近距離煤層開采過上覆煤柱防治壓架的理論研究

張世武，張百勝，楊永康，李曉坡

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué) 采礦工藝研究所，山西 太原 030024)

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近距離煤層開采過上覆煤柱防治壓架的理論研究

張世武1，張百勝1，楊永康2，李曉坡2

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué) 采礦工藝研究所，山西 太原 030024)

[摘要]針對近距離煤層工作面在推出上覆煤柱過程中易發(fā)生切頂壓架災(zāi)害，結(jié)合其機(jī)理提出一種預(yù)防措施：基于兩煤層間關(guān)鍵層的周期斷裂步距，在煤柱內(nèi)外兩側(cè)各選擇一個合理位置爆破關(guān)鍵層，得到一個“橫跨”煤柱和采空區(qū)的關(guān)鍵塊體，隨工作面的推進(jìn)及時發(fā)生回轉(zhuǎn)與周圍巖塊鉸接形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而“掩護(hù)”工作面通過出煤柱階段。采用理論分析，得知工作面在出煤柱過程中關(guān)鍵塊體的受力狀態(tài)。結(jié)果表明，關(guān)鍵塊體始終處于動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。最終在周圍巖塊的鉸接作用下緩慢下沉觸矸，整個出煤柱階段不會發(fā)生切頂壓架災(zāi)害。

[關(guān)鍵詞]近距離煤層；出煤柱；壓架災(zāi)害；關(guān)鍵塊體

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.05.001

[引用格式]張世武，張百勝，楊永康，等.近距離煤層開采過上覆煤柱防治壓架的理論研究[J].煤礦開采，2015，20(5)：1-5.

近距離煤層是指井田開采范圍內(nèi)相鄰2個以上煤層的層間距離很近，且開采時相互間具有顯著影響的煤層[1]。上煤層的開采引起回采空間周圍應(yīng)力的重新分布，使下煤層的開采與單一煤層開采相比呈現(xiàn)出許多新的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，尤其是上部工作面回采后殘留煤柱上的集中應(yīng)力始終是影響下部煤層開采的關(guān)鍵因素[2]。針對近距離煤層上覆煤柱的影響，現(xiàn)有的研究成果主要是圍繞過集中煤柱時的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和避開煤柱集中應(yīng)力進(jìn)行巷道布置等方面展開的[3]。而大量開采實踐表明，近距離煤層工作面在推出上覆遺留煤柱時更容易出現(xiàn)強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)，造成切頂壓架災(zāi)害[4]。

針對出煤柱時的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)機(jī)理和防治壓架措施的研究很少，能檢索到的相關(guān)文獻(xiàn)只有鞠金峰、許家林、朱衛(wèi)兵等人[5-10]結(jié)合神東礦區(qū)的地質(zhì)條件，采用理論分析和相似模擬試驗對工作面出煤柱時的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)機(jī)理進(jìn)行的研究，其結(jié)果表明在出煤柱階段煤柱上方兩關(guān)鍵塊體形成的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)隨下部巖層的下移發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致煤層間關(guān)鍵層斷裂結(jié)構(gòu)的載荷過大而失穩(wěn)是造成工作面動載礦壓和壓架災(zāi)害發(fā)生的根本原因。文獻(xiàn)[8]結(jié)合上述壓架機(jī)理，從控制關(guān)鍵塊體回轉(zhuǎn)的角度出發(fā)提出煤柱邊界預(yù)掘空巷或預(yù)爆破、煤柱邊界未壓實采空區(qū)充填和煤柱邊界上方關(guān)鍵塊體結(jié)構(gòu)爆破強(qiáng)放3種壓架災(zāi)害的防治措施，并進(jìn)行了物理相似模擬實驗驗證和工程應(yīng)用。但是，其施工工藝較復(fù)雜，且成本較高。因此，根據(jù)前人對神東礦區(qū)近距離煤層出煤柱階段強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)機(jī)理的研究成果，從控制煤層間關(guān)鍵塊體形成和運動的角度出發(fā)，提出一種操作簡單、成本低廉的防治措施，采用理論分析其方法的可行性，為工程實踐提供理論依據(jù)。

1壓架機(jī)理

隨著工作面的推進(jìn)，控制上覆巖體活動的關(guān)鍵層發(fā)生周期性破斷，進(jìn)而導(dǎo)致上覆巖層產(chǎn)生整體運動[11]。如圖1(a)所示，當(dāng)工作面推至上覆遺留煤柱邊界時，控制工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的關(guān)鍵塊體E和F隨著下部巖層的下移發(fā)生相對回轉(zhuǎn)運動，導(dǎo)致周期性斷裂的關(guān)鍵塊體D載荷過大而發(fā)生滑落失穩(wěn)，進(jìn)而使得關(guān)鍵塊體及其控制的上覆巖層整體下沉，最終造成如圖1(b)所示的沿煤壁上方切頂下滑的壓架災(zāi)害[5-10]。

圖1　出煤柱階段壓架示意

2防治措施

根據(jù)上述壓架機(jī)理可知，煤層間關(guān)鍵層周期性斷裂形成的關(guān)鍵塊體D因載荷過大，并且與周圍巖體難以形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，從而滑落失穩(wěn)造成切頂壓架事故。因此如果能控制關(guān)鍵塊體的形成和運動，使其在工作面推進(jìn)過程中，會根據(jù)受力情況隨時調(diào)整姿態(tài)至平衡，從而改善受力狀態(tài)，避免了關(guān)鍵塊體因載荷過大而發(fā)生瞬間滑落的現(xiàn)象。

如圖2(a)所示，當(dāng)工作面推至出煤柱階段時，選擇在煤柱內(nèi)一側(cè)距離煤柱邊緣x的A處和煤柱外一側(cè)距離煤柱邊緣y的B處為進(jìn)行爆破的關(guān)鍵層，使其提前形成一個“橫跨”煤柱和采空區(qū)的關(guān)鍵塊體AB，其中x和y是根據(jù)由理論計算得到的關(guān)鍵層周期斷裂長度來確定的。當(dāng)工作面推至煤柱邊界附近某處時，如圖2(b)所示，由于煤層的采出和直接頂?shù)目迓洌诿褐袘?yīng)力的作用下，關(guān)鍵塊體AB將發(fā)生回轉(zhuǎn)，而一旦發(fā)生微小回轉(zhuǎn)，則AB塊體會立刻與后方塊體在C處接觸鉸接，并在采場前方煤體和直接頂?shù)墓餐饔孟绿幱诜€(wěn)定狀態(tài)，工作面則會在關(guān)鍵塊體AB的“掩護(hù)”下順利推出煤柱。隨著工作面進(jìn)一步推進(jìn)，關(guān)鍵塊體因后方巖塊的鉸接作用而緩慢下沉觸矸，如圖2(c)所示，因此在整個出煤柱階段有效地避免了動載礦壓和壓架災(zāi)害的發(fā)生。

圖2　關(guān)鍵層斷裂位置及回轉(zhuǎn)示意

3理論分析

3.1　關(guān)鍵層的周期斷裂步距計算

關(guān)鍵層初次斷裂結(jié)束后，其受力條件和支承條件都發(fā)生了根本性變化。變化后的關(guān)鍵塊體受力狀態(tài)可以簡化成一個不等高支承的鉸接巖梁[12-13]，其力學(xué)模型如圖3(a)所示。

圖3　巖梁周期斷裂力學(xué)模型

巖梁周期斷裂力學(xué)模型中的鉸接巖梁由原已斷裂的部分①和可以近似看成是處于懸臂梁受力狀態(tài)的部分②組成的，其長度分別為L1和L2，如圖3(b)所示。如果不考慮巖梁的撓曲，則②部分所受的結(jié)構(gòu)力將包括：

(1)巖梁的自重G2，G2=hL2γ，其中，G2為巖梁②所受重力；h為巖梁的厚度；γ為巖梁的容重。

(2)上覆采空區(qū)冒落矸石或遺留煤柱作用在巖梁上的載荷q。

(3)①部分通過鉸接點O作用在②上的水平推力P和相應(yīng)的摩擦力F，F(xiàn)=Pf，其中f為摩擦阻力系數(shù)。

(4)水平推力P對②產(chǎn)生的附加力偶矩Mp，Mp=Ph/2。

(5)支架反力RT。由于支架對巖梁采取等壓工作狀態(tài)，因此在巖梁端部未裂斷前可以不加考慮。

根據(jù)圖3(c)所示鉸接巖梁中①的平衡條件可得：

ΣMs1=0

(1)

則

(2)

即

G1cosα+qL1=2Psinα+2Fcosα

(3)

式中，α為①的回轉(zhuǎn)角。

在極限條件下F=Pf，代入式(3)解得

(4)

(5)

采場周期來壓的前提為：巖梁在上述結(jié)構(gòu)力作用下從端部S2處斷裂，其力學(xué)條件為

σ=[σ]

(6)

式中，σ為梁端斷裂處的實際拉應(yīng)力；[σ]為巖梁的許用拉應(yīng)力。

實際拉應(yīng)力σ值為

σ=σ1-σ2

(7)

式中，σ1為力系在S2點產(chǎn)生的拉應(yīng)力；σ2為力系在S2點產(chǎn)生的壓應(yīng)力。σ1由巖梁彎曲產(chǎn)生，所以

(8)

M=MG+Mq+MF+MP=

(9)

將式(9)和W值代入式(8)得

(10)

由此可得巖梁梁端實際拉應(yīng)力為

σ=σ1-σ2=

(11)

將式(11)代入(6)，并代入G2得關(guān)于L2的一元二次方程

(12)

代入F，P的值，并令I(lǐng)=hγ+q，則方程式(12)的解為

(13)

去除無意義的負(fù)根，忽略根號中的負(fù)數(shù)項(即認(rèn)為P對S2點的壓應(yīng)力與移動該力至巖梁中部后，附加力偶矩產(chǎn)生的拉應(yīng)力相互抵消)，并不影響計算結(jié)果[14]。因此L2的表達(dá)式可簡化為

(14)

由上式可知周期斷裂步距隨著巖梁厚度h和強(qiáng)度[σ]的增加而增加，隨著上覆載荷q的增加而減小。各次周期斷裂步距并非都完全相同，所以如果各次來壓步距依次用L1，L2，…，L2n，L2n+1表示，則將有L2>L1；L3L3；…；L2n>L2n-1；L2n+1

由式(14)可知，如果令L1= 0，即巖梁②處于自由懸臂狀態(tài)，則有

(15)

3.2　爆破斷頂位置的合理選定

為合理確定爆破位置，如圖4所示，先假設(shè)只在煤柱內(nèi)一側(cè)距離煤柱邊緣x0的A處爆破切頂，切頂后的巖梁AB則處于自由懸臂狀態(tài)，當(dāng)工作面推至煤柱外一側(cè)距離煤柱邊緣y0的B處時懸臂巖梁AB在B處的實際拉應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度而斷裂。

圖4　懸臂巖梁AB自由斷裂位置示意

如果不考慮巖梁的撓曲，那么x0和y0滿足以下關(guān)系

(16)

式中，q1，q2分別為煤柱和采空區(qū)冒落矸石作用在巖梁上的載荷。

為了使懸臂巖梁AB能較好地跨過煤柱和采空區(qū)，令y0=x0，代入(16)中，解得

(17)

因此應(yīng)選擇在距離煤柱邊緣內(nèi)一側(cè)x=x0處爆破斷頂，斷頂后方可解除后方斷裂的塊體通過鉸接作用在懸臂梁AB上的作用力，從而減小了懸臂梁AB上的載荷；而且，當(dāng)懸臂梁AB斷裂發(fā)生回轉(zhuǎn)之后可及時與后方巖塊形成新的鉸接，以更好地支撐懸臂梁AB。同時，在距離煤柱邊緣外一側(cè)y=y0處也對關(guān)鍵層進(jìn)行超前爆破，爆破后提前形成的懸臂梁AB在工作面推出煤柱過程中會因煤柱集中應(yīng)力作用而及時發(fā)生回轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)之后不僅能形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，而且能改變原來懸臂梁受力狀態(tài)為簡支梁受力狀態(tài)，使抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度的巖石在后者受力狀態(tài)下更穩(wěn)定。

3.3　關(guān)鍵塊體的穩(wěn)定性分析

當(dāng)關(guān)鍵塊體(懸臂梁)AB形成以后，根據(jù)其在工作面煤壁上后方的應(yīng)力狀態(tài)不同，工作面由A推至B可分為2個階段。

(1)階段1如圖5(a)所示，工作面由爆破點A推至E點，E點為關(guān)鍵塊體AB失穩(wěn)旋轉(zhuǎn)的臨界點。此階段，工作面煤壁后方關(guān)鍵塊體處于懸臂梁狀態(tài)，塊體均承受上端受拉、下端受壓的應(yīng)力狀態(tài)；巖梁承受的彎矩均為負(fù)值。如圖5(b)所示，待工作面推至E處時，巖梁在E處的應(yīng)力和彎矩值ME均達(dá)到最大值。

圖5　關(guān)鍵塊體AE段受力狀態(tài)分析

假設(shè)AE的水平距離為a，不計關(guān)鍵層和下部巖層之間的黏聚力，則有

(18)

解得

(19)

因為q1>q2，所以a

(20)

(2)階段2如圖6(a)所示，工作面由臨界點推至爆破點B處，此階段因為關(guān)鍵塊體AB回轉(zhuǎn)之后與后方巖塊鉸接，后方巖塊對塊體AB有水平推力P和相應(yīng)的摩擦力F。在P和F的作用下，關(guān)鍵塊體的彎矩逐漸由負(fù)變?yōu)檎瑧?yīng)力隨彎矩變化逐漸由上端受拉、下端受壓最終轉(zhuǎn)為上端受壓、下端受拉的狀態(tài)，如圖6(b)所示。因為巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，因此彎矩為正的情況下更有利于關(guān)鍵塊體的穩(wěn)定。

圖6　關(guān)鍵塊體AB段受力分析

不計塊體AB的回轉(zhuǎn)角，由圖6(a)得出以下平衡方程組

(21)

解得

(22)

(23)

假設(shè)最大彎矩發(fā)生在距離A點l處，如圖6(b)所示，則有

(24)

(25)

(26)

(27)

綜上所述，工作面由爆破點A處推至爆破點B處過程中，關(guān)鍵塊體AB上所受的拉應(yīng)力均小于抗拉強(qiáng)度，所以采用超前爆破關(guān)鍵層來防治出煤柱時切頂壓架的方法理論上可行。

4結(jié)論

(1)在工作面上覆煤柱或采空區(qū)冒落矸石q作用下，推導(dǎo)出其頂板關(guān)鍵層周期斷裂步距為：

(2)通過理論計算得出爆破位置為煤柱內(nèi)外兩側(cè)各距離煤柱邊緣x處。建立爆破斷裂關(guān)鍵層形成的過渡關(guān)鍵塊體的受力簡化模型，對工作面出煤柱階段該關(guān)鍵塊體進(jìn)行受力分析，得出工作面在出煤柱階段關(guān)鍵塊體始終處于動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)，x的取值為：

(3)對工作面出煤柱階段爆破斷頂后關(guān)鍵塊體的受力狀態(tài)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明爆破形成的關(guān)鍵塊體隨工作面推進(jìn)過程中，于后方巖塊和煤壁前方煤體、直接頂?shù)墓餐饔孟戮徛鲁敛②呌诜€(wěn)定，整個出煤柱階段不會出現(xiàn)切頂壓架災(zāi)害。

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[責(zé)任編輯：潘俊鋒]

Theoretical Research of Preventing Prop Jammed in Close-distance Coalseams Mining through overlying Coal-pillar

ZHANG Shi-wu1，ZHANG Bai-sheng1，YANG Yong-kang2，LI Xiao-po2

(1.Mining Engineering School，Taiyuan Polytechnic University，Taiyuan 030024，China； 2.Mining Technique Research Institute，Taiyuan Polytechnic University，Taiyuan 030024，China)

Abstract：In order to prevent prop jammed disaster in close-distance coalseams mining through overlying coal-pillar，a prevention measure was put forward that by selecting rational locations at two sides of coal-pillar and blasting key stratum on the basis of periodical breakage pace of key stratum between two coalseams，a key block spanning coal-pillar and gob was formed which construct stable structure with mining face advancing and protect face mining through coal-pillar.Stress state of the key block in the procedure was obtained with theoretical analysis.Result showed that the key block would be invariably in dynamic stable state and finally slowly subside till it contact gangue under articulated action with other rock blocks.There was no prop jammed disaster in the period.

Keywords：close-distance coalseams；mining through coal-pillar；prop jammed disaster；key block

[作者簡介]張世武(1990-)，男，山西汾陽人，碩士研究生，主要從事礦山壓力與巖層控制方面的研究。

[基金項目]國家自然科學(xué)基金資助項目(51404167);礦山災(zāi)害預(yù)防控制國家重點實驗室培育基地開放基金(MDPC2013KF16);深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室開放基金(SKLGDUEK1410)

[收稿日期]2015-02-15

[中圖分類號]TD323

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1006-6225(2015)05-0001-05