峰叢地貌淺埋煤層工作面覆巖移動規律研究?

郭建達,韓連昌,田 燚,鄢朝興

(貴州大學 礦業學院, 貴州 貴陽 550025)

0 引 言

淺埋煤層廣泛賦存于我國西部地區,已探明的該種煤層主要分為兩類,分別賦存于陜西、內蒙古為代表的西北沙漠地區和西南地區云貴川等省份的山區,第一類對應地表地形平緩、基巖較薄、表土層為厚松散沙土層,如神府、東勝煤田等;第二類煤層對應地表地形為起伏較大的峰叢地貌,薄松散層較厚基巖、煤層埋深變化強烈是其典型賦存特征[1G3].

國內外專家學者對淺埋煤層開采工作面頂板破斷特征、支護阻力確定、突水潰沙防治及采動引發地表開裂塌陷等方面進行了卓有成效的研究:黃慶享教授等[2,4G5]在淺埋煤層綜采工作面實測結果和實驗模擬的基礎上,分析得出基本頂初次來壓時關鍵層呈現非對稱性破斷,提出了關鍵層的非對稱三鉸拱結構.石平五、錢鳴高、侯忠杰教授等[6G7]經大量觀測和模擬實驗得出頂板破斷的主要形式是整體切落,并指出提高支架初撐力和及時充填采空區是控制頂板的有效方法.劉國磊等[8G9]以發耳礦為研究對象,得出山地淺埋煤層推進過程中基本頂更易發生滑落失穩,且初次破斷具有不對稱性.由于煤層對應地表地形地貌差異較大,上述研究結果不能很好地指導峰叢地貌下淺埋煤層開采的頂板控制和支架選型.

現場實測結果表明:由于峰叢地貌淺埋煤層上覆巖層遭到開采擾動及侵蝕后較難形成穩定的砌體梁結構,工作面來壓異常強烈,常伴隨頂板破斷切冒、煤壁片幫、巷道支架壓死及其他設備損壞等礦壓災害的產生.為此,本文以貴州省發耳礦區3井區1306工作面現場開采條件作為工程背景,探索峰叢地貌淺埋煤層工作面開采覆巖運動結構特征和礦壓顯現規律,研究工作面液壓支架合理工作阻力確定的方法,以防止各類礦壓災害的產生,指導礦井的安全高效生產.

1 現場地質概況

發耳煤礦屬山東兗州礦業集團子公司貴州能化公司所轄,坐落于貴州省水城南部,距市區約70 k m,礦區內地形跌宕起伏,切割強烈,屬于構造侵蝕而成的高中山地貌.海拔最高處與最低處分別是楊家巖地區和北盤江河床,最大高差1015.60 m;一般相對高差300~400 m.1306工作面位于發耳井田三井區中部,工作面走向長490 m,傾向長65.4 m.工作面地表地形起伏情況如圖1所示.

所采煤層平均傾角12°,厚度為0.3~2.3 m,平均1.9 m.老頂為泥質粉砂巖,平均厚度13.9 m.直接頂為粉砂質泥巖,平均厚度6.2 m.直接底為泥質粉砂巖,平均厚度4.5 m.工作面煤層埋藏深度較淺,大部分集中于40~217 m以內的淺部,對應地表地形主要為峰叢地貌,工作面在靠近開切眼處對應地形地勢十分陡峭.該煤層綜合柱狀圖如圖2所示.

圖1 1306工作面地表地形

圖2 煤巖綜合柱狀圖

2 峰叢地貌淺埋煤層開采覆巖移動規律

2.1 工作面礦壓顯現規律

根據對1306工作面現場勘測發現:由于煤層埋深較淺,工作面推進過程中礦壓顯現異常劇烈,出現頂板大面積切冒,支架壓死等情況,對應地表產生裂隙與坍塌,在推進至峰叢地貌谷溝段時表現尤為明顯,這給工作面的安全高效開采帶來了巨大隱患.

根據淺埋煤層工作面開采周期來壓頂板結構穩定性分析結果可知[1,4],峰叢地貌淺埋煤層工作面來壓期間基本頂失穩形式主要是滑落失穩.峰叢地貌淺埋煤層開采時,特別是工作面背向溝谷推進過程中,由于山地坡體臨空面的存在,巖體間除存在垂向載荷外,還有水平方向作用力,不同方向應力相互疊加影響導致上覆巖層產生水平位移,坡體表面開裂,破斷塊體之間的塑性鉸接區無法產生足夠的摩擦力,從而形成易失穩的多邊塊鉸接結構,導致基本頂產生滑落失穩,如圖3所示.

圖3 基本頂的滑落失穩

此時頂板垮落后,在煤壁和支架的共同支撐下呈懸臂梁結構,一旦其端部發生斷裂,將產生回轉運動,所有重量將全部加載在支架上,為防止基本頂結構發生滑落失穩,此時必須加大支架所提供的支撐力.支架與頂板結構共同維持頂板的穩定,基本頂滑落失穩形成的壓力主要由支架承受,支架處于最危險的“給定載荷”狀態[1,10].

工作面初次來壓時基本頂結構受到破環,巖塊產生斷裂,基本頂巖塊觸矸后相比觸矸前所需支護阻力小很多,按巖塊觸矸前狀態考慮,得到工作面初次來壓期間防止頂板結構發生滑落失穩所需支護阻力Pm0為[1,3,11]:

式中,lk為控頂距長度;b為支架寬度;γ,γ1,γ2分別為基本頂、載荷層、直接頂巖石容重;K為巖塊長度之比;i為塊度(巖塊厚度/長度);α為坡體傾斜角度;θ2為回轉角;h為基本頂厚度,h′載荷層厚度;L2為關鍵塊體長度;KG0為按太沙基土壓力計算原理近似估算的載荷傳遞系數,KG0＝Kr0Kt0,Kr0與Kt0分別為載荷傳遞巖性因子與時間因子.

式中,λ為載荷層側應力系數,h1為載荷層高度.

工作面周期來壓時,按控制頂板結構不發生滑落失穩考慮,得到所需的支護阻力Pm為:

式中,θ′2max為巖塊Ⅱ最大回轉角;P02為作用于關鍵塊的載荷,P02＝h L2γ＋KG(h′1＋1/2 L2tanα)L2γ1,k＝ (2 q′＋q2)/[3(q′ ＋q2)].Pm主要指支架提供的有效支護阻力,還需要將支架支護效率μ考慮在內.因此,工作面支架的工作阻力為:

將頂板初次來壓和周期來壓的計算結果進行比較,參考最大值指導工作面支架的選型.

2.2 數值模擬分析

2.2.1 模型建立及參數設置

為研究峰叢地貌淺埋煤層開采上覆巖層移動和煤層頂板破壞規律,利用FLAC3D有限元分析軟件建立了數值計算模型.模型總長600 m,非地表起伏部分高度為110 m,峰叢高度為110 m.根據工作面推進方向與地表地形對應情況,將開采階段依次分為向谷段開采、谷底段開采、背谷段開采.根據現場測試結果,1306工作面上覆巖層及該煤層物理力學參數見表1.

表1 煤巖體物理力學參數

2.2.2 開挖過程中模型垂直應力與垂向位移分析

工作面推進至谷溝段上覆巖層垂直應力分布如圖4所示.

圖4 開采過程中垂直應力變化

由圖4可知:工作面推進過程中,在煤層及上覆巖層前方出現應力集中,煤壁壓力較大.上覆巖層的支撐壓力分布受峰叢地貌地表起伏影響明顯,呈與地表起伏變化相一致的現象.且礦壓顯現劇烈程度呈現“背谷段＞向谷段＞谷底段”的特征.

隨工作面推進上覆巖層垂直位移量和垂直應力分布如圖5所示.由圖5可知:當工作面由向谷段向谷底段推進時,支架壓力和覆巖下沉量逐漸減小;隨著工作面的繼續推進,支架支護阻力和覆巖下沉量在工作面由谷底段進入背谷段時,呈現逐漸增加的趨勢;而向谷段數值整體低于背谷段.由此可知工作面開采過谷溝段過程中,背谷段相比向谷段與谷底段需要提供更大支護阻力才能保證頂板結構穩定,因此工作面支架選型需將背谷段作為主要參考,加強此段礦壓檢測預報和工作面支護.

圖5 工作面垂直位移量和垂直應力分布

3 現場實測

在1306工作面開采期間,采用額定工作阻力33.5 MPa的ZY340/12/28型液壓支架和ZYG 3400/13/32型排頭支架進行支護,采用KBJ－60Ⅲ－1礦用數字單體支柱阻力計分別對工作面上、中、下3個區域的支護阻力進行監測.圖6為開采期間中部8＃液壓支架工作阻力變化曲線.

圖6 過峰叢地貌開采工作面支架工作阻力曲線

現場實測數據分析表明:

(1)工作面初次來壓與周期來壓期間,礦壓顯現劇烈程度呈現中部最強,下部稍弱,上部最弱的變化趨勢.

(2)背谷開采階段頂板平均來壓步距為25.66 m,向谷開采階段平均來壓步距為30.14 m,背谷段來壓步距明顯小于向谷段.

(3)工作面經過峰叢地貌開采時,總體平均工作阻力為23.64 MPa,向谷段、谷底段、背谷段平均工作阻力分別為23.88,22.52,24.35 MPa.支架工作阻力變化趨勢與地表起伏情況對應明顯,呈現“背谷段＞向谷段＞谷底段”特點分布,與數值模擬結果相一致.工作面初次來壓和周期來壓時,支架最大工作阻力大幅增加,多次超過其額定工作阻力33.5 MPa,支架安全閥多次開啟,與理論分析結論相互驗證一致.

峰叢地貌下工作面推進期間,未發生冒頂和支架壓死等現象,說明在工作面支架選型時,結合理論分析與數值模擬結果,將峰叢地貌對頂板載荷分布影響特別是背谷段開采作為重要參考是合理的.

4 結 論

(1)基于峰叢地貌淺埋煤層工作面上覆巖層礦壓顯現規律和頂板破斷特征的分析,結合發耳礦區1306工作面淺埋煤層地質條件,建立了峰叢地貌下淺埋煤層開采基本頂來壓期間“支架－圍巖”相互作用關系模型.計算得出控制初次來壓和周期來壓頂板結構滑落失穩的支護阻力,并對“支架－圍巖”相互作用關系進行了分析.

(2)采用FLAC3D數值模擬軟件分析了工作面過山地溝谷段時煤巖體垂向應力和垂直位移量的變化規律,得出了礦壓顯現劇烈程度呈現“背谷段＞向谷段＞谷底段”的特征,應將背谷段開采作為確定支架合理工作阻力的主要參考依據.

[1] 黃慶享.淺埋煤層長壁開采頂板結構及巖層控制研究[M].徐州:中國礦業大學出版社,2000.

[2] 黃慶享.淺埋煤層的礦壓特征與淺埋煤層定義[J].巖石力學與工程學報,2002,21(8):1174G1177.

[3] 王旭鋒.沖溝發育礦區淺埋煤層采動坡體活動機理及其控制研究[D].徐州:中國礦業大學,2009.

[4] 黃慶享.淺埋煤層長壁開采頂板結構理論與支護阻力確定[J].礦山壓力與頂板管理,2002,19(1):70G72.

[5] 黃慶享,胡火明,劉玉衛,等.淺埋煤層工作面液壓支架工作阻力的確定[J].采礦與安全工程學報,2002,6(3):304G307.

[6] 錢鳴高,石平五.礦山壓力及其控制[M].徐州:中國礦業大學出版社,2003.

[7] 侯忠杰,吳文湘,肖 民.厚土層薄基巖淺埋煤層“支架－圍巖”關系實驗研究[J].湖南科技大學學報(自然科學版),2007,22(1):9G12.

[8] 劉國磊.山地淺埋煤層開采覆巖運動規律與結構特征研究[D].青島:山東科技大學,2010.

[9] 劉國磊,樊克恭,肖同強.山地淺埋煤層工作面支架合理工作阻力研究[J].地下空間與工程學報,2012,8(05):1034G1040.

[10] 王旭峰,張東升,張 煒,等.沙土質型沖溝發育區淺埋煤層長壁開采支護阻力的確定[J].煤炭學報,2013,38(2):194G 198.

[11] 王方田,屠世浩,張艷偉,等.沖溝地貌下淺埋煤層開采礦壓規律及頂板控制技術[J].采礦與安全工程學報,2015,32(06):877G882.