王之永，李正杰，李　根，王　濤，王振棟

(1.陜西永隴能源開發(fā)建設(shè)有限責任公司 崔木煤礦，陜西 寶雞 721000；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

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崔木煤礦特厚煤層綜放開采覆巖破斷結(jié)構(gòu)分析

王之永1，李正杰2，李根1，王濤1，王振棟1

(1.陜西永隴能源開發(fā)建設(shè)有限責任公司 崔木煤礦，陜西 寶雞 721000；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

[摘要]為了探究崔木煤礦綜放開采出水壓架的機理，以該礦兩個綜放工作面為研究對象，通過綜放工作面覆巖關(guān)鍵層理論分析以及來壓出水耦合關(guān)系，得出了覆巖中存在“兩個亞關(guān)鍵層，一個主關(guān)鍵層”、工作面來壓大小周期特征、洛河組底部離層蓄水空間發(fā)育以及來壓、水位變化和出水的時間耦合關(guān)系等結(jié)論，得到特厚煤層綜放開采的覆巖破斷結(jié)構(gòu)，并根據(jù)來壓大小周期分別構(gòu)建了覆巖破斷的力學分析模型，力學解析得出了對應(yīng)狀態(tài)下綜放支架工作阻力的理論計算公式。通過工作面礦壓顯現(xiàn)特征及覆巖破壞發(fā)育特征的實測分析，驗證了覆巖結(jié)構(gòu)分析的正確性，為工作面壓架防治提供理論基礎(chǔ)和依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]特厚煤層；綜放開采；覆巖破斷結(jié)構(gòu)；力學關(guān)系

1礦井概況

崔木煤礦位于陜西省麟游縣境內(nèi)，屬于永隴礦區(qū)，開采侏羅系中統(tǒng)延安組3號煤層，該礦區(qū)地質(zhì)條件、開采環(huán)境復雜。3號煤層之上地層主要包含洛河組、安定組、直羅組以及延安組，巖性以砂巖、泥巖為主，根據(jù)巖石取樣及實驗室物理力學性質(zhì)測試結(jié)果，各巖層巖石單軸抗壓強度基本在30～40MPa之間。洛河組為巨厚(主要)含水層，平均層厚達308.5m，滲透系數(shù)為0.012145～0.03354m/d，富水性弱。3號煤層位于延安組中下部，在崔木井田范圍內(nèi)距離洛河組底部164.4～182.6m，煤層厚度大，平均16.89m，賦存穩(wěn)定，傾角為1～14°，平均傾角6°。

崔木煤礦首采21301綜放工作面共發(fā)生11起出水事件，其中出水壓架3起，造成140副支架被壓死，導致停產(chǎn)60d；21302綜放開采過程中發(fā)生8起出水事件，出水壓架事故高達4起，導致220副支架被壓死，生產(chǎn)停滯90d。鑒于首采工作面壓架事故，針對21302綜放面制定了一系列出水壓架防治措施，但并未有效控制住壓架難題，其根本原因在于對綜放開采覆巖結(jié)構(gòu)形式及其運動破壞規(guī)律認識不清。因此，針對該礦井巨厚含水層下綜放開采，研究其覆巖結(jié)構(gòu)形式及運動破壞規(guī)律，對于認識工作面來壓出水規(guī)律、壓架防治、保證工作面安全高效生產(chǎn)意義重大且十分迫切。

2綜放開采覆巖關(guān)鍵層分析與來壓出水耦合關(guān)系

2.1覆巖關(guān)鍵層分析

依據(jù)覆巖關(guān)鍵層理論，將對巖體局部(或直至地表的全部巖體)的運動起控制作用的堅硬巖層稱為亞關(guān)鍵層(主關(guān)鍵層)。關(guān)鍵層理論在礦山壓力、巖層移動、地表沉陷等領(lǐng)域均有著重要應(yīng)用[1-5]。關(guān)鍵層的判別公式[6]為：

(1)

式中，hi，γi，Ei分別表示第i層巖層厚度、容重及彈性模量。

應(yīng)用關(guān)鍵層判別公式，結(jié)合崔木煤礦各巖層物理力學性質(zhì)，計算得出該礦綜放工作面覆巖關(guān)鍵層分布情況[7]，如表1所示。

表1　崔木煤礦綜放開采覆巖關(guān)鍵層層位分析

由表1可知，3號煤層上方位于延安組內(nèi)厚度為19.3m的砂質(zhì)泥巖為關(guān)鍵層Ⅰ，也是3號煤層的基本頂，該關(guān)鍵層垮落時其上方13.9m泥巖、14.7m粗粒砂巖隨之垮落，即基本頂控制著47.9m厚的巖層。亞關(guān)鍵層Ⅱ為厚度77.8m的“砂質(zhì)泥巖—含礫砂巖—粗粒砂巖”等組合巖層，以砂質(zhì)泥巖為主，該關(guān)鍵層控制的巖層厚度為127.9m，到達洛河組含水層位置。主關(guān)鍵層位于洛河組，以含礫砂巖為主，硬度大，難以變形破壞，而其下部軟弱巖層沉降速度快，預計開采將導致洛河組下部形成離層蓄水空間。

垮落巖層充滿采空區(qū)所要求的厚度計算公式為[8]：

(2)

式中，M為采放高度，取10m；Kp為巖石碎漲系數(shù)，一般取1.1～1.3，崔木煤礦巖層屬于松軟-中硬，取1.2。

通過計算，垮落矸石充滿采空區(qū)所需巖層厚度為Σh=50m，而3號煤層直接頂厚度8m，頂煤殘余厚度1m，基本頂及上方隨動層厚度47.9m，三者厚度之和超過50m。因此，基本頂垮落能夠充滿采空區(qū)。

2.2工作面來壓出水耦合關(guān)系分析

崔木煤礦21303工作面大周期來壓后反復出水，來壓、水位變化與出水具有明顯規(guī)律性，根據(jù)作者以往的研究結(jié)論，在時間上表現(xiàn)為“來壓—水位下降—出水—水位穩(wěn)定—出水結(jié)束—壓力正常—水位升高”的周期性變化。由于覆巖存在不同層位的關(guān)鍵層，其破斷步距的差異將導致工作面出現(xiàn)來壓大小周期現(xiàn)象；大周期來壓形成了主縱向?qū)严?，導通洛河組底部離層空間，后續(xù)小周期則形成下方導水裂隙，控制著工作面出水。隨著基本頂巖層的周期性破斷失穩(wěn)，下方導水裂隙則反復開啟、閉合，導致工作面發(fā)生反復出水，直至工作面遠離主縱向?qū)严?，出水結(jié)束[9]。

3特厚煤層綜放開采覆巖結(jié)構(gòu)及與支架力學關(guān)系

3.1綜放開采覆巖結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)前文分析，影響崔木煤礦綜放開采的上覆巖層主要是亞關(guān)鍵層Ⅰ(基本頂)和亞關(guān)鍵層Ⅱ，前者控制小周期來壓，后者控制大周期來壓。亞關(guān)鍵層Ⅱ破斷失穩(wěn)迫使下方巖層的同步失穩(wěn)，動靜載荷施加于支架，是工作面發(fā)生出水壓架的內(nèi)因。洛河組主關(guān)鍵層厚度大且堅硬，能夠穩(wěn)定存在，其下方由于巖層不均衡沉降形成離層空間。據(jù)此可建立特厚煤層綜放開采覆巖破斷結(jié)構(gòu)示意圖，見圖1。

圖1　綜放開采覆巖破斷結(jié)構(gòu)示意

3.2特厚煤層綜放覆巖結(jié)構(gòu)與支架力學關(guān)系

根據(jù)前文建立的特厚煤層綜放開采覆巖破斷結(jié)構(gòu)，按照來壓大小周期可分別構(gòu)建覆巖結(jié)構(gòu)力學分析模型。

3.2.1小周期來壓時覆巖結(jié)構(gòu)與支架力學關(guān)系

特厚煤層綜放開采頂煤及直接頂為傳遞頂板變形壓力的“似剛性體”[10-11]，該煤巖層對于支架受力來講是給定載荷巖層，而基本頂巖層的形變壓力則通過“似剛性體”傳遞于支架，這部分巖層稱為給定變形巖層?；凇敖M合懸臂梁—鉸接巖梁”結(jié)構(gòu)理論[11-12]可建立小周期來壓時覆巖破斷模型(圖2)，支架所受壓力構(gòu)成包括頂煤、直接頂?shù)妮d荷以及基本頂?shù)男巫冚d荷。

圖2　小周期來壓時的“組合懸臂梁—鉸接巖梁”結(jié)構(gòu)模型

圖3為頂煤和直接頂組合懸臂梁力學分析模型。

圖3　頂煤+直接頂組合懸臂梁力學分析

對于頂煤和直接頂，運用力學平衡關(guān)系：

ΣMoj=0(j=0，1，2，…，i)

(3)

針對每一層展開公式得：

(4)

式中，Qz為支架所受壓力，N；Pj為直接頂巖塊自重，N；hj，lj為直接頂巖塊厚度和巖塊長度，m；α為巖層斷裂角，(°)；c為支架合力作用點距煤壁的距離，m；Ri為基本頂巖層的附加載荷，N；xi為上破斷巖塊對下巖塊的作用力到回轉(zhuǎn)點的距離，m。

分析頂板大結(jié)構(gòu)時，將直接頂看作一整體，忽略巖層內(nèi)部相互作用力，則公式(4)簡化為：

(5)

圖4為基本頂鉸接巖梁力學分析模型。

圖4　基本頂鉸接巖梁力學分析

對于基本頂關(guān)鍵塊A和B，有如下關(guān)系：

(6)

(7)

小周期來壓時將A，B巖塊看作是等長等厚巖塊，令基本頂巖塊重量PA=PB=P=pi+1，L=li+1，H=hi+1，并將公式(7)代入公式(5)中，得特厚煤層綜放開采支架工作阻力理論表達式為：

(8)

3.2.2大周期來壓時覆巖結(jié)構(gòu)與支架力學關(guān)系

隨著工作面推進，基本頂周期性垮斷充填采空區(qū)，對上位關(guān)鍵層起到軟墊層作用。采空區(qū)巖塊在自重和時間作用下，會進一步壓縮空間，上位關(guān)鍵層因此具備彎曲變形的空間條件。當上位關(guān)鍵層達到一定的跨度和撓度時，會發(fā)生與基本頂相似的破斷特征，并迫使下方巖層同步破斷，造成工作面大面積來壓。根據(jù)工作面現(xiàn)場觀測，上位關(guān)鍵層破斷步距遠遠大于基本頂周期來壓步距，且走向和傾向方向上來壓范圍、來壓程度都要大很多，這與上位關(guān)鍵層厚度大，強度高，且后方具有軟支撐有直接關(guān)系。

由于該關(guān)鍵層破斷前后都與垮落巖石相互作用，相當于底部具有彈性支撐，符合彈性地基梁特征。因此，針對基本頂上方關(guān)鍵層破斷特點建立如圖5所示的彈性長梁結(jié)構(gòu)模型，由于與基本頂破斷步距相差較大，可將該結(jié)構(gòu)看作半無限長梁或單鉸接梁。

圖5　大周期來壓時的“組合懸臂梁—彈性長梁”結(jié)構(gòu)模型

圖6(a)為彈性長梁力學分析模型。由于上位關(guān)鍵層本身能夠形成自承結(jié)構(gòu)，其重量并非全部施加于下位巖層，實質(zhì)上該結(jié)構(gòu)主要通過彈性地基對下方巖層傳遞施加形變載荷，進而影響工作面支架的受力。為便于計算，可視垮落塊體B以及后方采空區(qū)垮落空間壓縮量近似相同，關(guān)鍵塊A上下巖體壓縮量簡化為線性變化關(guān)系，在鉸接點處壓縮量為零，如圖6(b)所示。

圖6　大周期來壓時彈性長梁力學結(jié)構(gòu)及變形分析

分析彈性長梁對下方垮落巖層的壓縮量關(guān)系，滿足以下關(guān)系式：

(9)

設(shè)關(guān)鍵塊A上下巖層(包括底板、支架、直接頂、基本頂及其間的軟弱巖層等組合體)的抗壓縮剛度為Kj，則彈性長梁對下方彈性基礎(chǔ)的作用力P(x)滿足下列關(guān)系式：

(10)

由于彈性長梁的斷裂、回轉(zhuǎn)下沉，通過彈性基礎(chǔ)力的傳遞作用，迫使下方巖層(包括基本頂)同步破斷，因此，可將彈性長梁下部巖層看作組合懸臂梁結(jié)構(gòu)，彈性長梁視為單鉸接巖梁結(jié)構(gòu)，仍符合“組合懸臂梁—鉸接巖梁”結(jié)構(gòu)。此時公式(5)變?yōu)橄率剑?/p>

(11)

式中，R上為彈性長梁對控頂區(qū)范圍巖層的作用力，kN；x上為彈性長梁與控頂區(qū)巖層作用力位置到坐標原點的距離，m；n為頂煤至彈性長梁下方巖層數(shù)。

分析公式(10)，控頂區(qū)范圍內(nèi)彈性長梁下方巖層受到線性變化的作用力，呈三角形分布。根據(jù)材料力學知識，得

(12)

將公式(12)代入公式(11)中，得出大周期來壓時支架工作阻力計算公式：

(13)

上式中各字母含義同前。至此，從理論角度得出大小周期來壓時覆巖與支架的力學關(guān)系。

4覆巖結(jié)構(gòu)分析實踐驗證

4.1綜放開采礦壓顯現(xiàn)特征分析

崔木煤礦21303工作面傾向長度200m，走向長度850m，采高3.5m，放煤高度約5m，日推進8刀，選用ZF15000/21/38型支撐掩護式支架；現(xiàn)采21305工作面兩側(cè)為實體煤，傾斜長度150m，走向長度1280m，采高3.5m，放煤高度約8m，支架為ZF16000/21/38型掩護式支架。兩工作面每隔4副支架安裝1部在線式支架壓力記錄儀實時監(jiān)測壓力變化。

通過對21303工作面、21305工作面長期的礦壓觀測發(fā)現(xiàn)，崔木煤礦綜放開采具有明顯的大小周期來壓特性，其來壓步距情況如圖7所示。

圖7　崔木煤礦綜放開采大小周期來壓步距分析

由圖7可知，21303工作面小周期來壓步距平均15.5m，來壓持續(xù)刀數(shù)平均6.5刀；大周期來壓步距平均176m，來壓持續(xù)刀數(shù)15刀。21305工作面小周期來壓步距平均16m，來壓持續(xù)刀數(shù)平均5.5刀；大周期來壓步距平均133m，來壓持續(xù)刀數(shù)14刀。

大小周期來壓規(guī)律的差異性表明，引發(fā)大周期壓力顯現(xiàn)的內(nèi)因是基本頂巖層之上存在的覆巖關(guān)鍵層破斷失穩(wěn)。這驗證了覆巖關(guān)鍵層分析結(jié)論以及覆巖結(jié)構(gòu)模型的正確性。

4.2覆巖破壞發(fā)育特征實測分析

圖8　井下電視窺視采空區(qū)上覆巖層裂隙發(fā)育情況

X305-1泄水孔距離21305切眼150m，走向位于見方位置，傾向位于工作面中部，針對該泄水孔進行鉆孔井下窺視，以觀察覆巖破壞發(fā)育情況。測試時工作面已推過泄水孔位置63m，泄水孔鉆深為487m，已鉆出洛河組進入安定組巖層5m，測試結(jié)果見圖8。由圖8可知，在洛河組底部縱、橫向裂隙大量發(fā)育，漿液在測試孔內(nèi)漏失，臨近的21303工作面G5長觀孔水位同步出現(xiàn)緩慢下降。由此表明，導水裂縫帶已發(fā)育至洛河組底部，在洛河組與安定組交界處離層空間發(fā)育。這同樣驗證了覆巖結(jié)構(gòu)分析的正確性。

5結(jié)論

(1)崔木煤礦特厚煤層綜放開采覆巖中存在著亞關(guān)鍵層Ⅰ(基本頂)、亞關(guān)鍵層Ⅱ以及主關(guān)鍵層，主關(guān)鍵層下方由于巖層不均衡沉降能夠形成離層儲水空間，并分析了工作面來壓出水的時間耦合關(guān)系。

(2)基本頂控制小周期來壓，亞關(guān)鍵層Ⅱ控制大周期來壓，亞關(guān)鍵層Ⅱ破斷失穩(wěn)迫使下方巖層的同步失穩(wěn)是工作面發(fā)生出水壓架的內(nèi)因。分別針對大小周期來壓建立覆巖破斷結(jié)構(gòu)力學模型，并理論解析得出了不同來壓形式下支架合理工作阻力的計算公式。

(3)通過礦壓顯現(xiàn)特征和覆巖破壞發(fā)育特征兩方面的現(xiàn)場實測，驗證了覆巖結(jié)構(gòu)分析的正確性。

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[責任編輯：潘俊鋒]

Analysis of Overburden Broken Structure of Fully Mechanized Top Coal Caving with Extremely Thick Coal Seam of Cuimu Coal Mine

WANG Zhi-yong1，LI Zheng-jie2，LI Gen1，WANG Tao1，WANG Zhen-dong1

(1.Cuimu Colliery，Shaan’xi Yonglong Energy Development & Construction Co.，Ltd.，Baoji 721000，China；2.Coal Mining & Designing Department,Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 00013，China)

Abstract：In order to study mechanism of pressurizing of hydraulic support that induced by flow water in fully mechanized top coal caving of Cuimu coal mine，took two fully mechanized top coal working faces as studying objects.The following results was concluded，which included‘two secondary key stratum，one principal key stratum’ existed in overburden，period characters of working face pressure，separation water space developed in Luohe Formation bottom and pressure，coupling relation between water level fluctuation and water flow time and so on.Overlying strata broken structure of fully mechanized top coal caving with extremely thick coal seam was confirmed，mechanics analysis model of overlying strata broken was conducted based on different pressures period，and then formula of support working resistance of top coal caving in corresponding state was conducted out.The accurately of overlying strata structure analysis was validated according filed testing.It provided theory foundation and reasons for pressurizing of support prevention.

Keywords：extremely thick coal seam；fully mechanized caving；overlying strata broken structure；mechanics relation

[中圖分類號]TD823.4 93

[文獻標識碼]A

[文章編號]1006-6225(2016)01-0084-05

[作者簡介]王之永(1972-)，男，安徽宿州人，崔木煤礦副礦長，主要從事煤礦安全開采及技術(shù)管理工作。

[基金項目]國家自然科學基金青年科學基金項目(51504136)；中國煤炭科工集團科技創(chuàng)新基金重點項目(2013ZD002-05)

[收稿日期]2015-07-02

礦山壓力與災害控制

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.01.023

[引用格式]王之永，李正杰，李根，等.崔木煤礦特厚煤層綜放開采覆巖破斷結(jié)構(gòu)分析[J].煤礦開采，2016，21(1)：84-88，76.