特厚煤層卸壓綜放開采技術(shù)原理的實(shí)驗(yàn)研究

王家臣，呂華永，王兆會(huì)，張錦旺

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083; 2.放頂煤開采煤炭行業(yè)工程研究中心，北京 100083)

我國(guó)厚煤層開采是以放頂煤和大采高開采為主[1-2]，在12 m以下厚煤層的開采中得到成功應(yīng)用和普遍推廣，2014年在大同塔山煤礦，通過裝備研發(fā)和技術(shù)改進(jìn)，大采高綜放技術(shù)成功應(yīng)用于20 m特厚煤層的開采，資源回收率達(dá)到88.9%。目前可以解決厚度20 m以下的特厚煤層一次采全高的高效綜放開采難題，國(guó)外一些學(xué)者也進(jìn)行了相關(guān)研究[3-5]，總體上看，我國(guó)的厚煤層開采技術(shù)研究與應(yīng)用方面處于世界領(lǐng)先水平[6-7]。在放頂煤開采理論方面，如頂煤放出規(guī)律[8-14]、支架與圍巖關(guān)系[15-16]、頂煤破壞機(jī)理等[17-19]，也處于世界前列。我國(guó)未來的煤炭主采區(qū)新疆等西部地區(qū)賦存有大量20 m以上特厚煤層，由于埋藏深度等原因，大部分這類煤層無法實(shí)現(xiàn)露天開采，因此如何實(shí)現(xiàn)20 m以上特厚煤層安全高效的地下開采是一直沒有解決的世界性難題，國(guó)際上也沒有類似的理論與技術(shù)可以借鑒。

現(xiàn)階段對(duì)特厚煤層進(jìn)行相關(guān)基礎(chǔ)理論研究，為未來該類煤層開采的技術(shù)開發(fā)做基礎(chǔ)理論準(zhǔn)備十分必要。筆者基于煤巖體破壞特征，采用相似材料模擬實(shí)驗(yàn)，并以西部某礦實(shí)際開采地質(zhì)條件為依托，對(duì)卸壓開采階段頂煤垮落破碎程度、采場(chǎng)邊界垮落形態(tài)、支架阻力對(duì)頂煤破碎程度的影響及頂煤位移場(chǎng)分布特征、二次綜放階段采動(dòng)應(yīng)力作用下頂煤破碎規(guī)律及位移場(chǎng)分布特征等內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)的分析和研究，進(jìn)而揭示頂煤破碎機(jī)理，為特厚煤層卸壓綜放開采技術(shù)的成功應(yīng)用提供理論支撐。

1 卸壓綜放開采技術(shù)原理

20 m以上特厚煤層分為2類:一類是20 m以上近水平或緩傾斜特厚煤層(≤25°);另一類是20 m以上的急傾斜特厚煤層(>45°)。對(duì)于以上2類特厚煤層目前還沒有科學(xué)的高效開采方法。如何開采20 m以上特厚煤層是我國(guó)煤炭行業(yè)面臨的重大理論與技術(shù)課題之一，因此筆者提出了特厚煤層卸壓綜放開采技術(shù)，如圖1所示。

圖1 特厚煤層中部卸壓綜放開采技術(shù)Fig.1 Fully mechanized top-coal caving mining after extracting the middle slice in extremely thick coal seam

將特厚煤層Hm分為A,B,C三層，在B層布置卸壓工作面，采用綜采工藝進(jìn)行回采，該分層回采過程中，C層煤首先經(jīng)歷采動(dòng)加載歷史，工作面推過后則進(jìn)入卸載進(jìn)程，自行垮落破碎堆積在A層煤上方，然后在覆巖沉降作用下開始承載，進(jìn)入應(yīng)力恢復(fù)進(jìn)程(以上煤體破碎為一次破碎);最后在A層布置綜放工作面，依靠采煤機(jī)割煤回采A層煤，依靠放頂煤回采已經(jīng)垮落破碎在A層上方的頂煤C(此階段煤體破碎為二次破碎)。該開采技術(shù)適用于堅(jiān)硬特厚煤層或者瓦斯含量大的特厚煤層，依靠中層B的開采可實(shí)現(xiàn)對(duì)硬煤的預(yù)破碎或者有效地釋放煤層瓦斯。

卸壓綜放開采頂煤經(jīng)歷了卸壓采動(dòng)影響、應(yīng)力恢復(fù)再次承載和綜放開采冒落放出3個(gè)進(jìn)程，多次擾動(dòng)影響下破壞程度高，可以實(shí)現(xiàn)20 m以上特厚煤層的一次性回采，極大提高資源開采效率。

2 相似材料實(shí)驗(yàn)

2.1 工程概況

為了分析20 m以上特厚煤層卸壓綜放開采頂煤破碎效果，故選取西部某礦5號(hào)主采煤層為研究對(duì)象，對(duì)頂煤垮落破碎塊度分布特征、頂煤位移場(chǎng)分布特征及支架阻力對(duì)頂煤破壞的影響等內(nèi)容進(jìn)行研究，其埋深為524.5～579.6 m，平均為552 m。煤層傾角為3°～10°，平均為6°。煤層平均厚度為26 m，普氏系數(shù)為1.5。綜合柱狀圖如圖2所示。

2.2 相似常數(shù)及材料配比

根據(jù)相似定律，并依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件及實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ颓闆r，確定下列相似常數(shù)。

(1)幾何相似比

(1)

式中，αL為幾何相似比；Lp為原型尺寸，m；Lm為模型尺寸，m。

(2)容重相似比

(2)

式中，αγ為容重相似比；γp為原型煤巖的平均密度，kg/m3；γm為模型煤巖的平均密度，kg/m3。

圖2 煤層綜合柱狀Fig.2 Coal seam comprehensive histogram

(3)時(shí)間相似比

(3)

式中，αt為時(shí)間相似比；tp為原型工作面推進(jìn)時(shí)間，h；tm為模型開挖時(shí)間，h。

(4)應(yīng)力及強(qiáng)度相似比

ασ=αE=αLαγ=88.2

(4)

式中，ασ,αE為應(yīng)力及強(qiáng)度相似比。

相似材料選取河砂做骨料，以石灰、石膏作為膠結(jié)物。原型的主要煤巖層巖石力學(xué)參數(shù)見表1，根據(jù)相似原理通過計(jì)算得到模型的分層高度、合理配比及材料力學(xué)性能，具體情況見表2。

表1 煤層及頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock mechanics parameters of coal seam and roof and floor

2.3 模型構(gòu)建

本試驗(yàn)采用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)的二維試驗(yàn)臺(tái)，尺寸為:長(zhǎng)×寬×高為1 800 mm×160 mm×1 300 mm，采用平面應(yīng)變模型。鋪設(shè)模型時(shí)對(duì)煤層底板進(jìn)行簡(jiǎn)化，本次模型鋪設(shè)總高度為1 100 mm，模擬頂板巖層高度為37 m，剩余515 m采用配重模擬加壓。實(shí)體模型鋪設(shè)前在距離煤層中部卸壓層上方45.3 mm處向上采用5 cm×5 cm的網(wǎng)格式布置15行31列位移測(cè)點(diǎn)，并在邊界處留設(shè)15 cm的保護(hù)煤柱。最后確定卸壓層和綜放層具體位置及卸壓工作面推進(jìn)方向，煤層中部卸壓層高度設(shè)計(jì)為5 cm，底部綜放層高度設(shè)計(jì)為5 cm，具體模型構(gòu)建情況如圖3所示。

表2 模型鋪設(shè)分層材料用量Table 2 Model laying layered material consumption table

注:水的質(zhì)量按照分層干重的12%計(jì)算。

圖3 相似模擬實(shí)體模型Fig.3 Similar simulated solid model

2.4 觀測(cè)方案

模型開挖前首先在模型正前方固定GoPro HERO 5 Black 運(yùn)動(dòng)高速攝像機(jī)位置，用于采集頂煤變形過程中的高分辨率圖像，然后基于圖像散斑獲取頂煤位移場(chǎng)。在卸壓層開挖過程中，使用自制簡(jiǎn)易液壓支架(由FPY-101型分離式液壓千斤頂、CP-180型手動(dòng)液壓泵及頂梁等組成)監(jiān)測(cè)支架的承載特性及升降架對(duì)頂煤變形破壞的影響，支架頂梁尺寸為:長(zhǎng)×寬×厚=100 mm×160 mm×10 mm，在頂梁中部由模型背面至正面等間距依次安裝1號(hào),2號(hào)和3號(hào)數(shù)據(jù)采集器，如圖3所示。圖像采集系統(tǒng)、支架阻力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和非接觸位移測(cè)量系統(tǒng)如圖4～6所示。

圖4 GoPro hero 5 black 運(yùn)動(dòng)高速攝像機(jī)Fig.4 GoPro hero 5 black sport high speed camera

圖6 支架阻力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.6 Support load monitoring system

2.5 試驗(yàn)過程

在試驗(yàn)過程中，各個(gè)系統(tǒng)相互聯(lián)系，嚴(yán)禁移動(dòng)圖像采集設(shè)備，便于后期準(zhǔn)確分析頂煤位移場(chǎng)分布特征。結(jié)合相似理論估算支架阻力為3.9 kN，由于以支架加載至卸載狀態(tài)為周期來監(jiān)測(cè)支架阻力，故確定工作面回采工序?yàn)?升架—割煤—降架—移架。首先于模型左下方開挖卸壓工作面的開切眼，然后安裝支架及支架阻力監(jiān)測(cè)設(shè)備。工作面每次推進(jìn)約5 cm，共推進(jìn)22次。隨著工作面推進(jìn)，監(jiān)測(cè)各循環(huán)支架阻力變化情況并記錄模型狀態(tài)。由于頂煤比較破碎和松散，在分析其變形破壞特征時(shí)綜放工作面不再使用簡(jiǎn)易支架。

3 頂煤塊體分布特征

根據(jù)試驗(yàn)過程中頂煤垮落破碎的實(shí)際情況，利用塊度來描述卸壓開采階段和二次綜放階段頂煤的垮落破碎特征，進(jìn)而評(píng)價(jià)頂煤在二次綜放采動(dòng)應(yīng)力作用下的破碎效果。

3.1 卸壓開采階段

如圖7所示，當(dāng)卸壓工作面推進(jìn)75 cm時(shí)，在支架上方和采空區(qū)上方出現(xiàn)第3次大面積頂煤垮落破碎現(xiàn)象且第1次從直接頂臨界面剝離，垮落空間形態(tài)呈梯形，垮落角度為57°，垮落高度為29 cm，垮落長(zhǎng)度為75 cm，移架后支架上方頂煤出現(xiàn)一條長(zhǎng)度約為10 cm的近豎直裂隙。根據(jù)圖7局部放大圖，可以統(tǒng)計(jì)出已垮落頂煤的塊體體積分布情況，如圖8所示，隨著頂煤塊體體積的增大，其所占比例和數(shù)量均呈先急劇增大后逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，且在累計(jì)塊體體積達(dá)到500 cm3時(shí)，其所占比例和數(shù)量增長(zhǎng)較緩慢，這說明體積為500 cm3以內(nèi)的頂煤塊體比較密集，塊體所占累計(jì)比例約為94%，塊體數(shù)量約為860個(gè)。

圖7 卸壓工作面推進(jìn)75 cm時(shí)頂煤垮落破碎特征Fig.7 Characteristics of the top-coal collapse and fracture when the working face is extracted 75 cm

圖8 卸壓工作面推進(jìn)75 cm時(shí)頂煤塊度分布特征Fig.8 Distribution characteristics of the top-coal block when the working face is extracted 75 cm

圖9 卸壓工作面推進(jìn)135 cm時(shí)頂煤垮落破碎特征Fig.9 Characteristics of the top-coal collapse and fracture when the working face is extracted 135 cm

如圖9所示，當(dāng)卸壓工作面推進(jìn)135 cm時(shí)，模型開挖完畢，頂煤和頂板垮落空間形態(tài)均呈梯形，支架上方形成一條長(zhǎng)度約為30 cm且貫穿頂煤和頂板的近豎直裂隙。頂煤垮落角度為60°，垮落長(zhǎng)度為135 cm。頂板垮落角度為58°，垮落長(zhǎng)度為105 cm。根據(jù)圖9局部放大圖，統(tǒng)計(jì)出已垮落頂煤的塊體體積分布情況，如圖10所示，隨著頂煤塊體體積的增大，其所占比例和數(shù)量均呈首先急劇增大后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，即在累計(jì)塊體體積達(dá)到500 cm3時(shí)，其所占比例和數(shù)量基本趨于穩(wěn)定，超過500 cm3的大塊體頂煤較少，且體積為500 cm3以內(nèi)的頂煤塊非常密集，塊體所占累計(jì)比例約為96%，塊體數(shù)量約為1 700個(gè)。與卸壓工作面推進(jìn)75 cm時(shí)相比，體積為500 cm3以內(nèi)的頂煤塊體比例增加了2%，但塊體數(shù)量增加了840個(gè)。

圖10 卸壓工作面推進(jìn)135 cm時(shí)頂煤塊度分布特征Fig.10 Distribution characteristics of the top-coal block when the working face is extracted 135 cm

3.2 二次綜放階段

如圖11所示，當(dāng)綜放工作面推進(jìn)17 cm時(shí)，工作面上方及前方頂煤得到進(jìn)一步破碎，裂隙發(fā)育明顯。頂煤隨采隨冒，形成較小的塊體結(jié)構(gòu)，其上部巖層也同步冒落，形成鉸接巖塊，且出現(xiàn)冒空區(qū)。頂煤頂板形成近似直角梯形的垮落空間形態(tài)，煤巖分界面模糊，有極少量矸石混入頂煤，頂煤冒落角度大于90°，冒落長(zhǎng)度為44 cm。頂板垮落角度為90°，垮落長(zhǎng)度為30 cm。根據(jù)圖11統(tǒng)計(jì)出冒落頂煤的塊體體積分布情況，如圖12所示，隨著頂煤塊體體積的增大，其所占比例和數(shù)量均呈首先急劇增大后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，即在累計(jì)塊體體積達(dá)到100 cm3時(shí)，其所占比例和數(shù)量趨于穩(wěn)定，且累計(jì)體積達(dá)到500 cm3時(shí)幾乎包含全部頂煤塊體，塊體比例約為99.9%，塊體數(shù)量約為4 810個(gè)。

圖11 綜放工作面推進(jìn)17 cm時(shí)頂煤垮落破碎特征Fig.11 Characteristics of the top-coal collapse and fracture when the working face is extracted 17 cm

圖12 綜放工作面推進(jìn)17 cm時(shí)頂煤塊度分布特征Fig.12 Distribution characteristics of the top-coal block when the working face is extracted 17 cm

如圖13所示，二次綜放階段頂煤塊體累計(jì)體積約為550 cm3，500 cm3以內(nèi)的頂煤塊體最為密集，與卸壓完畢相比，塊體比例增加了3.9%，塊體數(shù)量增加了3 110個(gè)，二次破碎后頂煤塊體體積明顯變小，較小體積的塊體數(shù)量明顯增多，二次破碎效果顯著。

圖13 頂煤破碎效果比較Fig.13 Comparison of the top-coal broken effect

4 頂煤位移場(chǎng)分布特征

為了更加精確地測(cè)量開采過程中頂煤及上覆巖層的變形及運(yùn)移情況，采用DIC全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量技術(shù)來描述分析卸壓開采階段和二次綜放階段的頂煤位移場(chǎng)分布特征，進(jìn)而分析頂煤在二次綜放采動(dòng)應(yīng)力作用下的破碎情況。在工作面回采過程中，工作面上方頂煤產(chǎn)生與推進(jìn)方向相反的水平位移及向下的垂直位移，位移場(chǎng)分析時(shí)，規(guī)定位移與卸壓層推進(jìn)方向相同為正，垂直向下為正。

4.1 卸壓開采階段

如圖14所示，當(dāng)卸壓工作面推進(jìn)90 cm時(shí)，水平位移主要集中在梯形垮落空間兩腰位置附近區(qū)域，且在兩腰位置上方位移等值線比較密集，說明此區(qū)域水平位移較大，垮落空間中下部頂煤水平位移和垂直位移均較小，這是由于此時(shí)頂板未垮落沖擊垮落空間中下部煤體的原因，此外垂直位移與水平位移類似，主要集中在梯形垮落空間兩腰位置附近區(qū)域，支架上方頂煤及兩腰上方頂煤垂直位移較大。

圖14 卸壓工作面推進(jìn)90 cm時(shí)頂煤位移場(chǎng)Fig.14 Displacement field of top-coal when working face is extracted 90 cm

圖15 卸壓工作面推進(jìn)140 cm時(shí)頂煤位移場(chǎng)Fig.15 Displacement field of top-coal when working face is extracted 140 cm

如圖15所示，當(dāng)卸壓工作面推進(jìn)140 cm時(shí)，除支架后上方，垮落空間內(nèi)水平位移均較小，而垂直位移普遍較大。由于堆積頂煤上方存在無煤體充填區(qū)，上位巖層垂直位移最大，此外工作面上方上位頂煤垂直位移也較大，且頂煤較破碎。綜上所述，在同一回采循環(huán)期間，位移越大且等值線越密集的區(qū)域，頂煤垮落破碎程度越高。上位頂煤位移>中位頂煤位移>下位頂煤位移，由于支架作用，下位頂煤會(huì)出現(xiàn)塊體脫落現(xiàn)象，導(dǎo)致部分區(qū)域下位頂煤位移較大。

4.2 二次綜放階段

如圖16所示，當(dāng)綜放工作面推進(jìn)17 cm時(shí)，采動(dòng)影響區(qū)域內(nèi)工作面上方頂煤水平位移較大，等值線較密集，同區(qū)域工作面上方頂煤垂直位移大于水平位移，因此，下位頂煤位移最大，垮落破碎程度最好。

圖16 綜放工作面推進(jìn)17 cm時(shí)頂煤位移場(chǎng)Fig.16 Displacement field of top-coal when working face is extracted 17 cm

5 支架阻力與頂煤破壞特征

如圖17所示，當(dāng)卸壓工作面推進(jìn)45 cm時(shí)，在升架階段，支架最大阻力達(dá)到2.4 kN，頂梁阻力分布規(guī)律為:2號(hào)>1號(hào)>3號(hào)，支架合力作用點(diǎn)在頂梁中部;在支撐階段，頂梁阻力分布規(guī)律為:1號(hào)>2號(hào)>3號(hào)，支架合力作用點(diǎn)在頂梁左端;支架卸載后，頂梁阻力迅速降為0。在升架階段，由于受到支架的支撐作用，支架上方頂煤得到一定程度的破壞，下位頂煤產(chǎn)生了多條明顯的裂隙，如圖18所示。

圖17 卸壓工作面推進(jìn)45 cm時(shí)支架阻力分布Fig.17 Support load distribution when working face is extracted 45 cm

圖18 卸壓工作面推進(jìn)45 cm時(shí)頂煤垮落破碎特征Fig.18 Characteristics of the top-coal collapse and fracture when the working face is extracted 45 cm

如圖19所示，當(dāng)工作面推進(jìn)130 cm時(shí)，在升架階段，支架最大阻力達(dá)到2.6 kN，頂梁阻力分布規(guī)律較為復(fù)雜，支架合力作用點(diǎn)交替出現(xiàn)在頂梁左中右部;在支撐階段，頂梁阻力分布規(guī)律為:1號(hào)<2號(hào)<3號(hào)，支架合力作用點(diǎn)在頂梁右端，由于頂梁左上方頂煤較為破碎，所以頂梁左部和中部阻力呈緩慢下降趨勢(shì)，其值降低為0后保持恒定;支架卸載后，頂梁右部阻力迅速降為0。在升架階段，由于受到支架的支撐作用，下位頂煤得到明顯的破壞，產(chǎn)生兩條長(zhǎng)約10 cm的裂隙，如圖20所示。綜上所述，支架的反復(fù)支撐作用能夠促進(jìn)頂煤的一次破碎效果，進(jìn)而可以提高其二次破碎效果。

圖19 卸壓工作面推進(jìn)130 cm時(shí)支架阻力分布Fig.19 Support load distribution when working face is extracted 130 cm

圖20 卸壓工作面推進(jìn)130 cm時(shí)頂煤垮落破碎特征Fig.20 Characteristics of the top-coal collapse and fracture when the working face is extracted 130 cm

6 結(jié) 論

(1)卸壓開采階段500 cm3以內(nèi)的頂煤塊體數(shù)量較多，卸壓完畢塊體比例增加了2%，塊體數(shù)量增加了840個(gè);二次綜放階段頂煤塊體比例比卸壓完畢增加了3.9%，塊體數(shù)量增加了3 110個(gè)，二次破碎后頂煤塊體體積明顯變小，較小體積的塊體數(shù)量明顯增多，破碎效果顯著。

(2)采用DIC全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量技術(shù)分析頂煤位移場(chǎng)可以得到:同一回采循環(huán)期間，卸壓開采階段支架上方和垮落煤體充填區(qū)周圍頂煤位移較大且等值線較密，垮落破碎程度較好，上位頂煤位移>中位頂煤位移>下位頂煤位移。二次綜放階段下位頂煤位移最大，垮落破碎程度最好。

(3)在卸壓工作面回采過程中，支架阻力分布特征可明顯分為升架、支撐及降架3個(gè)階段，在升架階段支架阻力緩慢上升，下位頂煤中出現(xiàn)明顯的豎向裂隙，對(duì)頂煤破壞的影響范圍約為10 cm，支架反復(fù)支撐作用能夠促進(jìn)頂煤的破碎效果。