近距離下煤層工作面頂板破壞規(guī)律及控制技術(shù)研究

陳金明

(中煤天津設(shè)計工程有限責任公司,天津 300120)

隨著礦井的開采,賦存條件較好煤炭資源越來越少,近距離煤層的開采愈發(fā)得到重視。近距離煤層開采與其他煤層開采的不同在于各煤層間距較近,上煤層采動應(yīng)力通過煤層間較薄巖層直接傳遞作用到相鄰煤層,下煤層應(yīng)力場趨于復(fù)雜,同時也對下煤層頂板產(chǎn)生了不利影響。

針對近距離煤層開采所面臨的難題,國內(nèi)專家已開展了多方面研究,并取得了許多優(yōu)秀成果。劉增輝、周坤支等[1-2]從采場圍巖應(yīng)力及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律方面進行了近距離煤層開采特殊應(yīng)力場的研究；張春雷[3]從采場底板應(yīng)力傳遞規(guī)律及破壞機制方面分析了上煤層回采對下煤層開采的影響；呂兆海等[4]從覆巖垮落及運移規(guī)律方面分析了近距離煤層群開采頂板損傷特征及覆巖運動規(guī)律；魯巖等[5]從巷道優(yōu)化布置及支護方面解決近距離煤層工作面是否應(yīng)該采用外錯、內(nèi)錯、重疊或平移等布置方式,深入分析了如何確定錯距,避免巷道布置在應(yīng)力集中區(qū)或圍巖破碎區(qū)等問題。上述研究對近距離煤層的安全高效開采起到了指導作用,但對下煤層回采工作面頂板破壞規(guī)律與頂板控制關(guān)系的研究較少。下煤層回采工作面頂板若無有效控制措施,容易出現(xiàn)流矸、冒頂?shù)劝踩鹿省?/p>

為解決近距離煤層下煤層回采工作面頂板難以控制難題,本文以襄垣七一煤礦3號煤層5101綜采工作面開采為研究背景,開展近距離煤層下煤層工作面頂板破壞規(guī)律及控制技術(shù)措施研究,以達到近距離煤層下煤層工作面安全回采目的。

1 工程概況

襄垣七一煤礦5001綜采工作面布置在3上煤層,煤層厚1.90～2.35 m,平均2.16 m。煤層直接頂板為砂質(zhì)泥巖、細粒砂巖,底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖。5001綜采工作面于2015年8月回采完畢,底板未鋪網(wǎng)灌漿人造假底。5101綜采工作面布置在3#煤層,煤層厚度為2.6～3.2 m,平均3.0 m。煤層頂板(即3上煤層底板)為泥巖、砂質(zhì)泥巖,灰黑色，致密性脆,節(jié)理發(fā)育，易冒落,厚度為0.6～7.5 m,該層以下簡稱“中間巖層”。5101綜采工作面在5001綜采工作面回采完畢約1 a后回采。工作面地質(zhì)綜合柱狀見圖1,兩個工作面剖面位置關(guān)系見圖2。

圖1 工作面綜合地質(zhì)柱狀圖Fig.1 Comprehensive geological histogram of working face

圖2 5001及5101綜采工作面巷道布置Fig.2 Roadway layout in No.5001 and No.5101 fully mechanized face

2 煤巖力學分析

2.1 煤巖力學模型

根據(jù)七一煤礦煤層賦存條件,可將此近距離煤層及中間巖層建立煤巖力學模型,見圖3。

圖3 煤巖力學模型Fig.3 Coal-rock mechanics model

根據(jù)本礦井圍巖條件,煤層頂?shù)装鍙椥阅Ａ窟h大于中間巖層,中間巖層大于煤層,即Es,Ex?Ey>Em。將煤層及中間巖層的損傷過程定義為破壞,為更好地進行定量分析,將模型理想化,以煤巖應(yīng)變值ε表示損傷值,煤巖破碎成散體后,認為其完全損傷，并假設(shè)抗壓強度和抗拉強度損傷弱化同步，即損傷參數(shù)D相同。此模型初設(shè)為3上號煤層未回采時力學狀態(tài)。據(jù)此力學模型,通過分析3上煤層和3#煤層的回采過程,得出其煤巖損傷規(guī)律及特點。

2.2 煤巖損傷規(guī)律及特點

5001綜采工作面回采時,在超前支承應(yīng)力σz作用下,煤層與中間巖層整體均出現(xiàn)變形。由于煤巖彈性模量不同,導致在相同應(yīng)力條件下,應(yīng)變量各不相同,體現(xiàn)出的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為:

σz=Emεm=Eyεy.

(1)

式中:σz為超前支承應(yīng)力,MPa;Em、Ey分別為煤體和巖體彈性模量,MPa;εm、εy分別為煤體和巖體應(yīng)變量。

由于煤體與中間巖層抗壓強度不同,兩者不會同時達到各自峰值強度。一般情況下,中間巖層的抗壓強度大于煤體,煤體先達到峰值抗壓強度發(fā)生破壞。根據(jù)最大超前支承應(yīng)力與煤體峰值強度大小的不同,煤巖將呈現(xiàn)出不同損傷規(guī)律。

2.2.1超前應(yīng)力大于煤體峰值強度

當最大超前支承應(yīng)力小于煤體峰值強度時,根據(jù)式(1)可得:

(2)

在煤體彈性模量和應(yīng)變量不變的情況下,中間巖層應(yīng)變值與其彈性模量成反比,而應(yīng)變值的大小則表征了煤巖損傷程度。因此,可以認為,在峰值之前中間巖層損傷主要取決于煤巖彈性模量比值。如煤巖彈性模量比值越大,則中間巖層應(yīng)變量越大,破壞越嚴重。但由于煤巖體均為彈性階段,變形量較小,因此可認為兩者損傷均較小。

2.2.2超前應(yīng)力小于煤體峰值強度

當最大超前支承應(yīng)力大于煤體峰值強度時,超前支承應(yīng)力將首先使煤體發(fā)生塑性破壞,此時中間巖層仍處于彈性階段,這時煤巖體承載力降低至煤體殘余強度,煤巖體卸壓,超前支承應(yīng)力向煤壁深部轉(zhuǎn)移,因此中間巖體一般不會發(fā)生抗壓塑性破壞。但此時,煤體會因為發(fā)生了塑性破壞,產(chǎn)生較大應(yīng)變量,而中間巖層處于彈性階段，應(yīng)變量較小,兩者間應(yīng)變量的不同會導致相互間產(chǎn)生滑移運動,從而對中間巖體產(chǎn)生一定損傷。

由于煤體的破壞使中間巖層遭到損傷,若損傷參量為D,則損傷后的中間巖層強度可表示為:

(3)

2.3 中間巖體損傷參數(shù)

煤巖體損傷可在一定程度上體現(xiàn)應(yīng)變量的增大,但煤巖體間的相互作用使煤巖體損傷和破壞過程趨于復(fù)雜化。

假設(shè)中間巖體處于最不利情況,即上煤層回采過程中,超前支承應(yīng)力達到了煤體強度峰值,此時中間巖層應(yīng)變量:

(4)

通過變換可得:

(5)

式中:εgy、εgm分別為中間巖體和煤體峰值時應(yīng)變量；σcy、σcm分別為中間巖體和煤體峰值抗壓強度,MPa。

根據(jù)Weibull分布,可得到煤巖體損傷參量D:

(6)

將式(3)代入上式可得,頂煤發(fā)生破壞時中間巖層的損傷值:

(7)

由上可知,當中間巖層強度大于煤體強度時,中間巖層與煤體的強度越接近,對中間巖層的破壞越大,即中間巖層強度越低,中間巖層的破壞越嚴重。

3 5101工作面頂板臨界厚度值

5001綜采工作面在超前支承應(yīng)力的作用下,煤巖根據(jù)自身力學性質(zhì)發(fā)生變形,但其變形不協(xié)調(diào),導致中間巖層產(chǎn)生了損傷。

隨5101綜采工作面推進,5001采空區(qū)矸石、中間巖層及3#煤層煤體將再次受力。此時中間巖層形成損傷懸臂梁結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)如破斷冒落,則有可能造成5101綜采工作面回采過程中頂板的失控冒落。

通過對中間巖層損傷懸臂梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析,可得到5101綜采工作面頂板厚度與相關(guān)變量關(guān)系式:

(8)

由上可知,中間巖層頂板臨界厚度受中間巖層強度、5001綜采工作面采空區(qū)矸石荷載以及工作面端面距的影響。

結(jié)合相似工作面開采經(jīng)驗取中間巖層頂板以上采空區(qū)矸石厚度hcg=11 m;采空區(qū)矸石容重γcg=22 kN/m3;中間巖層容重γy=26.3 kN/m3;下煤層工作面的允許端面距為l。

根據(jù)現(xiàn)場回采資料數(shù)據(jù),最大端面距l(xiāng)max=0.9 m(其中截割深度=0.6 m,液壓支架與煤壁安全間隙=0.3 m)。只考慮每次進一刀的截深時,最小端面距l(xiāng)min=0.6 m;每次進半刀的截深時,最小端面距l(xiāng)min=0.3 m?？紤]采動動壓以及煤巖體原生裂隙等不利因素,中間巖層損傷參量D在原有基礎(chǔ)上增加1.5倍系數(shù),端面距l(xiāng)在計算中增加附加安全距離0.5 m。

通過計算,中間巖層的抗拉強度為0.27 MPa。

在端面距0.9 m條件下,計算式中l(wèi)取值1.4 m,計算可得工作面中間巖層頂板的所需厚度為2.43 m,取3.0 m。

當端面距0.6 m條件下,計算式中l(wèi)取值1.1 m,計算可得工作面中間巖層頂板的所需厚度為1.95 m,取2.0 m。

當端面距0.3 m條件下,計算式中l(wèi)取值0.8 m,計算可得工作面中間巖層頂板的所需厚度為1.46 m,取1.5 m。

當端面距0.2 m條件下,計算式中l(wèi)取值0.7 m,計算可得工作面中間巖層頂板的所需厚度為0.54 m,取1.0 m。

4 工程應(yīng)用

4.1 工作面頂板危險程度劃分

根據(jù)礦井生產(chǎn)實際,結(jié)合七一煤礦近距離煤層下煤層回采工作面頂板臨界厚度結(jié)論、頂板完整性、采煤機截割深度等因素,對5101工作面進行危險程度分區(qū)劃分,分區(qū)方案如表1所示。

表1 5101工作面頂板危險程度劃分Table 1 Roof danger areas of No.5101 working face

4.2 工作面頂板控制措施

結(jié)合頂板破壞規(guī)律和生產(chǎn)實際,針對不同危險區(qū),可采取不同措施進行頂板管理。

1)開采一般危險區(qū)時,懸臂梁結(jié)構(gòu)頂板處于臨界狀態(tài),主要采取快速控頂、及時支護、擦頂移架法和超前帶壓拉架法等措施。

2)開采危險區(qū)時,需要及時對頂板進行支護,并縮小截割深度,可采取的具體措施為:a.正常采煤時，及時移架，及時前伸液壓支架前探梁護頂、追機作業(yè);b.頂板有破碎現(xiàn)象時，采煤機截深由0.6 m縮小到0.3 m;c.局部頂板破碎時，木抬棚貼幫支護,如圖4所示;d.局部頂板破碎有冒頂危險時，板梁超前支護,如圖5所示;e.頂板破碎有冒頂危險時，鋼管楔超前支護,如圖6所示;f.大部頂板破碎時，降低采高;g.局部冒頂時,注化學漿。

圖4 工作面木抬棚及時支護示意圖Fig.4 Schematic diagram of timely support of wooden carrying frame timber of working face

圖5 工作面板梁及時支護示意圖Fig.5 Schematic diagram of timely support of plate-girder of working face

圖6 工作面超前鋼管撞楔支護示意圖Fig.6 Schematic diagram of advance steel pipe wedge support of working face

3)開采重大危險區(qū)時,在頂板完整情況下采取減少截深、及時支護、快速推進等措施,確保安全回采；在頂板破碎情況下需采取化學注漿加固圍巖,之后再回采的措施。

4.3 回采效果

5101工作面于2016年10月開始回采,并于2017年11月回采完畢。在回采過程中,采取了快速控頂,嚴格進刀尺寸,工作面液壓支架采用“擦頂移架法”進行管理,過斷層附近、頂板較薄和頂板裂隙發(fā)育處采取了超前支護措施。工作面頂板得到較好控制,未發(fā)生頂板冒落情況。

5 結(jié)論

1)當最大超前支承應(yīng)力小于煤體峰值強度時,中間巖層損傷程度主要取決于煤巖彈性模量比值。煤巖彈性模量比值越大,則中間巖層應(yīng)變量越大,破壞越嚴重,但由于煤巖體均為彈性階段,變形量較小,可認為兩者損傷均較小。

2)當最大超前支承應(yīng)力大于煤體峰值強度時,由于煤巖力學性質(zhì)不同,煤巖變形量不一致,產(chǎn)生相互滑移,從而使中間巖體被破壞,此情況下,中間巖層破壞較嚴重。

3)近距離煤層開采中,下煤層工作面巖層頂板臨界厚度受中間巖層強度、巖層上方采空區(qū)荷載以及工作面端面距的影響。

4)針對完整性較好頂板,可采取控制下煤層回采工作面端面距,并輔以頂板及時支護、超前支護的方法，達到安全管理工作面頂板的目的。

5)根據(jù)井下生產(chǎn)實際并結(jié)合下煤層工作面頂板臨界厚度及其他影響因素,可將七一煤礦3號煤層5101工作面頂板劃分為一般危險區(qū)、危險區(qū)和重大危險區(qū)。開采一般危險區(qū)時,端面距須控制在0.9 m以內(nèi),并采取快速控頂、及時支護、擦頂移架法和超前帶壓拉架法等措施;開采危險區(qū)時,端面距須控制在0.6 m以內(nèi),并輔以及時支護和超前支護等措施;開采重大危險區(qū)時,如頂板完整,須采取減少截深、及時支護、快速推進等措施,如頂板破碎,需采取化學注漿加固圍巖后再回采的措施。