夾矸厚度對煤矸互層頂板工作面礦壓顯現(xiàn)影響研究

伍永平，劉旺海，解盤石，楊文斌，劉晨光

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

回采工作面頂板管理是煤礦安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，在實(shí)際生產(chǎn)中夾矸復(fù)合頂板賦存不穩(wěn)定、強(qiáng)度低、易失穩(wěn)，威脅人員設(shè)備安全，嚴(yán)重影響工作面的生產(chǎn)效率。因此，研究夾矸厚度對煤矸互層頂板工作面礦壓顯現(xiàn)影響特征，并提出合理的夾矸頂板下開采控制措施，對煤矸互層頂板工作面安全高效開采具有重要意義。

近年來，已有眾多學(xué)者和工程技術(shù)人員分別從不同方面對煤層夾矸問題進(jìn)行了相關(guān)研究[1-20]，但鮮見針對夾矸厚度對煤矸互層頂板變形破壞特征方面的研究，特別是不同夾矸厚度條件下工作面頂板的變形破壞運(yùn)移規(guī)律、支承壓力分布特征等方面的研究。因此，在已有研究的基礎(chǔ)上，以煤矸互層頂板綜采工作面為研究對象，采用物理相似模擬實(shí)驗(yàn)方法，分析了不同夾矸厚度對煤矸互層頂板運(yùn)移規(guī)律及其對支承壓力分布規(guī)律的影響，并提出了夾矸頂板下開采穩(wěn)定性控制措施，為煤矸互層頂板綜采工作面安全高效開采提供了科學(xué)依據(jù)。

1 工程地質(zhì)條件

新疆艾維爾溝2130煤礦5#煤層地質(zhì)賦存條件較為復(fù)雜，平均埋深190m。煤層內(nèi)的夾矸層較多，最多可達(dá)9層，煤層厚8.2～11.7m，均厚9.95m，5#煤層頂部為煤矸互層，均厚5m左右，單層夾矸厚度0.44～2.97m，夾矸間單層煤層厚度0.25～2.75m，沿走向夾矸由薄變厚，夾矸間5#煤層底部煤質(zhì)較好，平均厚6.83m。煤體抗壓強(qiáng)度為0.89～8.16MPa，容重為1350kg/m3，夾矸以碳質(zhì)泥巖和粉砂巖為主，抗壓強(qiáng)度60MPa以上，基本頂以灰白色中砂巖和灰白色含礫粗砂巖為主，抗壓強(qiáng)度為85.11～128.97MPa。工作面頂板沿夾矸布置，工作面長度100m，走向長度1000m，設(shè)計(jì)采高為4.5m，留2.3m左右的底煤，采煤方法為綜合機(jī)械化一次采全高方法，采空區(qū)采用全部垮落法處理。

2 物理相似材料模擬實(shí)驗(yàn)

基于煤矸互層頂板工作面工程地質(zhì)條件，搭建了不同夾矸厚度條件下煤矸互層頂板走向物理相似材料模型。各巖層物理力學(xué)參數(shù)，見表1，在物理模型實(shí)驗(yàn)鋪裝過程中對夾矸層鋪設(shè)要求，工作面每1m(實(shí)際中每100m)分一個工況，共4種工況(無夾矸層、托1m夾矸層、托2m夾矸層、托3m夾矸層)，每一種工況對應(yīng)一種托頂夾矸層厚度。相似材料模型如圖1所示。模型主要參數(shù)有：長5.0m，寬0.2m，高1.5m，幾何相似比1∶100，載荷相似常數(shù)1.28×104，采高4.5m，工作面寬度100m。

表1 各巖層物理力學(xué)參數(shù)

圖1 相似材料模型及模型主要參數(shù)

實(shí)驗(yàn)采用PENTAX R-400NX光學(xué)全站儀監(jiān)測上覆巖層位移，采用簡易支架監(jiān)測工作面支架工作阻，用CL-YB-114X1無線壓力傳感器與108路壓力計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對煤壁支承壓力分布與演化特征進(jìn)行監(jiān)測，采用數(shù)碼攝像機(jī)拍攝記錄夾矸頂板下覆巖破壞垮落形態(tài)。

3 夾矸厚度對工作面頂板礦壓顯現(xiàn)影響

3.1 夾矸破斷與頂板垮落特征

在無夾矸層工作面開采時，直接頂垮落塊度較均勻，巖塊長度5.2m左右，垮落后矸石排列較整齊。夾矸層厚度1m開采時，夾煤裂隙擴(kuò)展先于夾矸層裂隙，夾矸層和夾煤受壓變形較嚴(yán)重，垮落塊度小且垮落后的矸石排列雜亂，巖塊長度2.1m左右，矸石可從支架尾梁后方和架前漏冒。

夾矸層厚度2m開采時，夾矸層垮落塊度較大，巖塊長度5.4m左右，垮落后矸石排列較整齊，此階段易出現(xiàn)架前冒頂現(xiàn)象。開采夾矸層厚度3m階段，夾矸層垮落塊度及夾煤垮落塊度大，巖塊長度7.3m左右，夾矸層與支架接觸受載不均易發(fā)生斷裂，垮落后的矸石排列整齊。

不同夾矸厚度煤矸互層頂板工作面，實(shí)際推進(jìn)400m，每次推進(jìn)2m，共推進(jìn)195次，共計(jì)23次周期來壓現(xiàn)象，見表2。

通過夾矸厚度對頂板周期性垮落參數(shù)對比分析，可以看出，無夾矸層階段，來壓步距均值為14.7m，工作面垮落角45.8°，架前冒頂4次；有夾矸層時階段，來壓步距均值隨夾矸層厚度的增加由11.3m增大至15.8m，來壓步距呈增長趨勢，這主要是由于夾矸頂板破壞后對上方基本頂變形破斷的緩沖作用，延長了基本頂?shù)膩韷浩茢嗖骄?，相對?yīng)工作面?zhèn)瓤迓浣蔷涤?9.4°增大為56.7°，架前冒頂次數(shù)由10次減小為3次，表明夾矸層越薄，越容易破碎，架前冒頂次數(shù)越多。總之，隨夾矸層厚度的增大，工作面來壓步距依次增大，頂板垮落角依次增大，架前冒頂次數(shù)依次較小。

3.2 夾矸垮落塊度大小理論分析

夾矸斷裂步距計(jì)算，依據(jù)經(jīng)典的礦山壓力巖梁理論[20]，夾矸初次層斷裂后，形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，則有：

式中，L為夾矸層斷裂步距，m；q為夾矸懸臂梁所所承受的載荷，MPa；Ei為各巖層的彈性模量，MPa；hi為各巖層分層厚度，m；γi為各巖層容重，kN/m。

經(jīng)計(jì)算當(dāng)夾矸層厚1m時，取抗拉強(qiáng)度1.5MPa，夾矸層的載荷為灰白色中砂巖巖層以下的巖層載荷，計(jì)算得：

=35.75kPa

同理可得：當(dāng)夾矸層厚2m時，q2為103.85kPa；當(dāng)夾矸層厚3m時，q3為138.78kPa。

σmax=Mmax/Wz

(3)

式中，h為夾矸層的厚度，m。

當(dāng)σmax=RT時，即夾矸層在該處的最大正應(yīng)力達(dá)到該處的抗拉強(qiáng)度極限，夾矸巖層將在該處斷裂，則：

由式(5)計(jì)算可知，夾矸層厚1m時，夾矸斷裂步距為3.7m；夾矸層厚2m時，夾矸斷裂步距為4.3m；夾矸層厚3m時，夾矸斷裂步距為5.7m。夾矸層斷裂步距與夾矸層厚度成正比，即夾矸層厚度越大，夾矸斷裂步距越大，則夾矸層垮落塊度越大，反之，夾矸層厚度越小，夾矸層斷裂步距越小，則夾矸層垮落塊度越??；夾矸層抗拉強(qiáng)度RT越大，夾矸層垮落步距越大；夾矸承載及自身重量q越大，夾矸層斷裂步距越大。其中，夾矸層厚度的大小直接影響著夾矸層垮落塊度的大小，該計(jì)算結(jié)果與上述物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象夾矸層垮落塊度大小結(jié)果較為一致。

3.3 夾矸頂板垮落運(yùn)移規(guī)律

不同夾矸厚度煤矸互層頂板工作面回采過程中，取工作面典型的第12、23次周期來壓后的頂板運(yùn)移測點(diǎn)，利用surfer軟件對運(yùn)移數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，繪出變形區(qū)域水平和垂直位移云圖，如圖2、3所示，工作面推進(jìn)過程中，巖層移動產(chǎn)生垂直位移和水平位移。垂直位移隨工作面的推進(jìn)，垮落帶下沉量最大，裂隙帶下沉量次之，彎曲下沉帶下沉量最小。說明，下位巖層運(yùn)移量大于上位巖層運(yùn)移量，越往上巖層下沉越緩慢；水平位移隨工作面的推進(jìn)，在靠近開切眼側(cè)，覆巖向右側(cè)移動；在靠近工作面?zhèn)?，覆巖向左側(cè)移動。

圖2 第12次周期來壓后位移特征

圖3 第23次周期來壓后位移特征

通過對比分析夾矸厚度對頂板周期性位移變化數(shù)據(jù)見表3，可以看出無夾矸層時，最大垂直位移均值為3.89m，最大水平位移均值為0.91m；有夾矸層時，最大垂直位移在每個階段均值幾乎相等約3.95m，水平位移在夾矸層較薄時較夾矸層較厚時運(yùn)移量大，隨夾矸層厚度的增加，最大水平位移均值由1.06m減小至0.71m。

表3 夾矸厚度對頂板周期性位移變化統(tǒng)計(jì)

3.4 支承壓力分布規(guī)律

3.4.1 支承壓力分布特征

圖4 工作面支承壓力分布

隨著工作面的推進(jìn)，取推進(jìn)50m、150m、250m、350m處支承壓力分析，如圖4所示?；夭晒ぷ髅媲胺街С袎毫γ黠@大于回采工作面后方支承壓力，隨著工作面的推進(jìn)，支承壓力增加區(qū)不斷向工作面前方轉(zhuǎn)移，煤壁的支承壓力隨著工作面的推進(jìn)有疊加效應(yīng)，同時隨著垮落高度的增加，垮落矸石進(jìn)一步被壓實(shí)，采空區(qū)壓力較之前有所增加。通過對表4數(shù)據(jù)分析可知，距開切眼約28m處到工作面后方約100m處，垮落矸石壓實(shí)程度高，底板壓力均值幾乎可達(dá)到原巖應(yīng)力，即4.67MPa，采空區(qū)底板壓實(shí)程度高的范圍隨推進(jìn)距離的增加而增大；但工作面后方約100m以內(nèi)垮落的矸石壓實(shí)程度底，壓實(shí)程度低的范圍，隨推進(jìn)距離的增加基本保持在100m左右，在此期間底板壓力均值難以恢復(fù)至原巖應(yīng)力。

表4 工作面壓實(shí)程度范圍分布

3.4.2 支承壓力峰值分布特征

工作面推進(jìn)過程中，不同夾矸厚度下支承壓力峰值大小對比分析，如圖5所示，可以看出，無夾矸層時，支承壓力峰值呈線性增長，峰值均值為8.94MPa，集中系數(shù)為1.91。在無夾矸層階段和有夾矸層階段過渡處，由于夾矸層的緩沖作用以及薄夾矸層易破碎，應(yīng)力集中效應(yīng)較無夾矸層時有所減弱，工作面煤壁支承壓力峰值比較低。但隨工作面的繼續(xù)推進(jìn)和夾矸層厚度的增加，夾矸頂板不易破碎，應(yīng)力集中效應(yīng)再次趨于明顯，前方煤壁支承壓力峰值也依次增大；在有夾矸層時，支承壓力峰值均值由10.09 MPa增大為11.97MPa，應(yīng)力集中系數(shù)由2.16增大為2.56，表明隨夾矸層厚度的增加，支承壓力峰值、應(yīng)力集中系數(shù)也逐漸增大。

圖5 不同夾矸厚度下支承壓力峰值特征

3.4.3 支承壓力峰值距工作面距離

不同夾矸厚度下支承壓力峰值距工作面距離對比分析，如圖6所示，可以看出，無夾矸層時，支承壓力峰值距工作面的距離均值為9.03m；有夾矸層時，當(dāng)夾矸層薄時，夾矸層隨采隨落，夾矸層越薄，越破碎，覆巖載荷在薄夾矸層上的力會轉(zhuǎn)移到工作面前方煤壁，支承壓力峰值也向工作面前方轉(zhuǎn)移，致使支承壓力峰值距工作面的距離增大；隨著夾矸層厚度增大，夾矸層不易破碎，覆巖載荷由夾矸層和前方煤壁共同承載，支承壓力峰值距工作面的距離較夾矸層薄時有所減小，均值由9.65m減小為6.56m，表明隨夾矸層厚度的增加，支承壓力峰值距工作面的距離呈減小趨勢。

圖6 不同夾矸厚度下支承壓力峰值距工作面距離

3.4.4 超前支承壓力影響范圍

不同夾矸厚度下超前支承壓力影響范圍對比分析，如圖7所示，可以看出，無夾矸時，支承壓力影響范圍均值為33.3m；有夾矸層時，在工作面推進(jìn)過程中，夾矸層相當(dāng)于一個板結(jié)構(gòu)承載著上覆巖層，夾矸層板結(jié)構(gòu)的厚度直接影響著工作面超前支承壓力的影響范圍。夾矸層板結(jié)構(gòu)越薄，承載覆巖的能力也就弱，超前支承壓力影響范圍也就小，反之夾矸層板結(jié)構(gòu)越厚，承載覆巖的能力越大，超前支承壓力影響范圍也就越大，均值由32.6m增大為40.06m，表明夾矸層厚度變化對支承壓力影響范圍比較大，隨夾矸層厚度的增加，工作面超前支承壓力影響范圍呈增大趨勢。

圖7 不同夾矸厚度下超前支承壓力影響范圍

4 沿夾矸頂板下開采控制措施

根據(jù)物理相似實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)論可知，夾矸頂板在支架頂梁前方易冒頂，頂板易破碎，使支架與夾矸頂板接觸不良，對工作面支護(hù)作業(yè)的統(tǒng)一管理與控制帶來困難。針對上述問題給出以下控制措施。

1)沿夾矸頂板開采時，頂板比較破碎，必須及時移架支護(hù)，移架時支架必須帶壓擦頂移架；做好頂板控制，防止夾矸層破碎，確保支架接頂有力，盡量避免支架反復(fù)支撐對夾矸層的破壞；移架方式采用單架依次順序移架。

2)優(yōu)化回采工藝、保證夾矸頂板穩(wěn)定。鑒于夾矸頂板易碎、易漏，應(yīng)盡量減少端面夾矸頂板的空頂時間。因此，采煤工藝的調(diào)整以“淺截深護(hù)”的思路為主，即在條件允許的情況下，采煤機(jī)滾筒的截深盡量采用短截深，減少割煤后的空頂距，采煤機(jī)割煤過后護(hù)幫板及時插入煤壁，達(dá)到封閉端面破碎夾矸漏冒空間的目的；在特殊情況下可采用超前錨桿來治理冒頂。

5 結(jié) 論

1)不同夾矸厚度煤矸互層頂板下開采時，當(dāng)夾矸層厚度較薄時，夾矸層垮落較破碎、塊度小；夾矸層厚度變厚時，垮落塊度較大。隨夾矸層厚度的增加支架前方冒頂?shù)拇螖?shù)逐漸減少，工作面?zhèn)软敯蹇迓浣侵饾u增大。

2)無夾矸層時，周期性垮落步距為14.7m，最大垂直位移約3.89m，最大水平位移約0.91m；有夾矸層時，隨夾矸層厚度的增加來壓步距由12.3m增大至15.8m，最大垂直下沉量約3.95m，最大水平運(yùn)移量在0.71～1.06m范圍內(nèi)移動。

3)不同夾矸厚度條件下，工作面支承壓力峰值隨夾矸層厚度的增加而增大；支承壓力峰值距工作面的距離隨夾矸層厚度的增加而減小；超前支承壓力的影響范圍隨夾矸層厚度的增加而增大。

4)提出了帶壓擦頂移架，確保支架接頂有力，避免支架反復(fù)支撐；采煤工藝調(diào)整以“淺截深護(hù)”的思路為主，減少割煤的空頂距，防止夾矸漏冒，保證煤矸互層頂板工作面安全高效開采。