屯蘭礦12509工作面頂板巖層破斷角測定分析

張雄海

(山西煤炭規劃設計院(集團)有限公司,山西 太原 030000)

煤層開采后直接頂巖層破斷呈“梯形臺體”結構,“梯形臺體”的形狀由巖層的破斷角決定[1],而直接頂破斷形成的“梯形臺體”的結構不同又造就了礦山壓力的不同[2-3],因此煤層開采后直接頂破斷角的大小不僅決定直接頂巖層破斷形態,而且決定工作面液壓支架的工作阻力[4-5],因此在礦井的生產過程中,為準確評價礦山壓力的大小,合理選擇液壓支架,需要對煤層頂板直接頂巖層的破斷角進行測定。屯蘭礦12507工作面開采時出現了因液壓支架支撐力不足而導致支架損壞的事故,為了分析煤層頂板巖層破斷形態,進而分析頂板壓力的大小,本文在屯蘭礦12509工作面輔運巷進行了煤層頂板破斷角的測定,為分析頂板破斷形態和巖層壓力以及工作面液壓支架選型提供依據。

1 工作面概況

屯蘭礦12509工作面位于礦井的+750 m水平南五盤區,工作面走向長1 635～1 668 m,傾向長219 m,面積361 678 m2,主采二疊系下統山西組的2號和3號煤層,其中2號煤層厚度平均為2.96 m,3號煤層厚度平均為0.63 m,2號煤層和3號煤層中間矸石厚度為0.4～0.8 m,平均為0.5 m,工作面采用大采高一次采全高的采煤方法,采高為4.1 m;12509工作面標高為煤層頂板+651～705 m,12509工作面井下四鄰的采掘情況如下:工作面東鄰12507工作面采空區,西鄰12511工作面,南鄰土地溝斷層,北接南五盤區大巷,應地表位置西為東大嶺村,東為富開洗煤廠,南為高升村,北為白草塔回風立井,地面標高為+1 155～+1 296 m,工作面蓋山厚度523～549 m.12509工作面所在區域地表以山地地形為主,溝谷縱橫,主要溝谷肚肚溝為季節性流水溝谷,區內有云龍線550 kV、博洪500 kVⅠ線、Ⅱ線3條高壓線,其中云龍線550 kV的55號、56號線塔位于工作面內,博洪500 kVⅡ線的8號線塔位于工作面南側距離運輸巷53 m,工作面頂底板巖性如圖1所示。

圖1 12509工作面頂底板巖層柱狀示意

2 煤層頂板巖層破斷角探測

2.1 頂板破斷形態理論分析

根據巖體彈性力學理論,取煤層頂板巖層中任一微小單元,其受力如圖2所示。

圖2 單元體受力狀態示意

圖中,σx為水平主應力,σy為垂向主應力,τxy為單元體表面的剪應力,假設在與垂向應力夾角為α的平面上的最大主應力為σ1,則σ1和σx的夾角為:

(1)

根據許斌等學者推導的關鍵層巖梁應力解,代入關鍵層的巖梁極限跨度L(單位為m)和關鍵層巖梁的厚度h(單位為m),可以得到:

(2)

通常情況下,對于淺埋煤層來說,L近似等于工作面開采期間的周期來壓步距,L/h可近似認為是關鍵塊體的塊度,通常情況下,關鍵塊體的塊度i為0.8～1.4,則:

(3)

由此可得θ1的值為33.7°～38.3°之間,即33.7°<θ1<38.3°.根據mohr-coulomb強度準則,若巖層的內摩擦角為φ0,則巖體破壞面與最大主應力方向σ1的夾角β0為:

(4)

經過以上分析可以得出,巖石的破裂面與水平面的夾角為:

(5)

根據礦井勘探報告中的實測數據,2號煤層頂板巖層的內摩擦角為28°～45°,關鍵層厚度平均為16.8 m,根據相鄰的15207工作面的開采情況,工作面的平均周期來壓步距為14 m,將上述關于12509工作面破斷角計算的參數代入式(5)可以計算得出煤層頂板巖層的破斷角為56.2°～69.3°.

2.2 頂板破斷角探測鉆孔設計

根據上述對于頂板巖層破斷角的理論分析,預測煤層頂板破斷角為56.2°～69.3°之間,因此設計探測的鉆孔角度需要小于56.2°.由于12509工作面輔助運輸巷(簡稱輔運巷)與運輸巷之間存在15 m煤柱,工作面煤層開采后輔助運輸巷具備施工煤層頂板探查鉆孔的條件,因此在輔運巷中距離切眼38 m(Ⅰ觀測站),68 m(Ⅱ觀測站)和98 m(Ⅲ觀測站)處布置3個鉆場,每個鉆場施工3個鉆孔,按照破斷角最小為56.2°計算,鉆孔至少應該探測至工作面內部的距離為30/tan56.2°=20.08 m,考慮到運輸巷寬度為6 m,因此按照鉆孔終孔位置位于運輸巷內幫20 m,垂向上施工至煤層頂板上方10 m、20 m和30 m處的位置布置鉆孔,如圖3所示。根據在鉆孔中觀測到的煤層頂板巖層破斷的深度,將其標注在剖面圖上,然后將對應的破斷位置連接,即可得到煤層頂板巖層的破斷角。

圖3 探測鉆孔布置圖(單位:m)

2.3 頂板破斷角觀測

頂板破斷角觀測選用的窺視儀器為ZKXG100礦用鉆孔成像儀,其是一款能夠對鉆孔進行全面檢測的高科技設備,產品集鉆孔拍照、窺視(錄像)、成像等功能于一體,包含1臺主機、1個Φ40探頭、1個深度編碼器、1套礦用電纜線及線架、推桿若干、主機充電器、USB數據傳輸線,如圖4所示。

圖4 ZKXG100礦用鉆孔成像儀

ZKXG100礦用鉆孔成像儀的探頭內置高清攝像頭,攝像頭采集鉆孔孔壁圖像數據,定位設備的深度計數器記錄觀測的深度,最終的觀測結果數據存儲于主機中,在主機中進行深度和圖像數據文件的合并,圖像中的右下角可以直接顯示鉆孔的深度。

當工作面開采至76 m時,即超前第Ⅰ觀測站38 m時,認為觀測站對應位置處采空區頂板處于相對穩定狀態,對其進行了鉆孔窺視,窺視結果如圖5和圖6所示。

圖5 D1孔孔深17.48 m處影像

圖6 F1孔孔深27.0 m處影像

按照第Ⅰ觀測站處D1鉆孔的傾角為16°,計算得到煤層頂板破斷位置距離孔口的水平距離為16.8 m,垂直距離為5.1 m,由此可以得出,煤層頂板以上10～20 m處的基巖破斷角平均為70.5°,按照F1鉆孔的傾角為37°,計算得到煤層頂板破斷位置距離孔口的水平距離為21.8 m,垂直距離為15.8 m,由此可以得出,煤層頂板以上10～30 m處的基巖破斷角平均為66.7°.

當工作面開采106 m時,即超前第Ⅱ觀測站38 m時,在第Ⅱ觀測站對應位置處采空區頂板進行了窺視,窺視結果如圖7和圖8所示,當工作面開采138 m時,即超前第Ⅲ觀測站40 m時,在第Ⅲ觀測站對應位置處采空區頂板進行了窺視,窺視結果如圖7～圖10所示。

圖7 D2孔孔深21.84 m處影像

圖8 F2孔孔深31.06 m處影像

圖9 D3孔孔深17.66 m處影像

圖10 F3孔孔深27.17 m處影像

按照第Ⅱ觀測站處D2鉆孔的傾角為16°,由觀測結果計算得到煤層頂板破斷位置距離孔口的水平距離為21 m,垂直距離為6 m,由此可以得出,煤層頂板以上10～20 m處的基巖破斷角平均為45°,按照F2鉆孔的傾角為37°,由觀測結果計算得到,煤層頂板破斷位置距離孔口的水平距離為24.5 m,垂直距離為18.5 m,由此可以得出,煤層頂板以上10～30 m處的基巖破斷角平均為62.8°.按照第Ⅲ觀測站處D3鉆孔的傾角為16°,由觀測結果計算得到,煤層頂板破斷位置距離孔口的水平距離為17 m,垂直距離為4.8 m,由此可以得出,煤層頂板以上10～30 m處的基巖破斷角平均為67.4°,按照F3鉆孔的傾角為37°,由觀測結果計算得到,煤層頂板破斷位置距離孔口的水平距離為24 m,垂直距離為17 m,由此可以得出煤層頂板以上10～30 m處的基巖破斷角平均為62.2°.

2.4 破斷角探測結果

經過前述分析,第Ⅰ、第Ⅱ和第Ⅲ觀測站的觀測結果中10～20 m的基巖破斷角依次為70.5°、45°和67.4°,10～30 m的基巖破斷角依次為66.7°、62.8°和62.2°,分析第Ⅱ觀測站10～20 m基巖的觀測結果,明顯比其余值偏小,分析原因可能是由于工作面回采時其距離工作面來壓的位置較近造成的失真值,固不將其作為參考,最終得到煤層頂板10～20 m的基巖破斷角平均為68.9°,10～30 m的基巖破斷角平均為63.9°.

3 結 語

結合屯蘭礦12509工作面的地質條件,建立了彈性理論模型,分析了煤層頂板巖層破斷角發育的關系,帶入相鄰已經回采結束工作面的參數,得到12509工作面煤層頂板巖層的破斷角在56.2°～69.3°之間,在此基礎上,在12509工作面的輔運巷布置了3個觀測站,共計布置了9個鉆孔,對頂板巖層破斷角進行了探查,最終得出煤層頂板10～20 m的基巖破斷角平均為68.9°,10～30 m的基巖破斷角平均為63.9°.