厚煤層整層開采關(guān)鍵層對垮落高度的影響分析

王志強,高全臣,趙景禮,何 濤

(1.中國礦業(yè)大學 (北京)力學與建筑學院,北京 100083;2.中國礦業(yè)大學 (北京)資源與安全工程學院,北京 100083)

厚煤層整層開采關(guān)鍵層對垮落高度的影響分析

王志強1,2,高全臣1,趙景禮2,何 濤2

(1.中國礦業(yè)大學 (北京)力學與建筑學院,北京 100083;2.中國礦業(yè)大學 (北京)資源與安全工程學院,北京 100083)

對現(xiàn)有的上覆巖層垮落帶高度判定公式進行理論分析,進行實驗室相似模擬試驗,得出隨著工作面的推進,關(guān)鍵層是否進入垮落帶,取決于自身斷裂的塊度、厚度以及斷裂長度三因素。確定以關(guān)鍵層為研究對象,建立四邊固支的彈性薄板力學模型,推導出其極限懸露斷裂步距準則,對其斷裂后是否進入垮落帶,給出判定準則,并結(jié)合工程背景計算實際關(guān)鍵層的斷裂步距,與現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)值接近,認為計算比較客觀。最終形成以關(guān)鍵層為主體的厚煤層整層開采上覆巖層垮落帶高度的確定方法。

整層開采;關(guān)鍵層;垮落帶;斷裂;彈性薄板

采場垮落帶高度作為采場三帶劃分之一,對工作面支護阻力及上覆導水層是否破壞具有直接影響,因而對于垮落帶高度需要進行科學的判定。

目前,應用最廣泛的上覆巖層累計垮落高度∑h是根據(jù)采高 M和垮落巖石的碎脹系數(shù) c確定的[1],即:

式中,c為破碎矸石的碎脹系數(shù)。

該方法在應用中,是建立在垮落的巖石碎漲后充填滿采空區(qū)的前提條件下,即采高相對較小的情況下,并且將垮落帶的高度建立在采高的基礎(chǔ)上,沒有考慮垮落巖石碎漲后不能充滿采空區(qū)的條件,即包括綜合機械化放頂煤以及大采高在內(nèi)的一次采出的情況。趙宏珠教授在對大采高采場結(jié)構(gòu)特征的研究中[2],認為當采高達到 6.5m時,自由空間是始終存在的。

按照關(guān)鍵層的定義[3],基本頂屬于采場上方最低關(guān)鍵層。采場上覆的穩(wěn)定關(guān)鍵層發(fā)生斷裂后,整個采場的結(jié)構(gòu)將向地表發(fā)展尋求新平衡,因而關(guān)鍵層的斷裂影響著采場垮落巖石的高度。關(guān)鍵層的破斷特征表明,關(guān)鍵層的破斷將導致全部或局部上覆巖層的同步破斷,引起較大范圍內(nèi)的巖層移動。

按照上述分析,以采高及破碎巖石的碎漲系數(shù)為研究對象確定垮落帶高度,并不能反映客觀現(xiàn)象,因此,以采場上方關(guān)鍵層的穩(wěn)定情況作為確定厚煤層整層開采垮落帶高度的基礎(chǔ),見圖 1所示。

圖1 采空區(qū)上覆關(guān)鍵層

從圖中可看出,垮落帶上方的關(guān)鍵層層位是決定采場垮落帶高度的主要因素之一。距離工作面較近的關(guān)鍵層 1發(fā)生斷裂后,整個采場的結(jié)構(gòu)將繼續(xù)向高處發(fā)展達到關(guān)鍵層 2的層位尋求新的平衡,并且一些較為軟弱的巖層與下方的關(guān)鍵層協(xié)調(diào)運動。

1 相似模擬試驗及結(jié)論分析

1.1 模型設(shè)計

以西山礦區(qū)代表性的 8號煤層實際生產(chǎn)條件進行相似模擬試驗[4],該礦采用厚煤層綜合機械化放頂煤回采。

工作面長度為 100m,所采 8號煤層傾角近水平,煤層平均厚度為 5.0 m。煤層直接頂為石灰?guī)r,平均厚 1.8m;直接底為細粒砂巖,厚 2.53m。具體巖性見表 1所示。

表1 煤 (巖)層巖性參數(shù)

本實驗采用二維實驗臺,尺寸:長 ×寬 ×高為1620mm×160mm×1300mm,采用平面應力模型。設(shè)幾何相似比為αL=100∶1,設(shè)密度比為α=1.5∶1,要求模擬與實體所有各對應點的運動情況相似,即要求各對應點的速度、加速度、運動時間等都成一定比例。各層巖層的模擬參數(shù)見表 2。

表2 煤 (巖)層模擬參數(shù)

1.2 實驗過程

在直接頂分別布置 12個應變片,從左側(cè)第 3列測線也就是模擬工作面區(qū)段進風巷上側(cè)開始布置,應變片間隔 100mm。準備就緒后,開掘工作面,掘進過程中,嚴格按照時間相似比進行推進。為了在開采過程中精確獲取數(shù)據(jù),采用放頂煤實驗室的 7v14數(shù)據(jù)采集器來自動采集壓力數(shù)據(jù),通過與計算機相接,把數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦潭ǖ奈募?/p>

1.3 數(shù)據(jù)處理分析

在圖 2中,當工作面長度約 30m時,直接頂初次垮落后,垮落帶上覆的巖板呈懸露狀態(tài),當懸露邊長約 25m時在固支端出現(xiàn)斷裂垮落。

圖 2 工作面推進 30m上覆巖層垮落示意

圖 3、圖 4所示,當工作面上覆巖層垮落穩(wěn)定后,上方 10m處的關(guān)鍵層懸露邊長從圖 3顯示的20m增加至 28m時仍未發(fā)生斷裂垮落,而工作面在此期間推進了約15m。

圖 3 工作面推進 35m上覆巖層垮落示意

圖 4 工作面推進 50m上覆巖層垮落示意

圖5所示為工作面長度從 50m增加到 55m時上覆巖層垮落情況。結(jié)合圖 4可以看出,采空區(qū)上方約 10m高度的巖層其懸露步距在約 30m時出現(xiàn)斷裂并垮落,由于自由空間較大,垮落后,該巖層直接滑落,形成不規(guī)則的垮落情況,并且由于該層巖石的斷裂造成采空區(qū)上方垮落帶高度達到 12m,并且其上方起穩(wěn)定作用的巖層出現(xiàn)微小離層。

圖 5 工作面推進 55m上覆巖層垮落示意

圖 6中為回采結(jié)束時,形成了一個拱式平衡結(jié)構(gòu),在結(jié)構(gòu)兩端形成鉸接梁結(jié)構(gòu)。工作面最終不規(guī)則垮落帶 20m,規(guī)則垮落帶高度 22m,垮落角大約65°,并且上方依然存在一個較小的自由空間。

圖 6 工作面回采結(jié)束時上覆巖層垮落示意

相似模擬試驗工作面回采過程中得到了大量試驗數(shù)據(jù),經(jīng)整理后,得到不同工作面長度垮落帶支承壓力分布情況。

圖 7、圖 8分別是工作面推進 55m和首采工作面回采結(jié)束整理得到的支承壓力分布情況。從圖中可以看出,因采空區(qū)垮落帶增高,測得的支承壓力不斷增大。并且在采空區(qū)中部支承壓力值近似最大,分析原因應是中部垮落巖石被壓實所致。因此,可以通過數(shù)據(jù)進一步判定,即使考慮碎漲松散系數(shù)的情況下,工作面中部巖石的碎漲系數(shù)要小于兩端,與前述實驗過程相吻合,進一步表明,尤其在工作面中部,厚煤層一次采出的情況下,依靠碎漲巖石充填滿采空區(qū)是不客觀的。

圖 7 工作面推進 55m時支承壓力分布

圖 8 工作面回采結(jié)束上方支承壓力分布

1.4 試驗結(jié)論

(1)上覆關(guān)鍵層的穩(wěn)定與否,客觀由其懸露步距決定,當其達到懸露步距,將造成斷裂垮落。

(2)上覆關(guān)鍵層的懸露步距,試驗中發(fā)現(xiàn),受到巖石垮落角、距離煤層高度以及工作面推進度的影響。

(3)關(guān)鍵層垮落后,是否進入垮落帶,取決于其斷裂塊度、厚度以及與自由空間的關(guān)系。

(4)通過數(shù)據(jù)采集,發(fā)現(xiàn)隨著回采空間的增加,測得的采空區(qū)支承壓力增大。

2 垮落帶高度的確定方法

當一次采高較大,破碎矸石無法充填滿采空區(qū)時,上覆巖層的穩(wěn)定性取決于關(guān)鍵層,認為采場上覆關(guān)鍵層在斷裂前其四邊始終由實體巖層支撐,關(guān)鍵層的下方為自由空間,處于四邊固支的力學狀態(tài),力學模型見圖 9所示。因而將堅硬巖層力學模型按照四邊固支板[5-7]簡化后計算如下:

圖 9 工作面上覆穩(wěn)定巖層力學結(jié)構(gòu)

式中,ω為彈性薄板的撓度;q為堅硬巖層承載,按照文獻[8]確定;a,b分別為采場上覆巖層懸露的幾何邊界值,與回采空間幾何條件有關(guān);D為板的抗彎剛度。

當一個工作面回采時,普遍條件下工作面的長度是一個常量,而工作面的推進距離是一個變量。因而,將與工作面長度有關(guān)的 a作為定值引入變量系數(shù)λ,使 b=λa:

前述條件得出的是按照四邊固支板解得的彎矩值,實際回采中,剖面上關(guān)鍵層可以簡化為梁的力學模型,按照兩端固支梁解得其極限斷裂條件[9]:

取上方 10m高度的 3.66m厚粉砂巖基本頂作為研究對象,將其參數(shù) q,h以及[σ],計算得出,粉砂巖在達到 18m的懸露跨距時,出現(xiàn)斷裂。但是,其是否進入垮落帶需要根據(jù)下式核定[10]:

式中,hi為自下而上第 i層基本頂?shù)姆謱雍穸?m; Δ為關(guān)鍵層下方自由空間高度;li0為第 i層基本頂懸露巖塊長度,m。

公式 (4)的意義是,作為關(guān)鍵層其厚度大于其下自由空間高度的 1.5倍,并且斷裂的長度要大于厚度的 2倍,只有這樣才能形成結(jié)構(gòu)。

試驗中可以看出,由于該關(guān)鍵層下方自由空間高度較大,不能滿足上式要求,所以進入垮落帶。實際生產(chǎn)中,基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄嗥骄鶠?20m,較接近計算值。因此,認為該計算數(shù)據(jù)可靠。

3 結(jié)論

(1)理論分析了采場上覆關(guān)鍵層對采空區(qū)垮落帶高度的影響。

(2)上覆關(guān)鍵層的穩(wěn)定與否,客觀由其懸露步距決定,當其達到懸露步距,將造成斷裂垮落。

(3)試驗中發(fā)現(xiàn),上覆關(guān)鍵層的懸露步距,受到巖層垮落角、距離煤層高度以及工作面推進度的影響。

(4)關(guān)鍵層垮落后,是否進入垮落帶,取決于其斷裂塊度、厚度以及與自由空間的關(guān)系。

(5)對采場上覆堅硬巖層建立彈性薄板力學模型,得出極限斷裂步距表達式,對于其斷裂后是否進入垮落帶,給出基于斷裂長度、巖層厚度以及自由空間 3因素的判別準則,并結(jié)合實際地質(zhì)條件進行計算,認為計算結(jié)果比較客觀。

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[責任編輯:王興庫]

Analysis of Influence of Key Strata on Caving Height in Single Full-seam M in ing

WANG Zhi-qiang1,2,GAO Quan-chen1,ZHAO Jing-li2,HE Tao2

(1.Mechanical&Architecture School,China University ofMining&Technology(Beijing),Beijing 100083,China; 2.Resources&Safety School,China University ofMining&Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

This paper researched caving zone height of overlying strata by theoretical analysis and analog s imulation and obtained that with mining face advancing,whether the key strata reached caving zone was dependent on fracturing fragmentation,thickness and length.Key strata as research object,this paper set up a mechanical model of four-side clamped elastic thin slab to deduce its limit fracturing pace principle and judge whether it reach caving zone after fracturing.Based on an engineering case,actual fracturing pace was calculated which was close to observation value.Thus,a confirmation method for caving zone height of overlying strata controlled by key strata in full-seam mining formed.

full-seam mining;key strata;caving zone;fracture;elastic thin slab

TD327.2

A

1006-6225(2010)03-0007-03

2010-01-17

王志強 (1980-),男,內(nèi)蒙古呼倫貝爾人,博士,主要研究方向為現(xiàn)代采礦技術(shù)、采場礦壓研究。