胡志華,薛雄飛,郭金帥,閆鵬佳,牛佳波,魏上津

(1.陜西有色榆林煤業(yè)有限公司,陜西 榆林 719000;2.徐州工程學(xué)院 土木工程學(xué)院,江蘇 徐州 221018)

0 引言

大采高綜采工作面頂板巖層運(yùn)移變化及采場礦壓顯現(xiàn)具有一定的特殊性[1]。采場開采高度的增加,導(dǎo)致頂板活動(dòng)空間與基本頂懸臂梁結(jié)構(gòu)之間的彎距、增加了采場壓力、采場上覆巖層的冒落高度和斷裂帶的高度、采場的采動(dòng)影響所波及的范圍都隨之增加,容易出現(xiàn)“煤壁片幫-頂板冒落-煤壁片幫”的惡性循環(huán)[2-4]。

王國旺等[5]通過相似材料模擬研究了烏蘭木倫礦5.0 m工作面的基本頂來壓步距及覆巖運(yùn)移規(guī)律;任艷芳等[6]采用數(shù)值模擬方法模擬神東礦區(qū)某礦圍巖應(yīng)力分布規(guī)律以及覆巖變形特征,并分析了采高對(duì)工作面上方承壓拱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響;劉學(xué)生等[7]以高家梁煤礦為背景采用數(shù)值模擬分析了采高、工作面長度對(duì)煤層上方導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育程度的影響,結(jié)果表明導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育程度與采高、工作面長度成正相關(guān)關(guān)系,通過現(xiàn)場實(shí)測驗(yàn)證了研究成果的準(zhǔn)確性;梁運(yùn)培等[8]通過數(shù)值模擬研究了大采高綜采面關(guān)鍵層的運(yùn)動(dòng)形式,分析不同形式關(guān)鍵層對(duì)礦壓顯現(xiàn)的影響,結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)驗(yàn)證理論研究的準(zhǔn)確性。

以杭來灣煤礦首個(gè)6.0 m大采高工作面為背景,通過現(xiàn)場實(shí)測和理論分析的方法,研究大采高工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,以期為后續(xù)的工作面開采提供理論依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工作面采礦地質(zhì)條件

杭來灣煤礦主采3號(hào)煤層,可采煤厚度6.4～8.5 m,平均厚度7.5 m,煤層底板標(biāo)高為+1 017～+1 041 m,工作面傾角為0.2°～0.5°,平均0.3°。埋深205～260 m,平均埋深233 m,上覆基巖厚度139～199 m,平均厚度169 m,松散層厚度45～81 m,平均厚度63 m。30201工作面為該礦首個(gè)大采高綜采面,位于井田3號(hào)煤層2盤區(qū),沿煤層傾向布置,走向長度5 717.9 m,傾斜長度300 m。沿煤層走向各布置膠運(yùn)平巷、輔運(yùn)平巷和回風(fēng)巷各1條。

煤層直接頂板以粉砂巖、泥巖為主,少量細(xì)粒-粗粒長石砂巖,基本頂為延安組第四段底砂巖(真武洞砂巖)中粒長石砂巖,厚度大,穩(wěn)定性較好。直接底板以粉砂巖、泥巖為主,少量細(xì)-粗砂巖、炭質(zhì)泥巖。30201工作面區(qū)段內(nèi)的3號(hào)煤層,從開切眼至回撤通道總體呈緩慢上升趨勢,上升的坡度平均約0.3°。在此工作面煤層中未發(fā)現(xiàn)落差大于5 m的斷層和陷落柱,也未發(fā)現(xiàn)大型褶曲構(gòu)造和火山巖侵入的情況,總體上地質(zhì)構(gòu)造條件簡單。

1.2 工作面支架參數(shù)

30201工作面設(shè)備主要包括:兩柱支撐掩護(hù)式液壓支架、采煤機(jī)、超前液壓支架,工作面設(shè)備明細(xì)見表1。

表1 工作面設(shè)備明細(xì)表Table 1 Equipment on working face

2 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

2.1 礦壓監(jiān)測方案

監(jiān)測設(shè)備采用Macro公司生產(chǎn)的綜采液壓支架支護(hù)質(zhì)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測儀,通過液壓支架監(jiān)測分站對(duì)30201工作面150臺(tái)支架立柱的工作載荷進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。分別在工作面上部(5#、10#、15#、20#、25#)、中部(65#、70#、75#、80#、85#)、下部(125#、130#、135#、140#、145#)3個(gè)位置各選取5臺(tái)支架具體分析支架的壓力變化規(guī)律,各測區(qū)位置如圖1所示。

圖1 工作面礦壓監(jiān)測測區(qū)布置Fig.1 Measuring area layout of mine pressure monitoring on working face

2.2 支架來壓特征值

頂板來壓判據(jù)見式(1)

pm′=pm+δmp

(1)

式中,pm′為支架來壓判據(jù),MPa;pm為觀測期間各支架支護(hù)阻力平均值,MPa;δmp為支護(hù)阻力均方差,MPa。

動(dòng)載系數(shù)是指歷次來壓時(shí)與來壓前支護(hù)阻力平均值的比值[9-11],可表示為

k=pc/pn

(2)

式中,k為動(dòng)載系數(shù);pc為頂板來壓期間支護(hù)阻力平均值,MPa;pn為頂板非來壓期間支護(hù)阻力平均值,MPa。

30201工作面支架安全閥開啟值設(shè)定42.0 MPa。支架工作阻力大于安全閥開啟值,則視為安全閥開啟1次。

2.3 工作面礦壓整體顯現(xiàn)特征

分別統(tǒng)計(jì)2022年7月 22日至8月18日期間,30201工作面支架工作阻力實(shí)測數(shù)據(jù),如圖2所示。

圖2 工作面支架工作阻力三維分布Fig.2 3D distribution of support working resistance on working face

以圖2(a)為例,7月22日至7月28日期間工作面共推進(jìn)了約60 m,其中7月22日、7月24日、7月26日、7月28日分別發(fā)生了4次來壓。其中7月22日工作面來壓主要集中在中部40#～125#支架,期間支架工作阻力均大于30 MPa,兩端頭1#～39#、126#～150#支架的工作阻力則明顯小30 MPa;7月24日工作面來壓主要集中在40#～115#支架,7月26日集中在60#～115#支架,7月28日集中在25#～110#支架。同理,根據(jù)圖2可以發(fā)現(xiàn),30201工作面支架工作阻力整體呈現(xiàn)“中間大、兩頭小”的分布規(guī)律,工作面來壓主要集中在中部區(qū)域,而兩端頭的來壓顯現(xiàn)不明顯。

2.4 來壓特征匯總分析

2.4.1 支架工作阻力分布

根據(jù)前文定義的工作面支架來壓特征指標(biāo)(頂板來壓判據(jù)、動(dòng)載系數(shù)、安全閥開啟次數(shù)),對(duì)2022年7月22日至8月18日期間,30201工作面各個(gè)測區(qū)所選取的測力支架數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,相關(guān)來壓特征值見表2。

表2 工作面各測力支架相關(guān)來壓特征值匯總表Table 2 Relative weighting feature values of each support on working face

工作面支架平均工作阻力、支架來壓判據(jù)和最大工作阻力沿工作面方向的分布情況如圖3所示。

圖3 工作面支架阻力沿工作面方向的分布Fig.3 Distribution of working face’s support resistance along working face direction

由圖3(a)可知,支架平均工作阻力、支架來壓判據(jù)和最大工作阻力沿工作面方向均呈“中間大、兩頭小”的分布規(guī)律,且分布曲線較為對(duì)稱,整個(gè)工作面支架工作阻力平均為30.03 MPa,來壓判據(jù)平均為34.70 MPa;其中30#～125#支架平均工作阻力均大于28 MPa,來壓判據(jù)均大于30 MPa,同時(shí)來壓判據(jù)與平均工作阻力差值(均方差)也較大,即工作阻力的離散程度較大,說明此范圍內(nèi)支架不僅壓力水平較高,且來壓明顯;而1#～25#和130#～150#支架上方覆巖因受兩端煤柱支承作用,壓力水平較低且分布均勻,即來壓不明顯或基本沒有來壓現(xiàn)象。由圖3(b)可知,支架平均工作阻力、來壓判據(jù)和最大工作阻力基本都是中部>下部>上部,且兩端差值不大。工作面上、下部的覆巖受煤壁支撐,支架工作阻力較小。

2.4.2 支架動(dòng)載系數(shù)

30201工作面支架平均動(dòng)載系數(shù)和最大動(dòng)載系數(shù)沿工作面方向的分布情況如圖4所示。

圖4 工作面支架動(dòng)載系數(shù)沿工作面方向的分布Fig.4 Distribution of working face’s support loading coefficient along working face direction

由圖4(a)可知,支架的平均動(dòng)載系數(shù)和最大動(dòng)載系數(shù)在沿工作面方向的分布規(guī)律一致,均呈現(xiàn)“中間大、兩頭小”分布。整個(gè)工作面平均動(dòng)載系數(shù)均值為1.311,最大動(dòng)載系數(shù)均值為1.556。工作面上部1#～40#支架和下部115#～150#支架,動(dòng)載系數(shù)較小,但曲線上升明顯,即支架來壓強(qiáng)度雖小,但強(qiáng)度增大明顯;50#～110#支架動(dòng)載系數(shù)維持高水平狀態(tài),且分布均勻、變化小,即此范圍內(nèi)工作面來壓強(qiáng)度大且強(qiáng)度相當(dāng)。由圖4(b)可知,最大動(dòng)載系數(shù)和平均動(dòng)載系數(shù)在工作面上中下不同位置均表現(xiàn)為:中部>下部>上部,工作面中部來壓較兩端強(qiáng)烈。

2.4.3 安全閥開啟情況

30201工作面支架安全閥開啟次數(shù)沿工作面方向的分布情況如圖5所示。

圖5 工作面支架安全閥開啟次數(shù)沿工作面方向的分布Fig.5 Distribution of working face’s support safety valve starting times along working face direction

由圖5可知,安全閥開啟次數(shù)沿工作面方向呈多峰曲線,安全閥開啟主要集中在工作面中部,即工作面中部支架的壓力水平和來壓強(qiáng)度明顯高于兩側(cè),且下部大于上部。而上部的1#～25#支架及下部的130#～150#支架的安全閥基本不開啟或開啟次數(shù)較少,此范圍支架壓力水平和來壓強(qiáng)度較低。

3 工作面支架適應(yīng)性分析

3.1 正常開采期間支架工作阻力

3.1.1 正常開采期間支架-頂板力學(xué)模型

正常開采期間支架只承受頂板巖層的靜態(tài)載荷,一般可以分為2部分[12-14]。一部分是直接頂(包括偽頂?shù)瓤迓鋷r層)的自身載荷Q1;另一部分是上覆巖層通過基本頂施加到支架的載荷Q2。正常開采期間支架受力模型如圖6所示。

圖6 正常開采期間支架受力模型Fig.6 Force model of support during normal mining

3.1.2 正常開采期間支架工作阻力驗(yàn)算

直接頂載荷的計(jì)算見式(3)

Q1=∑hL1γ

(3)

式中,∑h為偽頂、直接頂?shù)瓤迓鋷r層總厚度,m;L1為懸頂距,m;γ為體積力,N/m3。

根據(jù)關(guān)鍵層理論分析,基本頂施加載荷可以表示為

(4)

故正常開采期間,支架工作阻力可以表示為

p=bLh(q1+q2)

(5)

式中,b為支架中心距,m;Lh為支架頂梁長度,m。

代入30201工作面開采地質(zhì)參數(shù),計(jì)算可得正常開采期間支架所需載荷為14 700 kN。30201工作面支架型號(hào)為ZY21000/36/75D,額定工作阻力為21 000 kN。因此,工作面選用支架能夠滿足正常開采期間的支護(hù)要求。

3.2 周期來壓期間支架工作阻力

周期來壓期間支架力學(xué)模型如圖7所示。將基本頂上下各一定厚度的巖層視為彈性介質(zhì),并認(rèn)為近似滿足Winkler彈性地基假定,則煤層開采對(duì)基本頂造成的擾動(dòng)壓力為

圖7 周期來壓期間支架力學(xué)模型Fig.7 Mechanical model of support during periodic weighting

P=-ky

(6)

式中,P為基本頂受到的擾動(dòng)壓力,MPa;y為基本頂?shù)呢Q向位移,m;k為Winkler地基系數(shù),MPa/m。

將基本頂巖層視為半無限長梁,承受上下巖層對(duì)基本頂?shù)拇瓜蛄和軸向力N,參照Timoshenko梁理論,基本頂?shù)臄_曲線方程可表示為

Ely″″+Ny″=P

(7)

式中,彈性模量E在平面應(yīng)變下,應(yīng)取E/(1-u2);u為泊松比。

根據(jù)邊界條件對(duì)方程(7)進(jìn)行求解,可得到擾曲線方程為

(8)

懸臂梁任意截面上彎矩為

M=Ely″

(9)

其中

(10)

式中,h為基本頂厚度,m;E為基本頂彈性模量,GPa;I為基本頂斷面矩,m4;ΔS為巖塊B兩端豎向位移差值,ΔS=h/6;LB為巖塊B的長度,m;L′為巖塊B的懸伸部分長度,m;Q′為斷裂巖塊間的剪切力,Q′=LB(γh+q),kN;γ為基本頂巖層的容重;q為基本頂上方巖層的載荷,MPa;N為軸向力,N=LBQ′/2(h-ΔS),kN;k為基本頂下方煤體和直接頂?shù)膲|層系數(shù)。

對(duì)于懸臂梁段,假設(shè)其所承受的上部巖層載荷為均布載荷,則有

(11)

將M0和Q0代入式(8)可以得到

(12)

其中

(13)

根據(jù)懸臂梁的彎矩分布特點(diǎn)可知,其最大彎矩位于固定端(x=0),最大拉應(yīng)力可以表示為

(14)

因?yàn)閹r層的抗拉強(qiáng)度最小,最易發(fā)生拉破壞。因此,采用最大拉應(yīng)力破壞準(zhǔn)則進(jìn)行判斷

σmax≤[σt]

(15)

代入之后,可以反算得到F的臨界值為

(16)

由于懸臂梁后端沒有觸矸,也就是后端為自由端,因此Q=N=0,支架臨界支護(hù)阻力可以表示為

(17)

代入30201工作面參數(shù),計(jì)算可得周期來壓期間支架所需載荷為17 050 kN,小于ZY21000/36/75D支架額定工作阻力。

根據(jù)前文的觀測結(jié)果表明,支架在來壓期間仍然發(fā)生安全閥開啟情況,主要有兩方面。一是ZY21000/36/75D支架在前期布置時(shí),將安全閥開啟值設(shè)計(jì)為42.0 MPa,其對(duì)應(yīng)支架工作阻力約為16 500 kN。因此,周期來壓期間有時(shí)頂板壓力會(huì)超過設(shè)定的安全閥開啟值。二是17 050 kN的工作阻力是根據(jù)頂板力學(xué)模型估算出來的,而實(shí)際的工作面地質(zhì)條件、開采條件和支架運(yùn)行狀態(tài)均較為復(fù)雜。因此,有可能出現(xiàn)實(shí)際頂板壓力大于理論計(jì)算值的情況,造成安全閥開啟。

3.3 支架控制建議

根據(jù)前文分析可知,30201工作面所選用的ZY21000/36/75D能夠適應(yīng)工作面正常生產(chǎn)要求。但在通過某些地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域時(shí)可能造成支架工作狀態(tài)惡化,因此,建議在工作面開采期間及時(shí)移架和帶壓移架,保證工作面支架的支護(hù)效果;此外,移架過程中應(yīng)保證工作面支架的移架速度和移架質(zhì)量;應(yīng)加強(qiáng)工作面支架運(yùn)行狀況巡視,及時(shí)更換工作性能較差的液壓支架部件,保證工作面液壓支架的初撐力及工作阻力。

4 結(jié)論

(1)30201工作面支架工作阻力整體表現(xiàn)為“中間大、兩頭小”的分布規(guī)律,工作面支架平均工作阻力分別約為30.03 MPa、平均來壓判據(jù)為34.70 MPa,上、中、下部平均工作阻力分別為31.76 MPa、37.91 MPa和45.44 MPa,平均動(dòng)載系數(shù)分別為1.228、1.413、1.291,支架安全閥平均開啟次數(shù)分別為7.8、29.5、8.6。

(2)建立了工作面正常開采期間支架-頂板力學(xué)模型,在正常開采期間支架只承受垮落帶內(nèi)偽頂、直接頂靜態(tài)載荷,以及上覆巖層傳遞到基本頂關(guān)鍵層的載荷,給出了正常開采期間支架工作阻力的計(jì)算方法,計(jì)算得到正常開采期間支架所需載荷為14 700 kN,小于工作面支架額定工作阻力。

(3)分析了工作面支架-頂板力學(xué)關(guān)系,給出了保證“懸臂梁”不發(fā)生失穩(wěn)時(shí)所需的臨界工作阻力計(jì)算方法,計(jì)算得到周期來壓期間支架所需載荷為17050 kN,小于額定工作阻力,工作面支架能夠滿足要求。