多采空區(qū)下堅(jiān)硬厚層破斷頂板群結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)規(guī)律

劉長(zhǎng)友,楊敬軒,于 斌,楊培舉

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221116;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221116;3.大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司,山西大同 037003)

多采空區(qū)下堅(jiān)硬厚層破斷頂板群結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)規(guī)律

劉長(zhǎng)友1,2,楊敬軒1,2,于 斌1,3,楊培舉1,2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221116;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221116;3.大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司,山西大同 037003)

為弄清多采空區(qū)下堅(jiān)硬頂板群結(jié)構(gòu)的破斷失穩(wěn)對(duì)工作面礦壓的影響,根據(jù)大同礦區(qū)多采空區(qū)堅(jiān)硬厚層破斷頂板群的賦存條件,采用理論分析、相似模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析相結(jié)合的研究方法,對(duì)多采空區(qū)破斷頂板群結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)規(guī)律及其對(duì)工作面來(lái)壓的影響進(jìn)行了研究探討。研究表明,多采空區(qū)下堅(jiān)硬厚層破斷頂板群結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)具有一定的概率特征;采用威布爾多參數(shù)分布函數(shù)對(duì)破斷頂板群結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)形式具有很好的描述,并建立了近距離煤層群多采空區(qū)頂板群結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)模型,確定了大同礦區(qū)堅(jiān)硬頂板群結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)參數(shù),得到了侏羅系煤層群頂板結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)率;通過(guò)對(duì)大同礦區(qū)永定莊煤礦15號(hào)煤層端頭及中部位置礦壓和支架阻力的實(shí)測(cè)分析表明,工作面上方破斷頂板群結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)率與工作面支架阻力大小具有相關(guān)性,驗(yàn)證了工作面堅(jiān)硬厚層破斷頂板的失穩(wěn)規(guī)律。

多采空區(qū);破斷頂板群;結(jié)構(gòu)失穩(wěn);礦壓特征;威布爾分布

大同礦區(qū)侏羅系煤層埋藏深度較淺、煤層數(shù)量多、層間距小,煤層傾角3°～7°,可采煤層厚度0.8～9.0 m,在下部煤層開(kāi)采時(shí)采空區(qū)頂板冒落易與上部采空區(qū)溝通。因此,對(duì)于大同礦區(qū)堅(jiān)硬厚層頂板近距離煤層群開(kāi)采,當(dāng)上部近距離多煤層已開(kāi)采完畢時(shí),下部煤層在上覆多重煤柱壓力作用以及上部煤層開(kāi)采的多次采動(dòng)影響下,下部煤層工作面開(kāi)采時(shí),覆巖應(yīng)力較為復(fù)雜,頂板也較為破碎,這給下部煤層工作面的回采與支護(hù)帶來(lái)了新的技術(shù)難題[1]。例如大同礦區(qū)侏羅紀(jì)下組煤主要可采煤層有11,12,14,15號(hào)煤層,煤層間距6～15 m,分岔與合并現(xiàn)象十分頻繁,煤層頂板巖性較為堅(jiān)硬且基本由粉砂巖、細(xì)砂巖、中粗粒砂巖互層組成。上部煤層開(kāi)采后形成的多重堅(jiān)硬厚層破斷頂板群失穩(wěn)垮落后經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的運(yùn)動(dòng)調(diào)整,塊體間有可能再次形成結(jié)構(gòu)而具有一定的承載能力。當(dāng)下部煤層開(kāi)采時(shí),已經(jīng)破斷的堅(jiān)硬頂板將再次失穩(wěn)形成承載結(jié)構(gòu),并由下而上形成多層堅(jiān)硬破斷頂板群結(jié)構(gòu),而頂板群結(jié)構(gòu)的破斷失穩(wěn)又會(huì)對(duì)下部煤層工作面的礦壓顯現(xiàn)產(chǎn)生影響。目前對(duì)于堅(jiān)硬頂板破斷機(jī)理與控制問(wèn)題的研究[2－9]多側(cè)重于單層頂板結(jié)構(gòu)的破斷與控制以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方面的分析,而對(duì)于多采空區(qū)條件下多層堅(jiān)硬頂板破斷與控制問(wèn)題的探討[10－13]則相對(duì)較少,尤其對(duì)于多采空區(qū)下多層堅(jiān)硬厚層破斷頂板群結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)及其與工作面來(lái)壓特征間關(guān)系的探討則更為鮮見(jiàn),因此,針對(duì)大同礦區(qū)侏羅系煤層群的賦存及開(kāi)采條件,分析研究近距離煤層群多采空區(qū)條件下,下部煤層開(kāi)采覆巖離散結(jié)構(gòu)承載失穩(wěn)特征及其與礦壓顯現(xiàn)的相關(guān)性影響規(guī)律,可為大同礦區(qū)多采空區(qū)下開(kāi)采的圍巖控制提供依據(jù)。

1 破斷頂板群結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)特征

堅(jiān)硬厚層頂板條件下,隨著工作面的推進(jìn),煤層頂板周期性有規(guī)則斷裂失穩(wěn),基于頂板巖性堅(jiān)硬以及厚度較大的原因,破斷塊體形狀保持一定的幾何相似性。在整層煤層開(kāi)采完畢后,厚層頂板破斷塊體在上覆巖層靜載作用下經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的運(yùn)動(dòng)調(diào)整,塊體間有可能再次相互咬合,形成具有一定承載能力的砌體結(jié)構(gòu)。隨著下部工作面的推進(jìn),采空區(qū)空間范圍的增大,頂板破斷塊體砌體結(jié)構(gòu)易發(fā)生單層失穩(wěn)或多層同步失穩(wěn)。以三層采空區(qū)堅(jiān)硬厚層頂板條件下采煤為例,頂板破斷塊體砌體結(jié)構(gòu)自下而上依次為Ⅰ,Ⅱ與Ⅲ號(hào),下部煤層開(kāi)采過(guò)程中,多層堅(jiān)硬厚層頂板砌體結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特征如圖1所示。

圖1 堅(jiān)硬厚層頂板群結(jié)構(gòu)Fig.1 Group structure of hard thick roof

堅(jiān)硬厚層頂板破斷塊體形成的砌體結(jié)構(gòu)具有一定的承載能力,多采空區(qū)條件下工作面的來(lái)壓特征,主要取決于工作面上方堅(jiān)硬厚層頂板群破斷塊體間的組合承載作用[14－16]。以三層采空區(qū)及三層堅(jiān)硬厚層頂板條件下的煤層開(kāi)采為例,破斷塊體組合承載結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2 厚層頂板群破斷塊體組合結(jié)構(gòu)Fig.2 Fault block combination structure of hard thick roof

多采空區(qū)堅(jiān)硬厚層頂板群結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)垮斷隨下部煤層的開(kāi)采具有一定的概率特征,即頂板結(jié)構(gòu)在其下位頂板破斷塊體失穩(wěn)后發(fā)生單層失穩(wěn)或多層同步失穩(wěn)的現(xiàn)象具有一定的隨機(jī)性。隨著距離下部工作面高度的不同,不同位置頂板的垮斷失穩(wěn)會(huì)給工作面礦壓帶來(lái)不同影響,此時(shí)工作面來(lái)壓將對(duì)應(yīng)一定的特征強(qiáng)度。因此下部工作面來(lái)壓特征通常與其上部頂板結(jié)構(gòu)距離煤層高度、頂板破斷塊體厚度以及頂板發(fā)生單層失穩(wěn)還是多層同步失穩(wěn)有關(guān)。

為弄清多采空區(qū)堅(jiān)硬厚層頂板群結(jié)構(gòu)下工作面來(lái)壓特征與頂板破斷塊體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)率間的關(guān)系[17],設(shè)每分層頂板破斷塊體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)事件為Ai,則工作面開(kāi)采影響范圍內(nèi),第i層頂板破斷塊體結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)率為

式中,i為頂板層位數(shù),自下往上依次為1,2,……;j為頂板破斷塊體序號(hào),自右向左依次為1,2,…,Ni,其中Ni為工作面開(kāi)采影響范圍內(nèi)第i巖層破斷塊體總數(shù);σij為第i層頂板第j塊體承載量;Fij(σij)為第i層頂板第j塊體失穩(wěn)率。

由式(1)得到破斷頂板群結(jié)構(gòu)多組塊體結(jié)構(gòu)同時(shí)失穩(wěn)的概率為

式中,n為堅(jiān)硬頂板失穩(wěn)總層數(shù)。

頂板賦存及巖性基本相同條件下,近水平煤層頂板承載基本一致,工作面推進(jìn)過(guò)程中,頂板來(lái)壓步距趨于常量,頂板破斷塊體間具有一定的幾何相似性。若將每層頂板破斷塊體單元的失穩(wěn)率視為不變,即滿足關(guān)系

式中,σi為工作面開(kāi)采影響范圍內(nèi)第i層頂板破斷塊體承載量;Fi(σi)為單層頂板破斷塊體失穩(wěn)率,抽樣計(jì)算中其樣本值為同一頂板巖層失穩(wěn)塊體數(shù)與工作面采動(dòng)影響范圍內(nèi)塊體總數(shù)比值。

聯(lián)立式(1)與式(3),計(jì)算得到工作面開(kāi)采影響范圍內(nèi)第i層頂板塊體結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)率為

同理,計(jì)算得到工作面頂板群結(jié)構(gòu)多組塊體的同步失穩(wěn)率為

隨著工作面的推進(jìn)與采空區(qū)空間范圍的增加,靠近工作面的頂板巖層首先趨于垮斷失穩(wěn),而上部頂板破斷塊體結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)幾率一般小于其下部頂板塊體失穩(wěn)率。上部頂板破斷塊體在其下部頂板結(jié)構(gòu)失穩(wěn)后出現(xiàn)失穩(wěn)的概率由式(5)計(jì)算得到。

鑒于多采空區(qū)堅(jiān)硬頂板下的工作面采場(chǎng)來(lái)壓影響因素較多,條件較為復(fù)雜,而威布爾多參數(shù)函數(shù)分布又是適用范圍較廣的一種概率分布形式[18－19]。當(dāng)參數(shù)取值不同時(shí),威布爾函數(shù)可以蛻化為指數(shù)分布、瑞利分布和正態(tài)分布形式,且大量實(shí)踐證明,凡是因?yàn)槟骋痪植渴Щ蚬收纤鸬南到y(tǒng)失效問(wèn)題均服從威布爾分布。因此,設(shè)工作面開(kāi)采影響范圍內(nèi)第i層頂板破斷塊體的失穩(wěn)密度f(wàn)(σi)服從威布爾函數(shù)分布,即

式中,mi為第i巖層形狀參數(shù);ηi為第i巖層尺度參數(shù);σi0為第i巖層位置參數(shù)。

由此得到工作面開(kāi)采影響范圍內(nèi)第i層頂板單個(gè)塊體的失穩(wěn)率為

聯(lián)立式(4)與式(9),得到工作面開(kāi)采影響范圍內(nèi)第i層頂板破斷塊體結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)率為

為確定第i層頂板破斷塊體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)的分布位置參數(shù),對(duì)式(9)進(jìn)行簡(jiǎn)化,兩邊取對(duì)數(shù)得

式中,xi為第i層頂板承載狀態(tài)換算參數(shù);yi為第i層頂板巖層失穩(wěn)率換算參數(shù)。

式(11)簡(jiǎn)化為

定義第i分層頂板的換算參數(shù)xi與yi在第j塊體位置處失穩(wěn)的樣本參數(shù)為(xij,yij),則換算樣本數(shù)(xij,yij)的相關(guān)系數(shù)γi為

式中,sixixi,siyiyi與sixiyi分別為第i分層關(guān)于換算樣本數(shù)的方差及協(xié)方差。

為了使堅(jiān)硬厚層頂板破斷塊體在相應(yīng)載荷作用下的失穩(wěn)換算樣本數(shù)具有良好的線性相關(guān)性,對(duì)相應(yīng)載荷下的失穩(wěn)換算樣本(xij,yij)相關(guān)系數(shù)取極值得

根據(jù)極值條件式(14),可確定第i巖層的位置參數(shù)σi0。

埋深相差不大的近距離煤層群開(kāi)采,在頂板巖性基本相同條件下,堅(jiān)硬厚層頂板的破斷形式基本相同,若將頂板破斷塊體失穩(wěn)參數(shù)采用相同參數(shù),即滿足如下關(guān)系:式中,m,η,σ0分別為巖性相近的頂板巖層的平均形狀參數(shù)、平均尺度參數(shù)與平均位置參數(shù)。

將式(9)代入式(6),聯(lián)立式(15),計(jì)算得到近距離煤層頂板群多組破斷塊體結(jié)構(gòu)的同步失穩(wěn)率為

式中,σ為近距離煤層群頂板破斷塊體平均承載。

聯(lián)立式(7)與式(16),計(jì)算得到近距離煤層群相似頂板條件下破斷塊體間的失穩(wěn)率為

由式(10)與式(17)可以看出,近距離煤層群相似頂板結(jié)構(gòu)的條件失穩(wěn)率等于單層頂板破斷塊體的失穩(wěn)率,即

由式(17)與式(18)可知,在賦存條件基本相同,巖性相近的近距離頂板群結(jié)構(gòu)中,上部巖層破斷塊體在其下部頂板破斷塊體失穩(wěn)后出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象的概率取決于工作面影響范圍內(nèi)本層破斷塊體數(shù)目。

近距離煤層群開(kāi)采,多采空區(qū)頂板巖性相近條件下,同分層頂板破斷塊體失穩(wěn)造成的工作面礦壓顯現(xiàn)特征基本相似。為探討多采空區(qū)巖性相似頂板下的采場(chǎng)來(lái)壓特征,定義頂板結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的加權(quán)平均失穩(wěn)率,其計(jì)算式為

2 頂板群結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的實(shí)驗(yàn)研究

2.1 煤層賦存條件

大同礦區(qū)侏羅統(tǒng)大同組煤系煤田面積約772 km2,含煤地層總厚75～264 m,平均210 m,可采煤層15層。煤層結(jié)構(gòu)相對(duì)較為致密,裂隙不發(fā)育,單向抗壓強(qiáng)度較高,普氏系數(shù)f＞3,除2號(hào)煤層頂板為云崗組礫巖、砂礫巖組成外,其他巖層均為粉砂巖、細(xì)砂巖、中粗粒砂巖互層組成,節(jié)理裂隙不發(fā)育,連續(xù)性強(qiáng),結(jié)構(gòu)完整,抗壓強(qiáng)度在55.20～65.63 MPa。

大同礦區(qū)上組煤層基本采完,主要開(kāi)采下組11, 12,14,15號(hào)煤層,煤層層間距離6～15 m,分叉合并頻繁,在開(kāi)采過(guò)程中下部煤層頂板受上部煤層開(kāi)采的影響很大。大同礦區(qū)11～15號(hào)煤層柱狀圖如圖3所示。

2.2 厚層頂板群結(jié)構(gòu)的相似模擬實(shí)驗(yàn)

為了分析侏羅系煤層群多采空區(qū)條件下,堅(jiān)硬厚層頂板群結(jié)構(gòu)的破斷失穩(wěn)規(guī)律及其時(shí)空影響關(guān)系,采用二維平面應(yīng)力實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行模擬分析。實(shí)驗(yàn)臺(tái)的尺寸為:長(zhǎng)×寬×高=5 000 mm×300 mm×3 000 mm,實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)際鋪設(shè)高度為2 000 mm。采用砂子、碳酸鈣與石膏和砂子、石灰與石膏相似材料,模擬不同巖性和強(qiáng)度的頂板巖層。模型幾何相似比例為1∶150;容重相似之比為1∶1.5。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ弯佋O(shè)與侏羅系煤層群開(kāi)挖情況如圖4所示。

由圖4可知,15號(hào)煤層的開(kāi)采是在上部11,12及14號(hào)煤層采空區(qū)下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)頂板有效失穩(wěn)塊體數(shù)在1～3塊間變化,而工作面開(kāi)挖采動(dòng)影響范圍內(nèi)的塊體數(shù)一般為1～6塊?？梢?jiàn),工作面推進(jìn)過(guò)程中頂板失穩(wěn)變化率一般在16.7%～100%。

實(shí)驗(yàn)中巖層應(yīng)力與位移的觀測(cè)由埋設(shè)于模型巖層內(nèi)部的壓力盒與位移計(jì)通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集。實(shí)驗(yàn)采集設(shè)備埋設(shè)與連線、數(shù)據(jù)采集以及15號(hào)煤層開(kāi)挖前12,14,15號(hào)煤層頂板應(yīng)力分析結(jié)果如圖5所示。

圖3 11～15號(hào)煤層柱狀圖Fig.3 Seam histogram of No.11－15 coal seam

圖4 相似模型鋪設(shè)與侏羅系煤層群開(kāi)挖Fig.4 Similar model laying and Jurassic coal seam group excavation

圖5 實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置與多層頂板應(yīng)力分析結(jié)果Fig.5 Experimental measuring points and multi-layered roof stress analysis results

由圖5(c)可知,15號(hào)煤層開(kāi)挖前,多采空區(qū)堅(jiān)硬厚層破斷頂板群結(jié)構(gòu)全長(zhǎng)范圍內(nèi)頂板應(yīng)力分布較為復(fù)雜,但相同位置處多層破斷頂板應(yīng)力大小與分布卻具有一定的相似性,近距離多分層頂板不同位置處的應(yīng)力基本趨于一穩(wěn)定值,且其范圍一般在0～14 MPa,從實(shí)驗(yàn)開(kāi)挖全程看,具有代表性的頂板應(yīng)力為7.5 MPa。

對(duì)15號(hào)煤層開(kāi)挖過(guò)程中的頂板承載破斷特征進(jìn)行樣本取樣,得到堅(jiān)硬頂板失穩(wěn)條件下的樣本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),見(jiàn)表1。

表1 15號(hào)煤層頂板失穩(wěn)時(shí)的樣本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Table 1 No.15 coal seam roof instability sample data

為了使實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有較好的相關(guān)性,威布爾分布函數(shù)位置參數(shù)需滿足式(14)。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(表1),聯(lián)立式(13),得到大同礦區(qū)砂巖頂板群結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的線性相關(guān)系數(shù)與位置參數(shù)σ0的關(guān)系曲線(圖6)。

圖6 失穩(wěn)相關(guān)系數(shù)與位置參數(shù)關(guān)系Fig.6 The relationship between instability correlation coefficient and positional parameters

由圖6可知,在位置參數(shù)σ0=0時(shí),頂板群結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大,此時(shí)大同礦區(qū)砂巖頂板群結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)具有較好的線性關(guān)系,故位置參數(shù)σ0=0可視為頂板破斷失穩(wěn)的應(yīng)力閾值,其物理意義:只有在頂板破斷塊體承載量大于0的條件下,堅(jiān)硬厚層頂板群才將出現(xiàn)失穩(wěn)趨勢(shì)。

根據(jù)大同礦區(qū)近距離砂巖頂板群結(jié)構(gòu)的承載與失穩(wěn)特征,對(duì)實(shí)驗(yàn)中堅(jiān)硬厚層頂板的受力及破斷失穩(wěn)率進(jìn)行觀測(cè),計(jì)算分析得到線性回歸方程系數(shù)分別為

其中,a與b為近距離相似頂板條件下線性回歸方程系數(shù);sxy與sxx為根據(jù)表1所得樣本數(shù)據(jù)計(jì)算得到的換算樣本參數(shù)的協(xié)方差及方差,計(jì)算方法參照式(13);與為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)折算平均值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的折算平均值為

考慮工作面正常推進(jìn)過(guò)程中,影響工作面回采的有效破斷塊體數(shù)目Ni一般為1～3[15－16],故堅(jiān)硬厚層頂板的單層破斷失穩(wěn)在威布爾分布條件下,根據(jù)表1中數(shù)據(jù),聯(lián)立式(20)與式(21),計(jì)算得到大同礦區(qū)近距離砂巖頂板群結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的線性回歸方程系數(shù)分別為

為檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)是否服從威布爾函數(shù)分布,即實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)雙對(duì)數(shù)折算參數(shù)是否線性相關(guān),對(duì)實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)(表1)進(jìn)行折算擬合(xi,yi),如圖7所示。

由圖7可知,大同礦區(qū)砂巖堅(jiān)硬厚層頂板群結(jié)構(gòu)相似模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的折算結(jié)果(xi,yi)具有較好的線性特征,說(shuō)明多采空區(qū)下頂板群結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)形式基本服從威布爾分布。

根據(jù)式(22),計(jì)算得到大同礦區(qū)砂巖堅(jiān)硬厚層頂板群結(jié)構(gòu)失穩(wěn)服從威布爾函數(shù)分布條件下的頂板巖層平均形狀參數(shù)及平均尺度參數(shù)分別為

圖7 實(shí)測(cè)換算數(shù)據(jù)線性相關(guān)性Fig.7 Linear correlation of measured data

至此,得到大同砂巖堅(jiān)硬厚層頂板群結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)率表達(dá)式為

根據(jù)式(24)分析得到頂板群結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)率同頂板破斷塊體承載及下部煤層開(kāi)采影響范圍內(nèi)頂板破斷塊體數(shù)間的關(guān)系,如圖8所示。

圖8 頂板群結(jié)構(gòu)失穩(wěn)曲線Fig.8 The roof group instability curves

由圖8可知,相同破斷塊體數(shù)條件下,頂板群結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)率隨頂板承載量的增加而增大;頂板相同承載條件下,頂板群結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)率隨頂板破斷塊體數(shù)目的增加而增加。故大同礦區(qū)砂巖頂板群結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與工作面來(lái)壓最終取決于頂板相應(yīng)承載條件下的塊體失穩(wěn)數(shù)。在頂板破斷塊體承載條件已知的情況下,判定堅(jiān)硬厚層頂板群結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)率,只要知道當(dāng)層頂板在工作面開(kāi)采影響范圍內(nèi)的塊體失穩(wěn)數(shù),即可由圖8直接找到對(duì)應(yīng)應(yīng)力條件下的頂板失穩(wěn)率。

以大同礦區(qū)12,14與15號(hào)近距離煤層開(kāi)采為例,當(dāng)工作面堅(jiān)硬厚層頂板層數(shù)n=3時(shí),依次將頂板破斷塊體結(jié)構(gòu)自上而下命名為Ⅲ,Ⅱ與Ⅰ號(hào)結(jié)構(gòu)。根據(jù)上述理論分析與相似模擬實(shí)測(cè)結(jié)果,計(jì)算得到15號(hào)煤層工作面開(kāi)采過(guò)程中頂板塊體結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)特征,如圖9所示。

圖9 15號(hào)煤層開(kāi)采時(shí)頂板塊體結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)曲線Fig.9 The roof group instability curves in No.15 coal seam

由圖9可知,15號(hào)煤層正常開(kāi)采過(guò)程中,相同應(yīng)力場(chǎng)條件下,靠近下部的堅(jiān)硬厚層頂板破斷塊體結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)率要比其上部頂板塊體結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)率高,即在相同頂板應(yīng)力條件下,堅(jiān)硬厚層頂板破斷塊體結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)率滿足關(guān)系:P(Ⅰ號(hào))＞P(Ⅱ號(hào))＞P(Ⅲ號(hào))。還可以看出,破斷頂板群塊體結(jié)構(gòu)間同步失穩(wěn)率的大小隨著同步失穩(wěn)頂板群結(jié)構(gòu)數(shù)目的增加而有所降低,且單層頂板破斷塊體結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)率要高于其組合頂板條件下的同步失穩(wěn)率。如大同礦區(qū)12,14與15號(hào)煤層堅(jiān)硬厚層頂板條件下,Ⅰ,Ⅱ與Ⅲ號(hào)塊體結(jié)構(gòu)間同步失穩(wěn)的幾率有:P(Ⅰ或Ⅱ號(hào))＞P(Ⅰ,Ⅱ號(hào))＞P(Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ號(hào))。

大同礦區(qū)侏羅系煤層頂板群破斷失穩(wěn)的相似模擬實(shí)驗(yàn)表明,近距離煤層破斷頂板群承載相似條件下(表1),15號(hào)煤層堅(jiān)硬厚層頂板Ⅰ號(hào)結(jié)構(gòu)隨工作面推進(jìn)發(fā)生單層失穩(wěn)的幾率約64%;14號(hào)煤層頂板Ⅱ號(hào)結(jié)構(gòu)單層失穩(wěn)率約50%;12號(hào)煤層頂板Ⅲ號(hào)結(jié)構(gòu)單層失穩(wěn)率約28%;單層頂板加權(quán)平均失穩(wěn)率約53%;Ⅰ與Ⅱ號(hào)頂板結(jié)構(gòu)發(fā)生同步失穩(wěn)的幾率約30%;Ⅰ,Ⅱ與Ⅲ號(hào)頂板結(jié)構(gòu)同步失穩(wěn)率僅8.9%左右;多層頂板加權(quán)平均失穩(wěn)率約17.3%。

3 工作面礦壓現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析

大同礦區(qū)永定莊煤礦15號(hào)煤層厚度為2.2～4.6 m,煤層傾角1°～2°,距14號(hào)層間距為13～15 m,工作面裝備102架ZZS6 000/1.7/3.7型支撐掩護(hù)式液壓支架。支架額定初撐力5 105 kN,額定工作阻力6 000 kN。工作面長(zhǎng)150 m,沿工作面布置10個(gè)壓力分機(jī),采用KBJ60III型煤礦在線連續(xù)頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行工作面支架阻力采集。

鑒于近距離煤層多采空區(qū)堅(jiān)硬頂板破斷塊體結(jié)構(gòu)發(fā)生單層失穩(wěn)或多分層同步失穩(wěn)時(shí)采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)程度的不同,對(duì)工作面礦壓數(shù)據(jù)分析時(shí)需對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū)間處理。區(qū)間邊界以支架初撐力、支架額定工作阻力為上下限,對(duì)于區(qū)間內(nèi)數(shù)值接近而分布又較為集中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步劃分為子區(qū)間。根據(jù)大同礦區(qū)永定莊煤礦15號(hào)煤層工作面礦壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)工作面端部和中部的兩組支架阻力觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析,得到多采空區(qū)堅(jiān)硬厚層頂板條件下的工作面礦壓顯現(xiàn)特征,如圖10所示。

圖10 工作面實(shí)測(cè)支架阻力區(qū)間分布Fig.10 Support resistance interval distribution in working face

由圖10可知,永定莊煤礦15號(hào)煤層工作面來(lái)壓期間,頂板不同部位礦壓顯現(xiàn)特征:

(1)端頭5號(hào)支架工作阻力位于3.9～5.7 MN區(qū)域的比率約占60%,最接近于15號(hào)煤層頂板發(fā)生單層失穩(wěn)率64%,由此可見(jiàn)工作面端頭礦壓顯現(xiàn)主要由上方煤層頂板的單層失穩(wěn)形式引起,原因在于端頭邊界效應(yīng)的影響導(dǎo)致多層上位頂板仍然受到邊界實(shí)體煤部分的支撐,從而引起上位采空區(qū)頂板的失穩(wěn)相對(duì)滯后;支架工作阻力位于5.7～6.0 MN區(qū)域的比率約占22%,接近于12號(hào)煤層頂板Ⅲ號(hào)結(jié)構(gòu)單層失穩(wěn)率28%,可認(rèn)為上位Ⅲ號(hào)頂板結(jié)構(gòu)受到擾動(dòng)處于失穩(wěn)狀態(tài)對(duì)下位工作面采場(chǎng)帶來(lái)一定影響,但此時(shí)多層頂板結(jié)構(gòu)保持單層逐次失穩(wěn)狀態(tài);工作面端頭支架工作阻力位于6.0～6.6 MN區(qū)域的比率約占18%,最接近多層頂板的加權(quán)平均失穩(wěn)率17.3%,由此可認(rèn)為造成工作面端頭來(lái)壓較高的主要影響因素來(lái)自多層頂板的同步失穩(wěn)。

(2)中部55號(hào)支架工作阻力位于3.9～5.1 MN區(qū)域的比率約占55%,最接近煤層上覆頂板的單層加權(quán)平均失穩(wěn)幾率53%,由此可見(jiàn)工作面中部礦壓顯現(xiàn)主要由煤層頂板群結(jié)構(gòu)的單層失穩(wěn)形式引起;支架工作阻力位于5.1～6.0 MN區(qū)域的比率占18%,最接近多層頂板加權(quán)平均失穩(wěn)率17.3%,可認(rèn)為造成工作面中部來(lái)壓的主要影響因素為多層頂板的同步失穩(wěn);工作阻力位于6.0～6.6 MN區(qū)域的比率約占21%,接近12號(hào)煤層頂板單層失穩(wěn)率28%,可認(rèn)為上位Ⅲ號(hào)頂板結(jié)構(gòu)受到擾動(dòng)處于失穩(wěn)狀態(tài),導(dǎo)致工作面采場(chǎng)壓力變化。

由此可見(jiàn),15號(hào)煤層頂板來(lái)壓與上覆多采空區(qū)破斷頂板群結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)具有一定關(guān)聯(lián),上覆頂板破斷塊體的不同組合失穩(wěn)形式導(dǎo)致工作面回采過(guò)程中采場(chǎng)來(lái)壓的不同特征,而各種塊體的組合失穩(wěn)又具有一定的概率特征;實(shí)測(cè)支架工作阻力與推進(jìn)距離的關(guān)系曲線表明了多采空區(qū)下工作面頂板來(lái)壓的頻繁性與復(fù)雜性,說(shuō)明多采空區(qū)多分層堅(jiān)硬頂板條件下的采場(chǎng)來(lái)壓具有多樣性特征。

4 結(jié) 論

(1)多采空區(qū)下堅(jiān)硬厚層頂板群結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)呈現(xiàn)出一定的概率特征,可采用威布爾多參數(shù)分布函數(shù)對(duì)頂板破斷群結(jié)構(gòu)失穩(wěn)進(jìn)行分析。通過(guò)相似模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)分布函數(shù)參數(shù)的確定,得到了堅(jiān)硬多分層頂板的破斷失穩(wěn)率,可較好地分析多采空區(qū)破斷頂板群結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及下部工作面采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)特征。

(2)近距離煤層頂板群結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)率取決于工作面采動(dòng)影響范圍內(nèi)的頂板破斷塊體數(shù)。通常,下部煤層開(kāi)采影響范圍內(nèi)的單層頂板塊體數(shù)目越多,頂板發(fā)生單層失穩(wěn)的幾率也越高,而多層頂板發(fā)生同步失穩(wěn)的幾率一般小于其單層失穩(wěn)率。

(3)工作面來(lái)壓期間支架工作阻力的頻率分布與多層破斷頂板的失穩(wěn)率具有較好的一致性,表明了多采空區(qū)堅(jiān)硬破斷頂板群結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)將造成工作面采場(chǎng)來(lái)壓的多樣性,而且單層頂板失穩(wěn)或多層頂板同步失穩(wěn)形式將影響工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度。

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Destabilization regularity of hard thick roof group under the multi gob

LIU Chang-you1,2,YANG Jing-xuan1,2,YU Bin1,3,YANG Pei-ju1,2

(1.School of Mines,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China;2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China;3.Datong Coal Mine Group Company,Datong 037003,China)

In order to understand the coal face pressure effects from the hard roof group structure breaking and instability,the relation was proved between the hard roof group structure and strata behavior.It investigated the instability characteristics of roof group structure combining the research methods of the theoretical analysis,similar simulation experiment and field measured according to the conditions of hard thick roof group structure under multi gob in Datong coal mining area.It shows that:the roof group structure instability has some certain probability characteristic;multiple parameters Weibull function describes well on instability forms in breaking roof group structure,and establishes the similar roof structure instability rate under the condition of the close distance coal seam group,then gives the roof instability parameters,and analyzes on the goaf roof instability rate in Jurassic coal seam group.It is shown that the roof group structure instability rate have some influence on the face support resistance.Through the mine pressure and support resistance measurement results on the end and central position of the coal face,verify the hard thick roof instability regularity in the No.15 face of Yongding Village Coal Mine in Datong mining area.

multi gob;breaking roof group;structure instability;ground pressure behavior;Weibull distribution

TD821;TD322

A

0253－9993(2014)03－0395－09

劉長(zhǎng)友,楊敬軒,于 斌,等.多采空區(qū)下堅(jiān)硬厚層破斷頂板群結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)規(guī)律[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(3):395－403.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0091

Liu Changyou,Yang Jingxuan,Yu Bin,et al.Destabilization regularity of hard thick roof group under the multi gob[J].Journal of China Coal Society,2014,39(3):395－403.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0091

2013－01－21 責(zé)任編輯:張曉寧

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51174192);江蘇省“333”培養(yǎng)基金資助項(xiàng)目(BRA2010024);江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程資助項(xiàng)目(CXLX12_0964)

劉長(zhǎng)友(1965—),男,山東東營(yíng)人,教授,博士生導(dǎo)師,博士。E－mail:cyliu@cumt.edu.cn