特厚煤層綜放面支承壓力影響范圍分析

黃慶國

(山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西 大同 037003)

0 引言

在煤炭生產(chǎn)過程中，特厚煤層綜采放頂煤開采工作面，采煤高度和普通綜采沒有太大區(qū)別，放頂煤高度一般大于采煤高度，因此采煤工作面礦壓顯現(xiàn)與普通綜采存在較大差別，也與厚煤層一次采全高工作面明顯不同。研究垮落帶、裂隙帶的發(fā)育高度，采面支承壓力分布范圍，對(duì)工作面設(shè)備選型、巷道布置，停采線位置布置具有一定的幫助作用。

1 采煤工作面支承壓力的演變概述

從采面由開切眼回采開始到采面煤壁的承載能力發(fā)生變化前，伴隨采面工作面的回采工作，老頂巖梁處于相對(duì)穩(wěn)定階段，老頂巖梁對(duì)煤層的作用力逐漸加大。此時(shí)，煤層沒有破壞，仍然處于彈性受力狀態(tài)，在煤壁前方的煤體中受力依然沒有到達(dá)煤體的極限應(yīng)力，支承壓力分布曲線是單調(diào)下降的，應(yīng)力峰值在煤壁處。

煤體承載能力發(fā)生改變直至直接頂上部的老頂巖梁端部斷裂。在這個(gè)階段，煤層頂板施加在煤壁上的應(yīng)力變大，支承壓力的最大峰值應(yīng)力超越了煤體的極限應(yīng)力，煤體受力達(dá)到其極限值而發(fā)生破裂，煤體的承載能力下降，煤體上方的支承壓力分布分裂為2個(gè)區(qū)域，分別為塑性區(qū)和彈性區(qū)。在塑性區(qū)內(nèi)部，煤體上的支承壓力單調(diào)上升；與塑性區(qū)內(nèi)相反，彈性區(qū)內(nèi)支承壓力單調(diào)下降，支承壓力的最大峰值作用在塑性區(qū)和彈性區(qū)接合部。

煤層上方老頂巖層之中位于低位的巖梁在其端部產(chǎn)生斷裂開始，直至老頂下位巖梁中部觸矸。在老頂巖梁端部產(chǎn)生斷裂之前，支承壓力會(huì)在巖梁斷裂線的位置產(chǎn)生應(yīng)力集中；煤層上方老頂巖梁端部斷裂后，以斷裂線為界支承壓力分為內(nèi)應(yīng)力場、外應(yīng)力場，從采面工作面煤壁到頂板斷裂線之間稱為內(nèi)應(yīng)力場，其中支承壓力的值由應(yīng)力拱內(nèi)的巖梁的重力決定；斷裂線的外部屬于外應(yīng)力場，支承壓力的值由上覆巖層的全部自重產(chǎn)生。

煤層上方老頂巖梁的下位巖梁中部觸矸開始，發(fā)展到煤層上方老頂巖梁的上位巖梁斷裂、觸矸，一直推進(jìn)到采面的推進(jìn)長度與采煤工作面長度相同，也就是采空區(qū)見方位置。隨著采煤工作面向前回采，煤層上覆巖梁由初次斷裂后，而后進(jìn)入周期性斷裂的狀態(tài)。這個(gè)過程中，伴隨著采煤工作面的向前回采，內(nèi)外應(yīng)力場的范圍會(huì)逐漸擴(kuò)展，當(dāng)采面推進(jìn)致使采空區(qū)范圍擴(kuò)展到見方時(shí)，2個(gè)應(yīng)力場范圍最大。

從采煤工作面回采到采空區(qū)見方位置時(shí)開始，直至采煤工作面到達(dá)停采線的位置。因?yàn)椴擅汗ぷ髅骈L度恒定，圍巖運(yùn)動(dòng)所形成的斷裂拱的高度和范圍將維持不變。隨著采煤工作面回采工作的持續(xù)進(jìn)行，煤層上方老頂巖梁的斷裂將周期性地發(fā)生，在這個(gè)階段，采煤工作面煤壁前方不斷前移2個(gè)應(yīng)力場、支承壓力的峰值壓力作用位置亦會(huì)以相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)呈現(xiàn)，這一階段叫做煤層上方支承壓力的穩(wěn)定發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

2 綜采放頂煤采煤工作面頂板結(jié)構(gòu)

綜采放頂煤開采技術(shù)起源于國外，成熟發(fā)展于國內(nèi)。綜放開采現(xiàn)場生產(chǎn)的實(shí)踐表明，煤層采放厚度增加勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致煤層頂板的冒落厚度增加，在遠(yuǎn)離綜采放頂煤采面的部位，存在傳遞巖梁結(jié)構(gòu)。在煤層的垂直方向，老頂形成的各個(gè)傳遞巖梁有其不同的穩(wěn)定特性，下位巖梁垮落呈現(xiàn)不規(guī)則狀態(tài)，上位巖梁則是規(guī)則排列，煤層上方直接頂冒落后巖塊隨其冒落高度的增大而成正比的增加，隨后直接頂巖層的運(yùn)動(dòng)空間也會(huì)逐步逐漸降低。因此，以采空區(qū)冒落巖石為拱腳，以采面工作面上部巖層為拱頂?shù)陌牍笆浇Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生，綜采放頂煤采面頂板結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 綜采放頂煤采面頂板結(jié)構(gòu)

在綜采放頂煤回采過程中，半拱式結(jié)構(gòu)與傳遞巖梁相結(jié)合，兩者的共同作用形成了采場上覆巖層的結(jié)構(gòu)形式，2種上覆巖層結(jié)構(gòu)形式隨著采煤工作面推進(jìn)會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，導(dǎo)致了直接頂和老頂分別發(fā)生了初次來壓和周期來壓。

3 支承壓力分布分析

3.1 塑性區(qū)范圍支承壓力

依據(jù)采場礦壓理論，開采后采煤工作面煤壁前方形成極限平衡區(qū)，極限平衡區(qū)內(nèi)，依據(jù)彈性力學(xué)原理，取一微元體，如圖2所示。

由于平衡關(guān)系，根據(jù)∑fx=0，有

(1)

圖2 極限平衡區(qū)受力

(2)

式中：Rc—煤體單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；φ—煤層內(nèi)摩擦角，(°)。

(3)

帶入∑fx=0的平衡方程中，可得

(4)

當(dāng)x=0，σy=N0時(shí)，C=lnN0

式中：N0—煤壁的支撐能力，MPa。

(5)

(6)

(7)

式中：f—接觸面摩擦系數(shù)；M—煤層采厚，m；x—任一點(diǎn)到煤壁的距離，m。

(8)

式中：K—應(yīng)力集中系數(shù)，一般情況下為2～6；γ—容重，kg/m3；H—采深，m。

峰值位置距離煤壁x0，則

(9)

由式(7)可以看出，塑性區(qū)范圍內(nèi)，煤體內(nèi)支承壓力與煤壁距離呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系遞增，隨著與煤壁距離增大，支承壓力峰值逐步增大直至達(dá)到其峰值。

由式(9)可以看出，在φ的影響下，x0的數(shù)值會(huì)發(fā)生一定的范圍變化；與此同時(shí)，由于采厚度M增大，x0總體上是增大的。由此得出結(jié)論，綜采放頂煤采場超前支承壓力峰值位置會(huì)隨著煤層開采厚度的加大向煤體深處移動(dòng)。

3.2 彈性區(qū)范圍內(nèi)支承壓力

設(shè)x1為彈性區(qū)范圍，x=x0+x1時(shí)，得

(10)

在煤壁前方煤體彈性區(qū)范圍內(nèi)，支承壓力與煤壁距離呈負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系遞減，隨著與煤壁距離的增加煤體內(nèi)的支承壓力逐漸降低到原巖應(yīng)力γH，并且綜采放頂煤采面前方支承壓力范圍隨煤層開采厚度的增加而增大。

4 綜采放頂煤工作面支承壓力分布計(jì)算

塔山煤礦8105綜采放頂煤工作面長230 m，煤層埋深505 m，煤層平均厚度14.81 m，煤層傾角平均4°。直接頂巖性復(fù)雜，平均厚度4.49 m，f值在6.0～6.5之間。老頂巖性為深灰色粉砂巖，平均厚度22.93 m，f值在5.0～6.0之間。

根據(jù)該綜放面的煤層賦存情況，結(jié)合該礦條件類似采面的相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)，選擇8105綜采放頂煤采面的支承壓力分布計(jì)算參數(shù)，見表1。

表1 8105采面支承壓力分布范圍計(jì)算參數(shù)

把表1中的采面支承壓力分布計(jì)算參數(shù)代入式(9)，支承壓力峰值點(diǎn)與煤壁的距離。當(dāng)煤層開采厚度為5 m時(shí)，x0=18 m；當(dāng)煤層開采厚度為10 m時(shí)，x0=36 m；當(dāng)煤層開采厚度為15 m時(shí)，x0=54 m。

將表1參數(shù)x0計(jì)算結(jié)果代入式(10)中，得到8105綜采放頂煤工作面煤壁前方彈性區(qū)內(nèi)支承壓力分布范圍。當(dāng)煤層開采厚度為5 m時(shí)，x1=31 m；當(dāng)煤層開采厚度為10 m時(shí)，x1=62 m；當(dāng)煤層開采厚度為15 m時(shí)，x1=94 m，見表2，由此可以得到塔山煤礦8105綜采放頂煤工作面煤壁前方支承壓力的影響范圍，如圖3所示。

表2 8105綜放面支承壓力影響范圍 m

圖3 綜放面支承壓力分布范圍

5 結(jié)語

通過理論分析計(jì)算，得出了同煤集團(tuán)公司塔山煤礦一盤區(qū)8105綜采放頂煤工作面煤壁前方支承壓力分布范圍，據(jù)此確定停采線煤柱寬度，對(duì)停采線煤柱的合理留設(shè)有一定的指導(dǎo)意義。