平朔二號井特厚煤層采空區下極近距離煤層開采相似模擬研究

張春霆,楊 恒,梁勝銀,王懷金

(1.山西中煤潘家窯煤業有限公司,山西 朔州 036000;2.太原理工大學 采礦工藝研究所,太原 030024)

平朔公司井工二礦21103工作面有許多特殊性,一是公司從未有過大采高綜采的生產經驗;二是21103采面是在近距離9號煤采空區之下開采,其上覆巖層移動、來壓規律、頂板破壞跨落機理可能不同于常規工作面;三是21103采面上方不僅有近距離9號煤采空區,還有9號煤遺留的區段煤柱,這種近距離煤柱對21103采面將產生不利影響。要系統準確掌握回答上述這些問題,就必須全面、深入的開展實驗、進行現場監測和理論分析。

我們對21103工作面的礦壓顯現規律進行研究之后,基本掌握了近距離采空區下礦壓規律;掌握了1103采面上覆巖層位移場和應力場的分布規律;為11煤首采工作面頂板管理和安全高效開采提供了理論指導。

1 工程概況

試驗工作面為井工二礦11煤層首采21103工作面,煤層產狀平緩,裂隙較發育,煤層厚3.26 m～6.31 m,平均厚度4.2 m。11煤層頂部為泥巖、泥灰巖和細砂巖。巖性相對致密。

21103工作面位于9號煤層的29103和29104工作面采空區下方,且兩個采空區間存在9號煤留下的煤柱。具體的尺寸和位置如圖1所示。

圖1 11煤層21103工作面位置及其鄰近采空區Fig.1 Location of the 21103 Working face of No.11 coal seam and its adjacent goaf

2 相似模擬實驗研究

2.1 模型設計

2.1.1 實驗目的

21103工作面具有大采高、近距離、上層9號煤層已采空等許多有別于常規工作面的特殊開采條件,通過相似材料實驗有助于掌握在此條件下的頂板巖層移動、變形破壞和失穩跨落規律。

2.1.2 實驗原理、方法

相似實驗原理認為,兩種相似的物理現象都遵循相同的物理方程,相同的客觀規律,相應的相似準則必須相等,即物理現象的相似[1]。采礦工程的礦山壓力相似實驗方法要點如下:1)幾何尺寸相似;2)動力相似;3)運動相似;4)材料性質相似。

2.1.3 實驗設備

主要實驗設備有:1)平面應變型相似材料模型實驗臺;2)SZZX-Ea10振弦式壓力盒;3)YJZ-32A型智能數字靜態電阻應變儀;4)臺式計算機;5)XJTUDIC三維光學攝影變形測量系統。

2.1.4 模型設計及計算

1)原型條件與數據

實驗需要的原型數據包括各地層的巖性、厚度、物理力學性質參數,以及工作面長度、推進速度的技術參數。

①地層的巖性、厚度。地層的巖性、厚度由工作面所在區域的鉆孔柱狀圖確定。

②物理力學性質指標。整個地層按相鄰且巖性相近的各分層整合為10個～20個左右的煤巖層,并綜合分析試驗數據和地層巖性結構特點來確定設計所用到的力學性質指標。

③工作面長度、推進速度等技術參數。研究對象為21103工作面,工作面長度300.5 m;工作面推進速度約每天8 m。與實驗有關的9號煤903和904工作面,長度均為240 m;903與904之間的區段煤柱寬度20 m。

2)相似比

①幾何相似比λL。

式中:Lm和Lh為模型和原型的幾何長度,m。

要求原型與模型對應尺寸的比值為一常數。本次實驗采用模型實驗臺長度為5 m,采用200:1的幾何比。模型工程布局如圖2所示。

圖2 模型工程布局示意圖Fig.2 Model project layout diagram

②動力相似比。動力相似主要考慮重量相似。以Ph、Rh、Vh和Pm、Rm、Vm分別代表原型和模型的壓力(kPa)、容重(kg/m3)、體積(m3)[2-3],λP、λR分別代表壓力相似比和容重相似比,則有:

Ph=RhVh,

Pm=RmVm,

那么,應力的相似比λσ:

合同簽訂后，中國石化煉油銷售公司始終密切關注施工進展情況，派專人與機場、冬奧會高速公路施工承包方北京市政路橋建材集團積極溝通，了解掌握施工方對高速公路專用瀝青針入度、延展度、高溫穩定性、低溫抗裂性、抗老化性等關鍵質量指標的要求，并將關鍵質量指標與中國石化內部相關企業生產的瀝青牌號質量指標進行對比分析。經過篩選和取樣分析，最終確定勝利煉油廠生產的70號A和90號A瀝青作為北京大興國際機場和北京冬奧會高速公路建設專供瀝青。

③強度相似比。強度相似比λq=λσ,即:

④相似材料配比。最常用的相似材料為石英砂、石膏、石灰按一定比例配合的混合材料。模型共68層,高度140 cm,上部等價載荷6.19 kPa。

3)模型制作

架設好模板后,將各種材料稱重,攪拌均勻,倒入模型架內,然后耙平、搗實,搗實程度按所需的視密度的要求確定。在開采煤層的底板中埋設壓力傳感器。填裝完畢后放置24 h,打開兩側的擋板,干燥若干天后,模型完成。

4)模擬開采

①模擬開采順序。首先開采9號煤的903和904采面,使上覆巖層跨落和移動,為21103工作面形成上方的真實采空區條件,實現真正意義的采空區下采煤模擬實驗。

21103工作面在903采空區的外側開切眼,向前推進,進入903采面采空區下方,最終越過903與904之間的煤柱進入到采空區下方,離開煤柱50 m后停止開采。因此,21103工作面的整個開采過程可以模擬初采階段、采空區下方、遺留煤柱下方的特殊開采環境的礦山壓力問題。

② 模擬開采速度。工作面推進速度相似比為14.14,實際回采速度按每天8 m計算,模型回采速度為每小時2.3 cm。模型開采執行3班作業,1個小時回采1次,每次推進2.3 cm。903和904工作面各需2.17 d,21103工作面需要回采2.95 d,合計共需7.3 d。

2.2 相似模擬小結

21103工作面上覆巖層跨落移動規律與開采特點:21103工作面大部分在903采面采空區下回采,903采面開采過程頂板的移動與跨落對21103工作面影響很大[4-5]。首先,9號煤與11號煤之間的巖層因厚度小,在21103工作面開采過程中作為其直接頂不能保持有效維持采場的懸頂長度,隨采隨冒[6];第二,21103工作面也存在頂板的周期性跨落特性,周期步距比903采面和904采面略小;第三,跨落帶高度比903采面和904采面大,周期性跨落時瞬間劇降的跨落帶高度接近903采面的斷裂帶高度;第四,初采工作面進入采空區下方前發生了頂板切落失穩[7], 21103工作面煤壁在9號煤采空區邊緣外側不遠處,發生了頂板切落失穩。

3 工業試驗

3.1 工業試驗實測研究目的及方法

3.1.1 實測研究目的

礦壓監測礦山壓力監測的目的是全面掌握礦山壓力的發生規律和適應性,為安全、高效生產提供技術保障,并提供經驗和指導后續11號煤的采礦活動。

3.1.2 工作面片幫、冒頂等項目觀測

煤壁片幫冒頂位置、規模、時間統計。一般用測桿、直尺等簡單測量工具或目測宏觀上觀測統計。

3.1.3 主輔運巷頂底板移近量和兩幫移近量觀測

頂底板移近量和兩幫移近量觀測擬采用人工觀測，采用手持式激光測距儀(測量精度1 mm)，測量基點設置在巷道頂部和底板及兩側。手持激光測距儀被放置或安裝在基點上。長40 cm的錨固定在圍巖中作為基點。

3.1.4 主輔運巷圍巖應力監測

為觀測大采高綜采工作面前方煤幫以及側方煤柱的應力變化特征,應力集中程度、集中范圍、超前及滯后影響范圍,采用KSE-III煤體應力采集系統監測21103主輔巷煤體應力。在21103主輔運巷內,各布置1組應力傳感器,每組5只鉆孔應力計,測站距切眼約100 m。測站內各應力傳感器伸入煤體內長度分別為2 m、4 m、6 m、9 m和12 m。輔運巷煤體應力監測測點布置如圖3所示。

圖3 輔運巷煤體應力監測測點布置Fig.3 Coal body stress monitoring point arrangement in auxiliary transport roadway

3.2 工作面工業試驗結果分析

3.2.1 工作面頂板周期來壓情況分析

普遍而言,我們一般都是用支架的工作阻力來判斷工作面頂板的動態程度。分別通過確定步距、確定抗壓強度以及動載荷系數幾個程序來對它們精確判斷[8-9]。

工作面周期來壓期間支架阻力曲線圖見圖4。

圖4 工作面周期來壓期間支架阻力曲線圖Fig.4 Diagram of support resistance during periodic weighting

如圖4所示,周期來壓與非來壓期間支架工作阻力曲線形態有很大的差別,來壓期間工作阻力很大,安全閥打開幾次,曲線呈現明顯的鋸齒狀波動,而在未來壓狀態下支架工作阻力曲線為刀尖狀。此外,周期來壓一般會持續一段時間。因此,需要在連續的幾個循環中存在明顯的鋸齒狀,才能確定為周期來壓。頂板巖性、截割深度和工作面支架支撐長度都影響著來壓的持續時間。一般來說,當壓力強度較大時,持續時間也較長;支架頂梁越大、截割深度越小,影響的周期數就較多。

1)來壓強度分析。9號煤采空區下周期來壓強度特點為總體較大,且不穩定、強度大小不一; 9號煤遺留煤柱兩側存在減壓區,兩端頭處來壓強度較小[10]; 9號煤遺留煤柱邊緣處為最大強度與最小強度的過度區,約為最大強度和最小強度的平均值,與全工作面來壓強度平均值相當。

2)來壓步距分析。21103工作面周期來壓步距規律明顯可分為采空區下、9號煤煤柱影響區兩個部分,每部分內周期來壓步距具有高度一致的統計性[11],采空區下周期來壓步距均值為20.55 m。

3.2.2 初撐力及超前支撐力情況分析

初撐力是工作面支護的重要參數,直接影響頂板狀態和管理水平。加強初撐力管理對于改善工作面頂板狀況具有重要意義。

1)由觀測數據不難看出,工作面多數支架的初撐力不足,多數沒能達到要求的額定初撐力,降低了工作面支架的支撐效果。

2)工作面中各區域的初撐力有一定差別,9號煤采空區下各支架初撐力較大,平均數達額定初撐力的44.48%,9號煤遺留煤柱下和輔運巷端頭處初撐力較小,分別只有額定初撐力的36.08%和38.66%。通過對21103工作面的礦壓觀測可知,9號煤遺留煤柱下和端頭處頂板相對較完整,頂板破碎也最小,致使初撐力打壓相對較小。

3)回采工作面超前塑性區范圍介于10.2 m～14.2 m之間,平均為12.5 m;支承壓力影響范圍介于20 m～35 m,平均為30.5 m;支承壓力峰值區間是13.21 MPa ～28.8 MPa,應力集中系數為1.51～3.3,平均應力集中系數2.28。

4)以不同鉆孔深度為橫坐標,以其相對峰值為縱坐標,得出巷道側向超前支承壓力曲線。可知,工作面側向超前支承壓力峰值為15.75 MPa,應力集中系數為1.8,距煤壁深度為11.8 m。

3.2.3 煤壁穩定情況分析

在進行試驗的時候經常會發現工作面片幫,而且片幫范圍最高能夠占到整個工作面長度的51.3%以上,平均為45.7%。工作面區域劃分為明顯的分段[12],多發生在工作面40號至120號支架之間,即工作面中部和上部。

因為礦井煤層較淺、礦壓很小,所以從工作面開始推進到直接頂來壓掉落期間,工作面基本沒有出現片幫的情況;但是隨著開采的不斷推進、采高增加,切屑表面嚴重[13]。當基本頂首次壓實時,煤體壁面吱吱作響,并伴有結渣現象。當基礎頂板壓實時,工作面兩次受到煤壁板形成的大塊煤的影響。

3.2.4 巷道存在的變形量及分析

在回采過程中21103主運巷與21102輔運巷之間煤柱穩定較好,兩幫及頂底板的變形量對生產無明顯的影響,完全可以滿足通風與運輸的要求[14]。圖5是實測的21103巷道超前頂底板移近速度變化曲線,由巷道移動測區的觀測數據轉換得到。

圖5 21103主運巷巷道變形位移量曲線Fig.5 Deformation displacement curve of No.21103 main transport roadway

從圖5中曲線的變化規律可以看出:工作面附近受動壓的影響較明顯,圍巖變形速度較快,曲線的斜率大;而25 m以外,圍巖變形較小,曲線變的平緩,斜率小,動壓的超前影響程度不大。同時也能看出采用錨網支護的順槽,巷道圍巖穩定性較好[15-16]。

3.2.5 頂板冒落情況分析

在9號煤開采過程中,9號煤采空區冒落以后,冒落物都在9號煤的底板上,而作為11號煤的頂板也就是9號煤的底板,依然是完整的。但是11號煤回采時,直接頂因為煤層間距小、頂板巖石厚度不大,導致11號煤層頂板容易破碎,且呈現崩落頂板破碎體積小,崩落規模大,總崩落量約50 m3。

4 結論

相似模擬實驗表明21103工作面上覆巖層跨落移動規律:

1)9號煤與11號煤之間的巖層因厚度小,在21103工作面開采過程中直接頂不能保持有效維持采場的懸頂長度,隨采隨冒。

2)21103工作面在采空區下也存在頂板的周期性跨落特性,周期步距比903采面和904采面略小,一般為20 cm～28 cm,與現場監測結果基本一致。

3)工作面進入采空區下方前發生了頂板切落失穩。現場實測工作面礦壓規律:工作面不同位置周期來壓步距不一致。一方面煤柱下周期來壓步距明顯比采空區下來壓步距大；另一方面采空區下各支架來壓時間也不一致,來壓步距不穩定,但來壓步距均值都非常接近，同時采空區下頂板壓力明顯大于煤柱下頂板壓力,且采空區下頂板壓力顯著不均勻。

通過對21103工作面的礦壓顯現規律進行研究之后,基本掌握了近距離采空區下和煤柱下1103采面支架工作阻力運行特征和周期來壓規律,為11煤工作面頂板管理和安全高效開采提供了理論指導。