李正杰，婁金福，郜建明，李晉斌

(1.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.山西晉煤集團(tuán)趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000)

趙莊煤礦大采高綜采覆巖“兩帶”高度確定

李正杰1，婁金福1，郜建明2，李晉斌2

(1.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.山西晉煤集團(tuán)趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000)

[摘要]為了確定軟煤層大采高綜采覆巖“兩帶”發(fā)育高度，以趙莊煤業(yè)大采高綜采工作面為研究對(duì)象，分析了大采高開(kāi)采工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，并采用電法監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)測(cè)得出了覆巖“兩帶”發(fā)育高度?；谝陨蠈?shí)測(cè)結(jié)論，通過(guò)力學(xué)解析得到了覆巖“兩帶”發(fā)育高度的修正公式，為后續(xù)工作面高抽巷層位確定提供了指導(dǎo)。實(shí)踐結(jié)果表明，該公式吻合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，應(yīng)用效果良好。

[關(guān)鍵詞]大采高綜采；覆巖“兩帶”高度；修正公式

大采高綜采是我國(guó)緩傾斜厚煤層開(kāi)采的發(fā)展趨勢(shì)，也是礦井實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的一種重要采煤方法。生產(chǎn)實(shí)踐表明，大采高開(kāi)采時(shí)垮落帶和裂縫帶(簡(jiǎn)稱“兩帶”)發(fā)育高度與傳統(tǒng)分層開(kāi)采相比明顯不同，覆巖劇烈運(yùn)動(dòng)引發(fā)的工作面強(qiáng)礦壓和地表環(huán)境問(wèn)題也日益嚴(yán)重。以上問(wèn)題與大采高采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)特征密切相關(guān)。

晉煤集團(tuán)趙莊井田開(kāi)采山西組3號(hào)煤層，該煤層的單軸抗壓強(qiáng)度10～15MPa，偏軟，煤層厚度3.0～5.4m，采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，制約了工作面的安全高效開(kāi)采。此外，該煤層原始瓦斯含量高，預(yù)抽困難，該礦首次嘗試采用高抽巷治理本煤層瓦斯，但高抽巷的最佳布設(shè)層位缺乏理論指導(dǎo)。因此，有必要針對(duì)該地質(zhì)條件開(kāi)展軟煤層大采高綜采覆巖“兩帶”高度研究，以應(yīng)用于認(rèn)識(shí)覆巖結(jié)構(gòu)、工作面礦壓規(guī)律和指導(dǎo)高抽巷層位確定等開(kāi)采實(shí)踐。

1工作面開(kāi)采條件及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

1.1工作面開(kāi)采條件

趙莊礦1306工作面位于1盤區(qū)，走向長(zhǎng)度1962m，傾斜長(zhǎng)度219.5m，煤厚平均為4.48m，煤層傾角1～8°。地面標(biāo)高+1012.8～+1173.8m，煤層底板標(biāo)高+404～+516m。該工作面選用ZY12000/28/62D兩柱掩護(hù)式支架進(jìn)行頂板控制。3號(hào)煤頂?shù)装鍘r性特征如表1所示。

表1　1306工作面3號(hào)煤層頂?shù)装鍘r性特征

1.2礦壓觀測(cè)方案

主要采用綜采支架壓力記錄儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作面壓力變化情況。1306工作面共布置14個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別為5號(hào)、10號(hào)、20號(hào)、30號(hào)、40號(hào)、50號(hào)、60號(hào)、70號(hào)、80號(hào)、90號(hào)、100號(hào)、110號(hào)、120號(hào)、126號(hào)支架，見(jiàn)圖1。

圖1　工作面壓力測(cè)線布置

1.3礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

沿工作面走向方向選取機(jī)頭1323.25～1406.45m，機(jī)尾1322.35～1402.95m推進(jìn)范圍內(nèi)實(shí)測(cè)的礦壓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，期間機(jī)頭推進(jìn)83.2m，機(jī)尾推進(jìn)80.6m。表2為周期來(lái)壓步距及工作阻力統(tǒng)計(jì)，基本頂周期來(lái)壓步距3.5～13.2m，平均7.5m。工作面非來(lái)壓期間支架工作阻力平均5500kN，來(lái)壓時(shí)動(dòng)載系數(shù)1.16～2.43，平均1.69，動(dòng)壓明顯。該監(jiān)測(cè)結(jié)果為理論研究覆巖“兩帶”高度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

表2　1306工作面周期來(lái)壓及工作阻力情況統(tǒng)計(jì)

2覆巖“兩帶”高度理論分析

采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及其特征參數(shù)與覆巖運(yùn)移破斷密切相關(guān)[1-3]，新汶礦區(qū)、兗州礦區(qū)、邢臺(tái)礦區(qū)等利用多個(gè)工作面的礦壓參數(shù)推算覆巖破壞高度，積累了一套較為精確的計(jì)算方法。利用礦壓參數(shù)推算覆巖破壞高度的實(shí)質(zhì)是根據(jù)礦壓顯現(xiàn)特征參數(shù)，以巖層變形、移動(dòng)和破壞特點(diǎn)及“支架-圍巖”相互作用關(guān)系為基礎(chǔ)，根據(jù)力學(xué)平衡原理，對(duì)“兩帶”高度進(jìn)行力學(xué)解析。

2.1垮落帶高度的推算

以往研究表明，無(wú)論控頂區(qū)直接頂能否沿煤壁切斷，均能與其前方覆巖保持一定的力學(xué)聯(lián)系[4-6]。通過(guò)力學(xué)建模簡(jiǎn)化，控頂區(qū)直接頂與煤壁前方覆巖保持“單鉸”連接，支架頂梁載荷呈三角形分布，合力作用點(diǎn)在立柱與頂梁鉸點(diǎn)處，如圖2、圖3所示。

圖2　控頂區(qū)直接頂與煤壁前方覆巖連接示意

圖3　支架頂梁載荷分布

根據(jù)力學(xué)平衡條件，在不考慮平衡千斤頂作用的情況下，經(jīng)推導(dǎo)分析，可得以下方程：

(1)

式中，Pz為周期來(lái)壓前由控頂區(qū)上方厚度為Hm的直接頂產(chǎn)生的支架阻力，t/架；θ為巖層破斷角，(°)；Lx為直接頂?shù)膽翼旈L(zhǎng)度，m；Lkd為采場(chǎng)最大控頂距，m；La為立柱與頂梁鉸點(diǎn)到頂梁末端的距離，m；Q為厚度相當(dāng)于Hm的垮落帶巖層重量；η為支架支撐效率。

根據(jù)以上推導(dǎo)，將實(shí)測(cè)的礦壓數(shù)據(jù)，即：Pz=5500kN，即550t；θ=67°；Lkd=5.902m；La=1.35m，代入(1)式并化簡(jiǎn)方程得：

(2)

由式(2)可得垮落帶巖層厚度Hm=13.5m。

2.2裂縫帶下位巖層高度的推算

裂縫帶自下而上可分為嚴(yán)重?cái)嗔选⒁话汩_(kāi)裂和微小裂縫三部分[7]。其中，一般開(kāi)裂和微小裂縫兩部分的巖層雖屬破壞巖層范疇，但其所形成的砌體梁能夠自身平衡而導(dǎo)致支架不受載，因此，僅裂縫帶的嚴(yán)重?cái)嗔巡糠謱?duì)支架產(chǎn)生力的作用。采場(chǎng)頂板的周期來(lái)壓是直接頂之上的基本頂發(fā)生周期性斷裂所形成的砌體梁結(jié)構(gòu)不能維持自身平衡而失穩(wěn)的結(jié)果[8-9]，因此，周期來(lái)壓時(shí)的支架載荷等于直接頂所造成的支架載荷Pz與基本頂斷裂后為維持砌體梁的平衡通過(guò)直接頂傳遞給支架的附加載荷PL之和，即：

P=Pz+PL

(3)

周期來(lái)壓時(shí)基本頂砌體梁A，B兩關(guān)鍵塊的受力狀況如圖4所示。根據(jù)力的平衡條件(∑Fx=0，∑Fy=0，∑M=0)，求得方程如下：

(4)

圖4　周期來(lái)壓時(shí)基本頂砌體梁關(guān)鍵塊受力分析

基本頂破斷巖塊形成砌體梁的首要條件是咬合邊端要處于平衡狀態(tài)，即：

T·tanφ≥Ro

(5)

當(dāng)T·tanφ

(6)

式(4)～(6)中：HLx為裂縫帶下位巖層的厚度，m；Lc為周期來(lái)壓步距，m；SA為砌體梁來(lái)壓巖塊的終端沉降值，m；φ為巖塊間的摩擦角，(°)；Q為破斷巖塊及其上覆軟巖的重量，在無(wú)軟巖的情況下，Q=LcDHLxγ，D為關(guān)鍵塊寬度，取1；γ為容重；其他符號(hào)意義同前。

根據(jù)工作面礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)，PL=5500kN，頂板來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)平均值為1.69，則砌體梁破斷產(chǎn)生的附加載荷為5500×0.69=3795kN=379.5t；根據(jù)實(shí)測(cè)分析，基本頂周期來(lái)壓步距Lc=7.5m；SA=0.95m(按泥巖殘余碎脹系數(shù)取0.1，砂巖取0.2。采高4.3m，實(shí)測(cè)垮落帶高度16～22m，在垮落帶范圍內(nèi)，砂巖累計(jì)14.5m，泥巖4.5m，由此求出砌體梁來(lái)壓巖塊的終端沉降值)；1306工作面頂板以泥巖、砂巖為主，巖性較軟。根據(jù)巖石物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，巖塊間的摩擦角φ=45°；SA=4.3-(14.5×0.2+4.5×0.1)=0.95m，代入(6)式，得：

(7)

據(jù)此計(jì)算裂縫帶下位巖層的厚度為HLx=10m。

3覆巖“兩帶”高度電法探測(cè)分析

3.1“兩帶”電法探測(cè)布置方案

依據(jù)礦壓理論，煤層開(kāi)采后覆巖層在豎直方向上形成“三帶”[10-11]，即垮落帶、裂縫帶和彎曲下沉帶。而“三帶”的電阻率由于巖層破壞程度不同具有顯著的差異性[12-14]。

在1306巷道內(nèi)布置“兩帶”監(jiān)測(cè)鉆場(chǎng)，1號(hào)監(jiān)測(cè)鉆孔孔口位置在13063巷10號(hào)橫貫向外20m，2號(hào)監(jiān)測(cè)鉆孔孔口位置在13061巷5號(hào)橫貫向外5m，在鉆孔中埋設(shè)電極電纜形成電法監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，電法儀安裝在巷道孔口后方采集數(shù)據(jù)。鉆孔布置如圖5所示，鉆孔施工參數(shù)見(jiàn)表3。

圖5　電法監(jiān)測(cè)鉆孔布置平面

孔號(hào)仰角/(°)孔徑/mm孔深/m套管長(zhǎng)度/m控制垂高/m控制平距/m1號(hào)29911407681202號(hào)32919274878

3.2監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，1號(hào)孔共采集數(shù)據(jù)24d，采集有效物理數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)96768個(gè)；2號(hào)孔共采集數(shù)據(jù)25d，采集有效物理數(shù)據(jù)點(diǎn)43050個(gè)。采用高密度電阻率法對(duì)頂板裂高監(jiān)測(cè)孔數(shù)據(jù)進(jìn)行反演[15-16]，1號(hào)鉆孔反演結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，工作面距離1號(hào)孔口98.6m時(shí)，電阻率值總體較低(<150Ω·m)，認(rèn)為開(kāi)采對(duì)前方覆巖破壞尚未產(chǎn)生影響，此時(shí)的電阻率為頂板巖層的背景電阻率，為后續(xù)煤層采動(dòng)巖層變形破壞后的電阻率提供對(duì)比數(shù)據(jù)。工作面距離監(jiān)測(cè)孔口6.8m時(shí)，受煤層采動(dòng)影響，采空區(qū)后方覆巖發(fā)生破壞，通過(guò)與背景電阻率值的對(duì)比分析，1號(hào)鉆孔監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)頂板垮落帶高度為16m，該段巖層電阻率值超過(guò)背景電阻率值10倍以上，為典型的巖層破壞特征；導(dǎo)水裂縫帶高度為58m，該段巖層電阻率值變化不均勻，局部達(dá)到幾千Ω·m以上，且上下溝通特征明顯，為破壞導(dǎo)通區(qū)。

圖6　不同位置時(shí)1號(hào)監(jiān)測(cè)鉆孔的電阻率剖面

同理，根據(jù)2號(hào)監(jiān)測(cè)鉆孔的實(shí)測(cè)結(jié)果可知，垮落帶發(fā)育高度為22m，裂縫帶發(fā)育高度為59m。

綜合兩個(gè)監(jiān)測(cè)鉆孔結(jié)果，垮落帶發(fā)育高度為16～22m，裂縫帶發(fā)育高度約59m，裂采比13.72。該觀測(cè)結(jié)論為理論分析結(jié)果提供對(duì)比驗(yàn)證依據(jù)。

4“兩帶”發(fā)育高度多參量公式的修正與應(yīng)用

對(duì)比“兩帶”高度電法實(shí)測(cè)結(jié)論以及理論計(jì)算結(jié)果，垮落帶高度16～22m與理論計(jì)算存在一定的偏差，但基本反映了覆巖垮落破壞的特征；而裂縫帶下位巖層厚度10m約占裂縫區(qū)總高度的1/4。鑒于覆巖“兩帶”觀測(cè)工程量大，人工與設(shè)備費(fèi)用高，3號(hào)煤層后續(xù)工作面的“兩帶”高度可以參照理論公式進(jìn)行估算。為了使理論計(jì)算更接近于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，需要對(duì)計(jì)算公式進(jìn)行必要的修正。

4.1垮落帶高度多參量公式的修正

將公式(1)反解，并考慮理論計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果的差值，將垮落帶高度計(jì)算公式修正為：

(8)

4.2裂縫帶高度多參量公式的修正

裂縫帶發(fā)育高度上限值包括垮落帶高度以及裂縫區(qū)高度。裂縫帶下位巖層厚度公式可依據(jù)公式(6)反算推出，其約占裂縫區(qū)總高度的1/4。結(jié)合垮落帶高度的修正公式，得到裂縫帶高度上限值修正公式為：

Hli=Hm+4HLx=tanθ[2η(Lkd-La)Pz/Q-(Lkd+Lx)]+4Lctanφ/(1.5-PLη/Q)+4SA+5

(9)

式中各符號(hào)意義同前。

4.3實(shí)踐應(yīng)用

趙莊礦1307工作面首次采用高抽巷治理瓦斯，將該工作面相關(guān)參數(shù)代入“兩帶”高度多參量修正公式中，得到垮落帶高度為18.5m，裂縫帶高度為58.2m。按照高抽巷處于裂縫區(qū)中部考慮，確定高抽巷的合理層位距煤層頂板38.5m。

現(xiàn)場(chǎng)高抽巷布置在煤層上方約40m處，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用表明，該礦瓦斯難以預(yù)抽問(wèn)題不再成為制約工作面的生產(chǎn)進(jìn)度的因素，工作面推進(jìn)速度明顯加快，由原來(lái)3～5刀/d增加到6～8刀/d，高抽巷抽放純量均值達(dá)到36.9m3/min，日抽放量達(dá)53133.9m3，占工作面日總抽放量的70.5%～73.9%，實(shí)現(xiàn)了工作面瓦斯的零超限。

5結(jié)論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及理論分析的方法，研究了趙莊煤礦大采高綜采覆巖“兩帶”發(fā)育高度，得到以下主要結(jié)論：

(1)礦壓監(jiān)測(cè)分析得出基本頂周期來(lái)壓步距為3.5～13.2m，平均7.5m，來(lái)壓時(shí)動(dòng)載系數(shù)為1.69，工作面非來(lái)壓期間，支架平均工作阻力為5500kN。

(2)采用電法實(shí)測(cè)得出趙莊煤礦大采高綜采面垮落帶高度為16～22m，裂縫帶高度為59m，裂采比為13.72。

(3)理論解析得出了覆巖“兩帶”發(fā)育高度多參量公式，并結(jié)合實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了修正，由該公式確定的高抽巷層位在實(shí)踐應(yīng)用中效果良好。

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[責(zé)任編輯：潘俊鋒]

Determination of ‘Two Belts’ Height of Overlying Strata with Large Mining Height Fully Mechanized Face in Zhaozhuang Coal Mine

LI Zheng-jie1，LOU Jin-fu1，GAO Jian-ming2，LI Jin-bin2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；2.Zhaozhuang Mine Company of Shanxi Jin Mine Corporation Co.，Ltd.,Jincheng 048000，China)

Abstract：In order to confirmed ‘ two belts’ height of overlying strata with large mining height fully mechanized mining in soft coal seam，it taking fully mechanized mining working face in Zhaozhuang coal mine as studying objects，then mine pressure rules of large mining height working face was analyzed，and ‘two belts’ development height was tested in filed by electrical monitoring technique.On the basis of filed testing conclusions，modifier formula of ‘ two belts’ development height was put forward by mechanical analysis，it provided guidance for layer confirmation of high level drainage roadway，the practical results showed the formula satisfied for filed practical and application effect was good.

Key words：fully mechanized mining with large mining height；overlying strata ‘ two belts’ height，modifier formula

[收稿日期]2015-09-22[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.025

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目(51304118);青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51504136)

[作者簡(jiǎn)介]李正杰(1987-)，男，河南永城人，碩士，助理工程師，主要從事礦山壓力及巖層控制研究工作。

[中圖分類號(hào)]TD822.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1006-6225(2016)03-0094-04

礦山壓力與災(zāi)害控制

[引用格式]李正杰，婁金福，郜建明，等.趙莊煤礦大采高綜采覆巖“兩帶”高度確定[J].煤礦開(kāi)采，2016，21(3)：94-97，121.