孫廣義, 陳 剛, 王興華

(1.黑龍江科技學院 資源與環(huán)境工程學院,哈爾濱 150027;2.北京昊華集團公司,北京 100000)

長溝峪煤礦大傾角中厚煤層變薄帶的頂板壓力

孫廣義1, 陳 剛1, 王興華2

(1.黑龍江科技學院 資源與環(huán)境工程學院,哈爾濱 150027;2.北京昊華集團公司,北京 100000)

大傾角煤層開采后,受采空區(qū)冒落矸石下滑充填的影響,特別是工作面中部煤層變薄帶的影響,工作面頂板巖層的變形、破壞和運動形式不同于其他煤層。以長溝峪大傾角煤層變薄帶頂板壓力觀測數(shù)據(jù)為基礎,結合計算機模擬方法,分析該煤層頂板壓力特點。數(shù)值模擬與實測分析均顯示工作面煤層變薄帶下部頂板壓力大。這為相近條件下采煤工作面頂板支護設計提供了技術指導。

煤層變薄帶;大傾角;矸石充填;頂板

Abstract:This paper introduces an insight into the steeply dipping seamswhich following the mining operation,are subjected to the defo rmation,destruction and movement occurring in roof rock in the differentway from other coal seam,due to the impact of waste rock falling down from Gob,especially the thinner zone of coal face at the medium steep seam.The approach involves an analysis of the character of roof pressure at steeply dipping seam,based on observation pressure data of the similar geological condition in Changouyu and combined with the numerical s imulation method.Both numerical s imulation and experimental analysis show that the lowerpartof thinner zone of coal face is exposed to a higher roofpressure.This research provides technical guide for roof support designed for coal faceswith the similar conditions.

Key words:thinner zone of coal seam;large inclined angle;waste-filling;roof

大傾角煤層一般指煤層傾角 35°～55°的煤層,煤層變薄帶則指沿傾斜方向工作面中部煤層厚度小,上下端頭厚度大且頂板平整、底板隆起的煤層。受煤層傾角與巖層傾斜分力的影響,采空區(qū)中、上部冒落矸石下滑充填至采空區(qū)下部。由于工作面中部煤層厚度小、直接頂冒落高度小、矸石下滑充填的數(shù)量少,影響矸石充填距離。工作面開采后,受采空區(qū)矸石充填與非充填范圍的影響,頂板壓力表現(xiàn)出與緩傾斜煤層不同的特點[1-2]。筆者通過對長溝峪煤礦大傾角中厚煤層的現(xiàn)場觀測,研究工作面煤層變薄帶下部頂板壓力的變化,以期為相近條件的頂板支護設計提供技術參考。

1 受力分析

1.1 矸石充填長度與煤層傾角

大傾角煤層采用走向長壁方法開采時,采空區(qū)冒落矸石受其自重分力的作用向下滑動,充填至采空區(qū)下部,影響頂板壓力分布狀態(tài)。采空區(qū)充填長度受工作面斜長與煤層傾角的影響,其統(tǒng)計參數(shù)關系為[1,3]:

式中:s——采空區(qū)充填距離;

α——煤層傾角,>36°;

L——工作面長度;

h1——直接頂厚度;

d——煤層厚度。

式 (1)表明,煤層傾角越大,采空區(qū)冒落矸石的下滑力越大,采空區(qū)下部充填距離也長,對頂板的支撐效果就更好。工作面長度大,采空區(qū)冒落的矸石數(shù)量多,矸石下滑充填的數(shù)量大,充填的距離長。同時,采空區(qū)矸石充填受直接頂厚度與煤層厚度比 k的影響,當 k>0.5時,大傾角冒落矸石一般不下滑。工作面中部煤層變薄,影響采空區(qū)下部的充填距離。

采空區(qū)下部受矸石充填影響,直接頂僅有初期小量的下沉,待冒落矸石被壓實后直接頂下沉量受到限制,一般不發(fā)生冒落現(xiàn)象,頂板壓力較小。采空區(qū)上部直接頂發(fā)生冒落、矸石下滑,沒有形成充填區(qū)域,頂板壓力變化較大[4]。

1.2 基本頂

大傾角煤層傾斜方向基本頂斷裂結構特征,限制了基本頂走向結構的回轉與失穩(wěn)。在傾斜分力的影響下,大傾角煤層工作面的周期來壓一般顯現(xiàn)不明顯。

工作面基本頂在巖層自重與強度的作用下[5],一般沿傾斜方向巖梁會斷裂形成 2～4塊的砌體梁。工作面最下部的斷裂巖梁位于矸石充填的范圍內,其他斷裂巖梁則位于非充填范圍內。斷裂巖梁互相鉸接形成砌體梁結構,完成頂板壓力傳遞功能。非充填部分的砌體梁結構的一個拱腳位于采空區(qū)被充填矸石附近,另一個巖梁拱腳位于采空區(qū)上部煤柱側,使冒落充填矸石與上部煤柱的基本頂受力狀態(tài)復雜,承擔的壓力較大。三巖梁力學模型如圖 1所示。

圖 1 大傾角煤層傾向三巖梁結構力學模型Fig.1 Structure mechan icsmodel of incline coal among three rocks

式中:Li——基本頂巖梁長度;

h——基本頂厚度;

K——矸石充填系數(shù)。

對式(2)分析可知,大傾角煤層基本頂巖梁擠壓力的特點為 pi+1>pi[7],即下一鉸接點的推力大于上鉸接點[8]。基本頂斷裂巖梁上拱腳處擠壓力p1最小,下拱腳處擠壓力 p4最大。p4點的擠壓力最大,但處在冒落矸石充填區(qū)域內,頂板回轉運動被限制,下沉量很小。

因工作面中部煤層變薄,基本頂下沉距離小,引起巖梁間運動回轉角度θ2小。根據(jù)式 (2),回轉角度θ2小,使擠壓力 p3小,平衡基本頂?shù)募魬π?頂板易發(fā)生滑落失穩(wěn)。

據(jù)式 (3)、(4)[5],τ3>τ2。τ3處在采空區(qū)冒落矸石充填與非充填之間的范圍,基本頂運動不受充填矸石的限制,而受巖梁回轉角度的影響。

影響基本頂平衡與失穩(wěn)的主要參數(shù)是巖梁間擠壓力 pi、剪切力τi與巖梁的回轉角度θi。在相同的條件下,p3小、τ3大,達到 p3tanφ>τ3(φ為巖石內摩擦角)的平衡能力小,即在煤層變薄帶下部,基本頂回轉角度θ2小,引起的擠壓力 p3平衡剪切應力τ3的能力小,易形成滑落失穩(wěn),也是煤層變薄帶下部頂板壓力大的主要原因。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型條件

長溝峪煤礦工作面煤層傾角 34°～48°,平均38°;工作面長 84 m;煤層厚度 1.2～3.9 m,平均2.0 m;工作面中部煤層厚度最小,上下端頭煤層厚度大。采用 ZH1600-16-24Z型整體頂梁組合支架支護,爆破落煤。煤層厚度小于 1.6 m時采用臥底方法通過,超過 2.3 m時利用留底煤方法回采。模型寬度取 200 m,高度取 150 m。模型中煤巖層力學參數(shù)見表 1。

表 1 煤巖層力學參數(shù)Table 1 Parameter of coal-series strata mechan ics

2.2 結果分析

針對所建立的模型,通過非線性有限元分析得到工作面上覆巖層的應力分布情況,如圖 2所示。

圖 2 大傾角煤層變薄帶頂板沿傾斜方向的應力分布曲線Fig.2 Roof pressure distributing to dip charts of large inclined angle coal seam thinn ing zone

由模型分析結果可以看出,工作面上、下端頭煤柱壓力最大。在大傾角工作面中部煤層變薄情況下,變薄帶下部應力值升高,即距工作面下端頭 45 m處煤層最薄時,頂板壓力在煤層變薄帶下部升高。工作面下部與上部頂板壓力最大相差 40 kN。

3 實測分析

長溝峪煤礦回采工作面采用 YHY60(B)型礦用數(shù)字壓力計、KBJ-60 III-2型礦用數(shù)字壓力數(shù)據(jù)采集器收集數(shù)據(jù)。

工作面支架編號從工作面下端頭依次排序。各頂板壓力測點連續(xù)觀測 20 d,觀測結果如圖 3所示。

由圖 3可以看出,采空區(qū)下部充填長度 20 m,充填效果較好的僅有 15 m左右。工作面“三鉸拱”結構的第二個巖梁的下拱腳位于 25#支架上部,處于采空區(qū)矸石非充填范圍內,引起頂板壓力增大。工作面 5#支架處于采空區(qū)矸石充填范圍內,頂板壓力較小。15#、25#、35#支架處于煤層變薄帶的下部,觀測期間平均工作阻力分別達到 24.1、26.5與 23.4 MPa。工作面上部的 65#、75#支架工作阻力較小,平均值為 18.6 MPa,這與理論分析和數(shù)值模擬結果一致。

圖 3 工作面實際壓力觀測曲線Fig.3 Observation curve of real pressure on coal face

4 結 論

(1)大傾角工作面采空區(qū)冒落矸石下滑充填距離受煤層傾角、工作面長度與煤層厚度等因素的影響。頂板壓力分布不均勻,表現(xiàn)出非對稱的狀態(tài)。當工作面煤層中部變薄時,因煤層厚度小、冒落矸石少,故采空區(qū)下部充填距離小。

(2)受煤層變薄帶的影響,基本頂運動下沉回轉角度小,巖梁間擠壓力小,剪切力大,形成工作面頂板下部壓力大、上部壓力小的狀態(tài)。

(3)基本頂斷裂巖梁處在煤層厚度變薄帶下部、采空區(qū)非矸石充填范圍時,該范圍頂板壓力大,是工作面支護的重點區(qū)域。

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(編輯 晁曉筠)

Roof pressure of thinner zone at thick coal seam with large inclined angle in Changgouyu

SUN Guangyi1, CHEN Gang1, WANG X inghua2
(1.College of Resource&Environment Engineering,Heilongjiang Institute of Science&Technology,Harbin 150027,China;2.Group ofBeijing Haohua,Beijing 100000,China)

TD355

A

1671-0118(2011)01-0040-04

2010-12-22

國家自然科學基金項目(51074068)

孫廣義 (1957-),男,遼寧省遼陽人,教授,博士,研究方向:煤礦深部開采,E-mail:sgy8866@sohu.com。