錯層位關鍵層穩定性研究

宋 平，李世超，趙景禮，樊志剛，李海亞

(中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院，北京100083)

錯層位采煤法是由中國礦業大學(北京)趙景禮教授提出的，并獲得了國家發明專利。錯層位采煤法改變了傳統的巷道布置，將工作面進風巷和回風巷呈立體化布置，接續工作面進風巷布置在上一工作面的采空區下方[1]，具體布置如圖1所示。

1-區段進風巷； 2-上區段回風平巷；3-丟失的三角煤柱；4-下區段運輸巷；5-區段回風巷圖1 錯層位巷道布置圖

錯層位采煤法上覆巖層是如何運動的呢？與傳統巷道布置又有什么差別呢？目前對此研究比較少。隨著人們對采場上覆巖層運動規律的不斷深入研究，發現關鍵層在破斷前后以某種力學結構對上覆巖層的變形和破壞中起主要控制作用[2]，研究上覆巖層的運動規律就要對采場上方關鍵層進行研究，從而將問題轉化為對其關鍵層的研究。

1 錯層位關鍵層理論分析

關鍵層上部或全部巖層的變形是同步協調的，上部巖層的載荷由該關鍵層承擔。假設采場上方共有n層巖層，自采場上方第1層巖層起至上方第m(m≤ n)層巖層變形是同步協調的，則第1層巖層上承受的載荷集度為式(1)。

(1)

式中：Ei(i=1，2，…，m)為第i層巖層的彈性模量；hi(i=1,2，…，m)為第i層巖層的厚度。m+1層巖層要成為關鍵層須滿足剛度條件(式(2))。

q1(x)|m+1

(2)

山西某礦工作面上覆巖層實際情況如表1所示，通過式(1)、式(2)確定該礦首采工作面開采結束后，工作面上方20m處的粉砂巖2為關鍵層，上覆各巖層對該層的作用載荷：q1=173.7kPa，(q2)1=237.1kPa，(q3)1=258kPa，(q4)1=141.4kPa，(q4)1<(q3)1。粉砂巖2對上覆巖層起控制作用，粉砂巖2所受載荷為258kPa。

表1 山西某礦上覆巖層巖性參數

由于工作面的采高較大，破碎的矸石無法完全充填滿采空區，首采工作面還未斷裂的關鍵層四邊由實體巖層支撐，其力學模型可以簡化為四邊固支板結構[3]。四邊固支板的彎矩見式(3)。

(3)

式中：q為堅硬巖層載荷；a，b分別為采場上覆巖層懸露的幾何邊界值；λ=b/a。隨著接續工作面的不斷推進，關鍵層的跨度隨之不斷增加，當關鍵層跨度達到某一臨界值時，關鍵層上的正應力大于等于其抗拉極限強度時，即σmax≥[σ]時，關鍵層開始斷裂。其中σmax=Mmax/Wmax，Wz=b’h2/6，式中，b’，h分別為截面寬度與高度，b’取單位寬度。關鍵層開始斷裂的極限跨距如式(4)所示。

(4)

式中：h1，h2分別為關鍵層厚度及其承載上覆巖層厚度。

由式(1)～(4)計算得出式(5)。

(5)

結合該礦實際條件得出粉砂巖2關鍵層保持穩定的極限跨距為b≤78m。

與傳統巷道布置相比，錯層位巷道布置由于取消了區段煤柱，接續工作面巷道布置屬于完全沿空巷道布置形式，與傳統留小煤柱沿空巷道布置形式有區別，進風巷道是在上一工作面采空區冒落矸石已穩定狀態下開掘的，接續工作面頂板初次垮落前為三邊固支狀態，初次垮落后為工作面前方和工作面回風巷一側為實體煤的兩邊固支，兩邊簡支板結構。

工作面上覆巖層斷裂步距與簡支邊數成反比，且與λ有關，如圖2所示，當λ≤0.3時，首采和接續工作面上覆巖層的垮落步距基本相同，當λ>0.3時，接續工作面上覆巖層的極限跨距小于首采工作面上覆巖層的極限跨距[4]。

圖2 系數λ對極限跨距的影響

當工作面推進到某一臨界值時，關鍵層的跨度達到臨界值，關鍵層將會斷裂垮落，不再發揮關鍵層的作用，巖層將繼續向上發展尋求新的平衡，直到上覆某一巖層對其活動起控制作用為止，這種狀況周而復始，與傳統工作面相比，錯層位首采工作面和接續工作面的頂板連成一個整體，工作面之間的關鍵層呈現單一超長關鍵層特點[5]。

2 錯層位關鍵層FLAC3D數值模擬

在對錯層位上覆巖層進行理論分析后，現對其進行FLAC3D數值模擬分析，山西某礦煤層埋藏深度400m，3#煤層厚度為6m，煤層為近水平煤層，平均傾角為5°。煤層層理明顯，節理、裂隙發育，煤質較好。工作面采用綜放開采，采高為3.0m，采放比為1∶1，工作面采用錯層位巷道布置。實驗模擬分析以3#煤錯層位綜放工作面作為研究對象，模型模擬的煤層距離地面約400m，模擬各巖層參數如表2所示。

在不影響計算結果的前提下對模型進行簡化，簡化后模型的尺寸為長×寬×高為314m×150m×86.5m，計算模型共劃分226080個單元，240877個節點。

表2 巖層參數表

2.1 首采工作面

錯層位首采工作面與傳統工作面相類似，工作面開挖后引起上覆巖層斷裂垮落，圖3為首采工作面推進30m上覆巖層垂直位移分布云圖，上覆巖層垮落形態為拱形，隨著工作面的不斷推進，上覆巖層的活動將不斷向上發展，直至該工作面關鍵層對上覆巖層的活動起控制作用為止。

錯層位首采工作面開采完后，上覆巖層的應力分布云圖如圖4所示，首采工作面兩端產生應力集中，應力集中系數3，首采工作面回風巷下方為應力降低區，從圖5可以看出，首采工作面進風巷下方應力降低40%以上，錯層位接續工作面進風巷布置在該處，只承受部分斷裂巖石的載荷，有利于巷道掘進和維護。

圖3 首采工作面推進30m上覆巖層垂直位移分布云圖

圖4 首采工作面開采完上覆巖層垂直應力分布云圖

圖5 首采工作面開采完上覆巖層垂直應力

2.2 接續工作面

隨著接續工作面的不斷開采，工作面懸露的邊界不斷增加，上覆巖層懸露跨距達到某一臨界值時，上覆巖層斷裂垮落，與首采工作面相比，接續工作面上覆巖層由三邊固支，一邊簡支發展為兩邊固支，兩邊簡支板結構。沿工作面傾向布置測線，接續工作面上覆巖層的垂直應力如圖6所示，從圖6中可以看出上覆巖層各自垮落步距。

圖6 沿工作面傾向上覆巖層垂直應力

表3為錯層位首采和接續工作面上覆巖層垮落步距，接續工作面上覆巖層的跨距小于等于首采工作面上覆巖層跨距，且與工作面開采邊界有關，這與理論分析相符合。

表3 錯層位工作面巖層垮落步距

在接續工作面推進45～50m時，首采工作面上的關鍵層的跨度超過其臨界值，關鍵層開始斷裂垮落，不再發揮關鍵層的作用，巖層活動將繼續向上發展，尋求新的關鍵層，直到上覆中砂巖對其上覆巖層起控制作用為止。

從圖7中可以看出由于錯層位巷道布置取消了區段煤柱，首采工作面和接續工作面的頂板將連成一個整體，錯層位兩工作面之間關鍵層變為單一超長工作面關鍵層。

接續工作面開采完后沿工作面走向上覆巖層的應力如圖8所示，首采和接續工作面上覆應力相差不大，兩工作面公共關鍵層支撐著上覆巖層重量。

在兩個工作面上方布置測線，上覆巖層下沉情況如圖所示，從圖9可以看出，由于首采和接續工作面搭接處上方巖層的垮落，兩工作面變為單一超長工作面，引起上覆較大范圍巖層的運動，錯層位上覆巖層越往上運動，巖層下沉的不均勻性逐漸減小，達到地表時，下沉是緩慢均勻的。

圖7 推進60m首采和接續工作面上覆巖層應力分布云圖

圖8 工作面開采結束首采和接續工作面上覆巖層應力

圖9 接續工作面開采完后上覆巖層下沉圖

3 結論

錯層位首采工作面上覆巖層運動與傳統開采方法相類似，由于將接續工作面進風巷布置在上一工作面采空區下方，取消了區段煤柱，在開采接續工作面時，接續工作面上覆巖層運動有些特殊。

1)接續工作面上覆巖層由四邊固支板結構變為三邊固支，一邊簡支板結構，上覆巖層的垮落步距較首采工作面的小，且與工作面懸露幾何值有關。

2)錯層位首采工作面上覆巖層的垮落形態為拱形，首采工作面上覆關鍵層控制著上覆巖層的活動；首采工作面開采完之后，錯層位接續工作面進風巷布置在上一工作面采空區下方，處于應力降低區，有利于巷道掘進和維護。

3)錯層位首采和接續工作面的頂板連成一個整體，隨著接續工作面不斷開采，首采和接續工作面之間的公共關鍵層位置不斷升高，直至地表，表現為單一超長工作面關鍵層的特點，引起上覆巖層較大范圍內的移動。

4)錯層位兩個工作面上覆巖層的運動越往地表下沉越緩慢均勻，與傳統工作面相比，錯層位巷道布置工作面地表的下沉是緩慢均勻。

[1] 趙景禮.厚煤層全高開采新論[M].北京：煤炭工業出版社，2004.

[2] 錢鳴高,繆協興,許家林.巖層控制中的關鍵層理論[J].煤炭學報,1996,21(3):225-230.

[3] 付寶連.彎曲薄板功的互等新理論[M].北京:科學出版社,2003.

[4] 錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國礦業大學出版社,2003.

[5] 王志強,趙景禮，張寶優，等.錯層位巷道布置放頂煤開采關鍵層的穩定特征[J].煤炭學報，2008,33(9):961-965.