硬頂板具有高強(qiáng)度、厚度大、節(jié)理和裂隙發(fā)育弱等特征,使得工作面推采后的采空區(qū)頂板不易規(guī)則垮落,特別在初次和周期來壓之前,頂板形成大面積懸頂?shù)奈ｋU(xiǎn)性很高[2-4]。特厚煤層綜放開采過程中易形成巨大的采出空間,煤層上部巖層垮落不能完全填滿采空區(qū),容易形成特厚煤層上方堅(jiān)硬頂板的大面積懸露,當(dāng)發(fā)生堅(jiān)硬頂板垮落時(shí)會造成大范圍強(qiáng)壓[5-6]。于斌等[7]針對大同礦區(qū)特厚煤層堅(jiān)硬頂板做了深入研究,得出了堅(jiān)硬頂板斷裂擾動范圍廣,工作面形成強(qiáng)礦壓,特別是煤層頂板“見方”開采時(shí),采場礦壓顯現(xiàn)更加強(qiáng)烈的結(jié)論。宮耀等[8]針對厚硬砂巖頂板使用Flac3D研究破斷規(guī)律,得出了厚硬頂板的初次垮落步距與老頂?shù)闹芷跀嗔巡骄?。鄭凱歌等[9]針對堅(jiān)硬頂板破斷演化特征,提出了“長懸臂梁”階段—“砌體梁滑落”階段—“重新壓實(shí)”階段三個(gè)階段。白鵬程[10]基于礦壓觀測數(shù)據(jù),分析得出了堅(jiān)硬頂板的動載系數(shù)平均為1.28的結(jié)論。本文以同忻礦8311工作面上方堅(jiān)硬頂板為研究主體,通過理論計(jì)算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場礦壓觀測的方法進(jìn)行研究,為相同地質(zhì)條件下煤層開采提供經(jīng)驗(yàn)。

1 工作面概況

同忻礦8311工作面煤層厚度一般為14～18 m,局部厚度超過20 m,屬于特厚煤層,平均埋深超過500 m,以5311巷道為回風(fēng)巷,以2311巷道為運(yùn)輸巷。圖1為工作面布置示意圖。煤層上覆巖層以堅(jiān)硬砂巖類巖石為主,根據(jù)地質(zhì)資料和關(guān)鍵層理論,可以判定巖層柱狀圖中編號為7的粗砂巖與中粗粒砂巖巖層和編號為1的含粒粗砂巖巖層為關(guān)鍵層,本文研究聚焦于這兩層堅(jiān)硬頂板。圖2為巖層柱狀圖。

圖1 工作面布置示意

圖2 巖層柱狀圖

2 理論計(jì)算

頂板來壓步距不僅影響頂板破斷形式,同時(shí)也影響著工作面推進(jìn)時(shí)的支護(hù)方式,對煤層開采至關(guān)重要。為計(jì)算8311工作面采動時(shí)堅(jiān)硬頂板來壓步距,把堅(jiān)硬頂板視為固支梁。由于固支梁的極限彎矩分布于兩端,因此隨著8311工作面的不斷推移,堅(jiān)硬頂板達(dá)到其極限抗拉強(qiáng)度時(shí)發(fā)生破斷,即出現(xiàn)初次來壓。此時(shí),堅(jiān)硬頂板作為梁結(jié)構(gòu)斷裂的初次來壓步距LA[11]為:

(1)

式中:h為堅(jiān)硬頂板的自身高度,m;σt為堅(jiān)硬頂板承受最大拉應(yīng)力,MPa;q1為堅(jiān)硬頂板上覆載荷,MPa.

當(dāng)8311工作面繼續(xù)向前推進(jìn)時(shí),上方堅(jiān)硬頂板懸露面積增大,受采動影響和重力加壓的作用,堅(jiān)硬頂板產(chǎn)生周期性破斷,造成8311采動工作面產(chǎn)生周期來壓。這時(shí),堅(jiān)硬頂板的周期來壓步距可以取初次來壓步距的1/4～1/3.

根據(jù)該礦8311工作面的地質(zhì)條件,結(jié)合關(guān)鍵層理論,把上位堅(jiān)硬頂板視為第一層關(guān)鍵層,對上方軟弱巖層起主要承載作用,下位堅(jiān)硬頂板視為第二層關(guān)鍵層,對兩層堅(jiān)硬頂板之間的軟弱巖層起主要承載作用,依次分別得到兩層堅(jiān)硬頂板的上覆載荷。根據(jù)同忻礦地質(zhì)資料,下位堅(jiān)硬頂板的平均厚度為8.12 m,抗拉強(qiáng)度為7.12 MPa,上覆均布載荷q1近似為0.13 MPa;上位堅(jiān)硬頂板的平均厚度為19.8 m,抗拉強(qiáng)度為7.12 MPa,上覆均布載荷q2近似為0.25 MPa.將參數(shù)分別帶入式(1)計(jì)算,可以得到該礦8311工作面下位堅(jiān)硬頂板的初次來壓步距為85 m,周期來壓步距為21.25～28.3 m;上位堅(jiān)硬頂板的初次來壓步距為149 m,周期來壓步距為37.25～49.7 m.

3 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬是研究采礦工程問題最常用的方法之一,通常采用非連續(xù)和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)這兩種計(jì)算方法。為了深入探究該礦特厚煤層8311工作面中雙硬頂板的破斷規(guī)律,這里使用了非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法下的離散單元程序UDEC對這一過程進(jìn)行研究。

根據(jù)該礦的實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件,模擬8311工作面開采過程中上覆巖層的運(yùn)移規(guī)律。數(shù)值計(jì)算模型與實(shí)際原型的比例近似為1∶1.模擬的煤層開采厚度為14.91 m,下位堅(jiān)硬頂板厚度為8.12 m,軟弱夾層厚度為20.39 m,上位堅(jiān)硬頂板厚度為19.8 m.整個(gè)模型的尺寸為長×寬=250 m×82.01 m,在模型底部邊界垂直方向進(jìn)行固定,在左右邊界水平方向進(jìn)行固定。根據(jù)同忻礦地質(zhì)資料如表1所示,建立的數(shù)值模型如圖3所示。進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí),塊體本構(gòu)模型采用Mohr—Coulomb模型,節(jié)理本構(gòu)模型為面接觸的庫侖滑移模型。

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)

圖3 數(shù)值模擬模型圖

模型建立好之后,需要完成初始的應(yīng)力平衡計(jì)算。為精確模擬開挖過程中堅(jiān)硬頂板的變化,留設(shè)16 m煤柱邊界,3-5號煤層每8 m開挖一次,記錄頂板巖層的移動情況。隨著8311工作面向前推進(jìn),煤層上方的軟弱巖層開始垮落,由于堅(jiān)硬頂板不易垮落,會形成大面積懸頂,當(dāng)工作面推進(jìn)到80 m時(shí),下位堅(jiān)硬頂板發(fā)生初次破斷,其上方的軟弱巖層隨之下沉,如圖4所示。當(dāng)工作面推進(jìn)到96 m時(shí),下位堅(jiān)硬頂板發(fā)生周期性破斷,形成明顯的懸臂梁結(jié)構(gòu),下位堅(jiān)硬頂板上方的中粗粒砂巖層作為較為堅(jiān)硬的巖層起到一定的承載作用,更上方的軟弱巖層直接垮落,如圖5所示。工作面上位堅(jiān)硬頂板由于強(qiáng)度高、巖層層厚大,具有較強(qiáng)的抗變形能力,托板效應(yīng)顯著,直至工作面推進(jìn)至152 m時(shí),上位堅(jiān)硬頂板中部才開始初次破斷,其下方巖層基本完全垮落,如圖6所示。當(dāng)工作面推進(jìn)到184 m時(shí),上位堅(jiān)硬頂板發(fā)生周期性破斷,周期斷裂步距為32 m,如圖7所示。

圖4 下位堅(jiān)硬頂板發(fā)生初次破斷

圖5 下位堅(jiān)硬頂板發(fā)生周期性破斷

圖6 上位堅(jiān)硬頂板發(fā)生初次破斷

圖7 上位堅(jiān)硬頂板發(fā)生周期性破斷

在工作面推進(jìn)過程中,上覆巖層不斷垮落,為了分析上覆巖層結(jié)構(gòu)破斷后的垮落規(guī)律,分別在煤層上方、下位堅(jiān)硬頂板下方和上位堅(jiān)硬頂板下方設(shè)置3條位移監(jiān)測線,可以得到它們的位移變化曲線,如圖8所示。

從圖中可以看出,在該3-5號煤層向前推進(jìn)的同時(shí),上覆巖層因采動影響隨之發(fā)生運(yùn)動,巖層下沉量隨之增加。下位堅(jiān)硬頂板在破斷后,形成懸臂梁結(jié)構(gòu),維持了一定的穩(wěn)定,在工作面推進(jìn)到104 m時(shí),才會出現(xiàn)突然性的大塊垮落;采空區(qū)上部上位堅(jiān)硬頂板逐漸懸空,形成固支梁結(jié)構(gòu),在工作面推進(jìn)到128 m時(shí),梁的中部開始下沉,由于軟弱巖層垮落后,不能完全充填采空區(qū),上位堅(jiān)硬頂板下方缺少支撐,上位堅(jiān)硬頂板在發(fā)生周期性破斷之后,會隨之垮落。

4 礦壓觀測

選取8311綜放工作面為研究對象,對現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。工作面周期來壓的判斷指標(biāo)為支架的平均循環(huán)末阻力。動載系數(shù)K常用作堅(jiān)硬頂板周期來壓強(qiáng)度指標(biāo)[12],動載系數(shù)可表示為:

K=Pz/Pf

(2)

式中:Pz為周期來壓支架平均工作阻力,kN;Pf為非周期來壓支架平均工作阻力,kN.

利用該工作面數(shù)據(jù),算出堅(jiān)硬頂板周期來壓動載系數(shù),具體數(shù)值見表2.該工作面部分支架循環(huán)末阻力曲線如圖9～圖11所示。通過對資料的計(jì)算與研究,得到工作面的堅(jiān)硬頂板周期來壓步距為16～34.9 m;來壓期間最大工作面阻力為15 965.2 kN,占額定阻力的96.3%,周期來壓期間動載系數(shù)為1.04～1.78,平均為1.24.

表2 堅(jiān)硬頂板歷次來壓期間動載系數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖9 8311工作面51號支架循環(huán)末阻力曲線圖

圖10 8311工作面81號支架循環(huán)末阻力曲線圖

圖11 8311工作面111號支架循環(huán)末阻力曲線圖

根據(jù)礦壓觀測進(jìn)行分析,得出8311工作面具有大小周期來壓特點(diǎn),且每間隔兩個(gè)小周期來壓就進(jìn)行一個(gè)大周期來壓,大周期來壓期間來壓強(qiáng)度明顯增加,來壓范圍更大,頂板支護(hù)效果變差。為了更深入剖析作業(yè)面的大周期來壓特點(diǎn),匯總分析工作面礦壓數(shù)據(jù),得出大周期來壓步距較長,一般為28～41 m,兩個(gè)小周期來壓后,再發(fā)生下一個(gè)大周期來壓。在大周期來壓時(shí),支架最大工作阻力14 532.2～15 756.2 kN,來壓強(qiáng)度參數(shù)明顯大于小周期來壓強(qiáng)度。大周期來壓階段支架工作阻力增大,來壓范圍更廣,幾乎分布在整個(gè)工作面,而小周期來壓階段支架工作阻力相對較小,且持續(xù)時(shí)間短。具體來說,工作面推進(jìn)過程中,在一個(gè)周期來壓范圍內(nèi),下位懸臂梁破斷并垮落形成小周期來壓,隨著工作面繼續(xù)推進(jìn),上位堅(jiān)硬頂板斷裂,但回轉(zhuǎn)空間不大,形成上位砌體巖梁。該結(jié)構(gòu)發(fā)生一定回轉(zhuǎn),同時(shí)造成下位懸臂梁破斷并垮落,最終作用于支架上部形成大的周期來壓。

5 結(jié) 語

通過關(guān)鍵層理論和UDEC數(shù)值模擬,分別計(jì)算了兩層堅(jiān)硬頂板的初次和周期來壓步距,二者相互驗(yàn)證。通過現(xiàn)場礦壓觀測,得到了特厚煤層堅(jiān)硬頂板綜放開采時(shí),周期來壓期間動載系數(shù)為1.04～1.78,平均為1.24,出現(xiàn)“大小周期來壓”的現(xiàn)象,結(jié)合UDEC數(shù)值模擬可以推測出,在8311工作面煤層開采的一個(gè)大周期來壓范圍內(nèi),下位堅(jiān)硬頂板以懸臂梁形式破斷垮落造成小周期來壓,上位堅(jiān)硬頂板以砌體梁的形式破斷并造成大周期來壓。