王仲?lài)?guó)

(朔州市山陰縣安監(jiān)局煤炭技術(shù)服務(wù)中心，山西朔州036000)

傾斜薄煤層機(jī)采工作面頂板壓力的確定

王仲?lài)?guó)

(朔州市山陰縣安監(jiān)局煤炭技術(shù)服務(wù)中心，山西朔州036000)

針對(duì)傾斜薄煤層開(kāi)采面臨的難題，以某礦開(kāi)采工作面為背景，運(yùn)用RFPA2D(Rock Fracture Analysis)軟件，分析了工作面沿走向、傾向的覆巖活動(dòng)規(guī)律及工作面上覆巖層位移情況，得出了傾斜薄煤層開(kāi)采覆巖活動(dòng)規(guī)律和覆巖應(yīng)力、位移演化規(guī)律。通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果獲得工作面控頂設(shè)計(jì)中頂板壓力的確定方法，為工作面的控頂設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

傾斜薄煤層;覆巖活動(dòng)規(guī)律;頂板壓力;控頂設(shè)計(jì)

薄煤層開(kāi)采面臨的問(wèn)題有:煤層賦存條件復(fù)雜，地質(zhì)條件多變，機(jī)械化程度較低，產(chǎn)量較小，生產(chǎn)效率低下。如何在薄煤層條件下，采用先進(jìn)的技術(shù)提高工作效率，一直是現(xiàn)階段亟待解決的技術(shù)難題。薄煤層開(kāi)采高度小，決定了其工作面支護(hù)難度大，勞動(dòng)強(qiáng)度高。尤其是對(duì)于傾斜、急傾斜薄煤層而言，對(duì)工作面的支護(hù)有更高的要求。而對(duì)采場(chǎng)覆巖活動(dòng)規(guī)律的研究是確定合理支護(hù)參數(shù)的前提［1］．本文以某礦傾斜薄煤層為背景，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)工作面覆巖“三帶”的發(fā)育特征、裂隙帶基本頂?shù)姆€(wěn)定性以及工作面頂板壓力的確定進(jìn)行了研究，為傾斜薄煤層工作面控頂設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)。

1 工作面條件

某礦工作面開(kāi)采煤層賦存較穩(wěn)定，煤厚一般在0.8～1.2 m，平均厚度為1.0 m，屬薄煤層。傾角在26°～32°，平均30°．直接底為3.5 m灰色、致密較硬粉砂巖;直接頂為6.9 m中細(xì)砂巖;基本頂為8.65 m灰－灰白色、無(wú)層理，泥質(zhì)膠結(jié)粉砂巖。該煤層采用走向長(zhǎng)壁工作面布置方式，工作面長(zhǎng)度140 m．各煤巖層的具體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1．

2 模型的建立

以開(kāi)采工作面上下各煤巖層參數(shù)為模板，采用多分層頂板模型，建立了工作面沿走向和傾向模型。假定開(kāi)采工作面周?chē)簬r層力學(xué)特性均為韋伯分布，破壞準(zhǔn)則選用修正的莫爾－庫(kù)侖準(zhǔn)則，各煤巖層的特性參數(shù)見(jiàn)表1.走向模型的寬高之比為2∶1，其模擬的尺寸大小為100 m×50 m，被分為200×200個(gè)小單元，模型上邊緣施加均布載荷，加載力的大小為11.8 MPa，模擬工作面每次開(kāi)挖步距均為4 m，分10步開(kāi)挖。傾向模型的高寬之比為1∶1，其尺寸為200 m× 200 m，共劃分為200×200個(gè)單元，采用載荷加載的方式模擬上部荷載，加載量為10 MPa，工作面長(zhǎng)度為140 m．沿走向分析模型和沿傾向分析的模型見(jiàn)圖1.

表1 巖塊力學(xué)參數(shù)表

圖1 數(shù)值計(jì)算模型圖

3 模擬結(jié)果分析

3.1 工作面沿走向覆巖活動(dòng)規(guī)律

通過(guò)模擬可以得出，工作面上部直接頂?shù)某醮慰迓洳骄酁?0 m，工作面上部基本頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距為36 m．掌握工作面充分采動(dòng)后采場(chǎng)上部巖層的活動(dòng)范圍及規(guī)律，可為工作面采場(chǎng)支護(hù)的合理性提供理論依據(jù)。工作面回采后其上部巖層在采動(dòng)后的變形及破壞情形見(jiàn)圖2．

圖2 采場(chǎng)上覆巖層充分采動(dòng)后的破壞情形圖

從圖2可以看出，當(dāng)回采工作面推進(jìn)達(dá)到一定距離后，上覆巖層實(shí)現(xiàn)充分活動(dòng)，直接頂巖層會(huì)垮落并直接作用在采場(chǎng)支柱上。其厚度大約為5～6 m，同時(shí)，由于直接頂巖層節(jié)理裂隙的存在，其最大垮落分層的厚度大約為1.52m．一般來(lái)說(shuō)，垮落帶位于煤層頂板約為3～5倍采厚位置處，而模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相吻合［2］．

3.2 工作面沿傾向覆巖活動(dòng)規(guī)律

通過(guò)模擬得到了工作面沿傾向直接頂與基本頂?shù)钠茐那闆r，見(jiàn)圖3，圖3中的灰度值表示巖石的受力狀態(tài)，灰度值小的區(qū)域?yàn)閹r石受剪應(yīng)力集中區(qū)域，灰度值大的區(qū)域?yàn)閹r石受拉應(yīng)力集中區(qū)域。

圖3 工作面沿傾向頂板垮落狀況圖

由圖3可以看出，由于煤層采高較小，傾角不大，直接頂垮落后基本能充填滿(mǎn)采空空間，且工作面上部垮落矸石不易下滑。但是，由于煤層傾角的存在，導(dǎo)致從采空區(qū)中部偏上開(kāi)始，裂隙帶的范圍從工作面上部到下部出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)性，形狀呈不對(duì)稱(chēng)拱形，頂板上部巖層將以彎曲拱的形式向下移動(dòng)。

同時(shí)，為了更加詳細(xì)地了解工作面的冒落帶、裂隙帶的分布范圍，以便工作面控頂設(shè)計(jì)時(shí)取值的合理有效［3］，對(duì)工作面中上部上覆巖層40 m范圍內(nèi)布置測(cè)線(xiàn)，測(cè)量其位移量，綜合分析得工作面上覆巖層位移情況見(jiàn)圖4.

圖4 工作面上覆巖層位移情況圖

由圖4可以看出，煤層傾角為30°時(shí)，工作面上部巖層垮落帶位于距煤層頂板6m位置，裂隙帶位于距煤層頂板14 m位置處。裂隙帶以上為彎曲下沉帶，彎曲下沉帶對(duì)工作面控頂設(shè)計(jì)影響較小，這為工作面的控頂設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

4 工作面頂板壓力的確定

以往工作面頂板壓力的計(jì)算，可用以下經(jīng)驗(yàn)估算法得出，即頂板壓力大小約等于4～8倍采高巖石的重量［4］．但對(duì)于傾斜薄煤層賦存情況而言，由于其特殊的地質(zhì)條件，以上經(jīng)驗(yàn)公式用于計(jì)算基本頂壓力顯然不合理。因此，由上節(jié)模擬結(jié)果得，彎曲下沉帶位于距煤層頂板14 m以上位置處，而彎曲下沉帶對(duì)工作面控頂設(shè)計(jì)影響較小，工作面設(shè)計(jì)的控頂位置應(yīng)該位于彎曲下沉帶下方，即控制0.4 m粉砂巖、6.9 m中砂巖、6.5 m砂巖，共計(jì)13.8 m厚的巖層。

其頂板壓力為:

式中:

γi—各巖層的容重，kN/m3;

hi—各巖層的厚度，m．

將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)代入上式計(jì)算得出的頂板壓力為: 321.1 kPa．

在進(jìn)行工作面控頂設(shè)計(jì)時(shí)，需首先考慮施加在支柱上部的頂板壓力，再按照相關(guān)規(guī)定及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求選取或者計(jì)算得出工作面支柱的初撐力，進(jìn)一步計(jì)算得出工作面支柱的實(shí)際密度［5］．因此，頂板壓力的確定為工作面的合理控頂設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

1)工作面上部直接頂?shù)某醮慰迓洳骄酁?0 m，工作面上部基本頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距為36 m．當(dāng)回采工作面推進(jìn)達(dá)到一定距離后，上覆巖層實(shí)現(xiàn)充分活動(dòng)，直接頂巖層會(huì)垮落并直接作用在采場(chǎng)支柱上，其厚度大約為5～6 m．

2)工作面煤層采高較小，直接頂垮落后基本能充填滿(mǎn)采空空間，且工作面上部垮落矸石不易下滑。但是，由于煤層傾角的存在，導(dǎo)致工作面中、上部的頂板巖層拉應(yīng)力較集中，運(yùn)動(dòng)較為激烈，下部較緩和。因此，工作面控頂設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按工作面上部巖層的賦存條件進(jìn)行考慮。

3)由于工作面傾角較大，頂板壓力的計(jì)算不能以經(jīng)驗(yàn)公式(即相當(dāng)于采高4～8倍巖柱的重量)來(lái)計(jì)算。由模擬結(jié)果得出:工作面控頂設(shè)計(jì)的控制范圍為位于直接頂?shù)?.4 m粉砂巖、6.9 m中砂巖、6.5 m砂巖下分層，共計(jì)13.8 m厚的巖層，得頂板壓力為321.1 kPa．

［1］錢(qián)鳴高，石平五．礦山壓力與巖層控制［M］．徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003:24－25.

［2］趙玉林，姜恒本，耿彥春．大傾角薄煤層工作面走向長(zhǎng)壁回采工藝［J］．煤炭技術(shù)，2002(7):31－32.

［3］LIT，CAIM F，CAIM．A review ofmining－induced seismicity in China［J］．International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2007，44 (8):1149－1171.

［4］余國(guó)峰，薛俊華，袁瑞甫．遠(yuǎn)距離保護(hù)層開(kāi)采卸壓機(jī)理數(shù)值模擬分析［J］．煤礦安全，2007(11):5－8.

［5］劉林．下保護(hù)層合理保護(hù)范圍及在瓦斯卸壓抽采中的應(yīng)用［D］．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)博士論文，2010(4)．

Determ ination of Roof Pressure in Inclined Thin Seam M echanized M ining Face

W ANG Zhongguo

Aiming at the problem of inclined thin seam mining，a coalmine working face is as the background， utilizes RFPA2D(Rock Fracture Analysis)software，analyzes the overlying strata activity rule and displacement sutiation．Obtains the overlying strata activity rule，overlying strata stress and displacement evolution rules in inclined thin seam．Through the numerical simulation results obtains the determinationmethod of roof pressure in work surface roof control design，it provides the evidence for roof control design of working face．

Inclined Thin Seam;Overlying strata activity rule;Roof pressure;Roof control design

TD323

B

1672－0652(2015)09－0048－03

2015－08－12

王仲?lài)?guó)(1972—)，男，山西朔州人，2014年畢業(yè)于東北大學(xué)，工程師，主要從事煤礦技術(shù)管理工作(E－mail)502975065@qq．com