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    基于關(guān)鍵層理論的8m大采高工作面礦壓規(guī)律研究

    2021-03-26 11:10:18馮酉森
    煤炭工程 2021年3期
    關(guān)鍵詞:跨距步距礦壓

    馮酉森,陸 浩,焦 斌,李 偉

    (神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司 補(bǔ)連塔煤礦,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

    神東礦區(qū)煤炭地質(zhì)儲(chǔ)量巨大,煤層穩(wěn)定,地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡單,煤層厚度大[1],為特厚煤層一次采全高創(chuàng)造了條件[2],現(xiàn)補(bǔ)連塔煤礦第四個(gè)8m特大采高綜采工作面已正式回采,多名學(xué)者對大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行了卓有成效的研究[3-9],但多集中于綜采面礦壓顯規(guī)律的宏觀總結(jié),將礦壓規(guī)律與煤層上覆巖層進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析較少。8m特大采高綜采工作面在回采過程中,周期來壓步距、動(dòng)載系數(shù)、來壓持續(xù)距離差異明顯,尤其在過特殊區(qū)域時(shí),提前對礦壓顯現(xiàn)進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)尤為重要,現(xiàn)有的礦壓規(guī)律總結(jié)并不能夠滿足現(xiàn)場實(shí)際需要。

    煤系巖層由上部層狀巖體組成,由于各巖層的巖石力學(xué)性質(zhì)、厚度差異明顯,從而在控制采場上部巖層運(yùn)動(dòng)中所起的作用不同,關(guān)鍵層控制采場上覆巖層局部或直至地表的全部巖層活動(dòng)[10-13],該理論在工程實(shí)踐中已得到證明[14,15]。本文將基于關(guān)鍵層理論對8m特大采高綜采面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行深入分析,總結(jié)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與關(guān)鍵層之間的關(guān)系。

    1 關(guān)鍵層判別方法

    覆巖關(guān)鍵層判別分為三個(gè)步驟:一是根據(jù)覆巖巖層物理力學(xué)性質(zhì)、厚度等參數(shù),利用組合梁理論判斷堅(jiān)硬巖層;二是根據(jù)巖層梁式破斷計(jì)算其極限跨距;三是對堅(jiān)硬巖層的極限跨距進(jìn)行分析,確定煤層上方覆巖中主關(guān)鍵層、亞關(guān)鍵層的位置及相關(guān)參數(shù)[16]。

    1.1 堅(jiān)硬巖層判斷

    基本頂初次來壓后,隨綜采工作面回采,煤層上覆基巖經(jīng)過破斷、運(yùn)動(dòng),周而復(fù)始的出現(xiàn)“穩(wěn)定—失穩(wěn)—穩(wěn)定”過程,根據(jù)關(guān)鍵層定義,關(guān)鍵層之間非同步協(xié)調(diào)變形,關(guān)鍵層上部控制巖層與關(guān)鍵層同步變形,如圖1所示。

    圖1 巖層載荷計(jì)算

    假設(shè)第1層為堅(jiān)硬巖層,則第n層巖層對第1層巖層的載荷為:

    式中,q(n)1為第n層對第1層堅(jiān)硬巖層的荷載,MPa;Ei為第i層巖層彈性模量,GPa;hi為第i層巖層厚度,m;Vi為第i層巖層體積力,MN/m3。

    假設(shè)第n+1層為另一堅(jiān)硬巖層,由于其巖層撓度小于下層巖層,故n+1層堅(jiān)硬巖層不隨下部巖層同步變形,那么就存在:

    q(n+1)1

    (2)

    將式(2)代入式(1),即得堅(jiān)硬巖層的判斷公式:

    由煤層上方第1層巖層開始計(jì)算,滿足式(3)即為第2層堅(jiān)硬巖層,以此類推,得到煤層上覆堅(jiān)硬巖層的位置,以及該巖層起控制作用的相對軟巖位置。

    1.2 堅(jiān)硬巖層極限跨距判斷

    為方便計(jì)算,以兩端固支梁模型作為參考依據(jù),判斷各堅(jiān)硬巖層的極限破斷距,則:

    式中,Lk為第k層堅(jiān)硬巖層極限跨距,m;hk為第k層堅(jiān)硬巖層厚度,m;Rk為第k層堅(jiān)硬巖層極限抗拉強(qiáng)度,MPa;qk為第k層堅(jiān)硬巖層載荷,MPa。

    根據(jù)關(guān)鍵層定義可知:關(guān)鍵層所受載荷為本層堅(jiān)硬巖層與其控制的上部相對軟巖的重力之和,所以,式(4)中qk可根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算。

    由于表土層彈性模量為0,則煤層上覆巖層中的距離地表最近的堅(jiān)硬巖層所受的載荷為:

    式中,q0為距離表土層最近堅(jiān)硬巖層所受的載荷,MPa;E0為距離表土層最近堅(jiān)硬巖層彈性模量,GPa;h0為距離表土層最近堅(jiān)硬巖層厚度,m;h為表土層厚度,m;V0為距離表土層最近堅(jiān)硬巖層的體積力,MN/m3;V為表土層體積力,MN/m3;m為距離表土層最近堅(jiān)硬巖層控制的軟巖層數(shù)(除表土層);hj、Vj、Ej分別為距離表土層最近堅(jiān)硬巖層控制的各層軟巖厚度、體積力、彈性模量,單位分別為m、MN/m3、GPa。

    1.3 關(guān)鍵層位置判定

    關(guān)鍵層位置判定依據(jù)見式(6):

    Lk

    (6)

    如果Lk>Lk+1,需要將第k+1堅(jiān)硬巖層所受載荷作用于第k層堅(jiān)硬巖層上,再次算出第k層堅(jiān)硬巖層極限跨距,當(dāng)重新計(jì)算后Lk

    2 8m特大采高綜采工作面基本情況

    補(bǔ)連塔煤礦12514綜采工作面位于12煤五盤區(qū),是第四個(gè)8m特大采高綜采工作面,采面長度327.7m,推采長度3088.8m,可采儲(chǔ)量895.21萬t。該綜采面一次采全高,采取垮落法處理采空區(qū)。煤層厚度4.4~8.8m,平均厚度7.26m,煤層傾角1°~3°,煤層穩(wěn)定,地質(zhì)條件簡單,松散層厚度4~13m,上覆基巖厚度240~280m。12514綜采工作面煤巖層綜合情況見表1。

    表1 BK50鉆孔煤巖層綜合情況及覆巖關(guān)鍵層判別結(jié)果

    3 8m特大采高綜采面關(guān)鍵層判斷

    根據(jù)關(guān)鍵層判別方法,結(jié)合8m特大采高綜采面地質(zhì)資料,經(jīng)過式(1)、式(2)、式(3)計(jì)算,確定4、8、16、20、22、25號(hào)巖層為堅(jiān)硬巖層,計(jì)算得堅(jiān)硬巖層極限破斷距分別為21.21m、20.42m、33.71m、26.27m、48.23m、54.08m,具體見表1,其中L4>L8,L16>L20,根據(jù)關(guān)鍵層位置判斷原則,將堅(jiān)硬巖層8承受的載荷加到堅(jiān)硬巖層4上,經(jīng)過計(jì)算L4及先垮落步距小于L8,說明堅(jiān)硬巖層4破斷受控于堅(jiān)硬巖層8,當(dāng)堅(jiān)硬巖層8破斷后,其載荷作用于堅(jiān)硬巖層4,從而導(dǎo)致堅(jiān)硬巖層4破斷,取L4=L8=20.42m,同理堅(jiān)硬巖層L16=L20=26.27m。因此,經(jīng)過演算,存在4層關(guān)鍵層,第4層、16層、22層為亞關(guān)鍵層,第25層為主關(guān)鍵層,直接頂厚度7.77m。

    在煤炭開采過程中,隨下部回采作業(yè),導(dǎo)致上覆巖層運(yùn)動(dòng),根據(jù)關(guān)鍵層理論,上部巖層分段斷裂,從而形成綜采工作面周期來壓,將各關(guān)鍵層周期來壓步距按懸臂梁式折斷進(jìn)行計(jì)算,而各關(guān)鍵層周期來壓步距與極限垮落步距存在以下關(guān)系:

    式中,Lk周為第k層關(guān)鍵層周期來壓步距,m。

    經(jīng)計(jì)算得L1周=8.66m,L2周=10.72m,L3周=19.69m,L4周=22.07m。

    現(xiàn)根據(jù)所判別出的各關(guān)鍵層周期來壓步距,對工作面500m范圍內(nèi)來壓步距進(jìn)行預(yù)判,除去老頂初次來壓,兩次周期來壓步距小于4m時(shí),現(xiàn)場表現(xiàn)為兩次周期來壓無明顯間隔,視為一次周期來壓,則補(bǔ)連塔煤礦8m特大采高綜采面周期來壓步距預(yù)測結(jié)果見表2,其中,周期來壓步距平均值為9.15m。

    表2 補(bǔ)連塔煤礦8m特大采高綜采面周期來壓步距預(yù)測表

    通過表2可知,周期來壓步距存在大、小之分,且隨工作面推進(jìn),由于上部關(guān)鍵層極限跨距不同,導(dǎo)致部分相鄰周期來壓步距短,工作面現(xiàn)場表現(xiàn)為持續(xù)帶壓,或同一綜采面推進(jìn)度下,上覆兩層關(guān)鍵層復(fù)合破斷,導(dǎo)致周期來壓強(qiáng)度大、煤壁片幫、頂板破碎嚴(yán)重、立柱下沉量大等強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)。

    4 8m特大采高綜采面礦壓規(guī)律

    在A月監(jiān)測周期內(nèi),綜采面推進(jìn)288m,共發(fā)生周期來壓24次,周期來步距6.0~18m,平均來壓步距10.6m,動(dòng)載系數(shù)1.28~1.51,平均1.36,來壓強(qiáng)度較強(qiáng)烈,來壓持續(xù)長度2.4~9.6m,平均4.88m,如圖2所示。來壓期間綜采面中部支架載荷最大,機(jī)尾段次之,機(jī)頭段最小。綜采面周期來壓步距差異明顯,存在大、小周期來壓步距現(xiàn)象,大、小周期來壓無明顯規(guī)律,部分周期來壓時(shí)工作面帶壓距離長,現(xiàn)場頂板破碎、梁端距較大(1.5~2m),可能受上部多層關(guān)鍵層先后折斷影響,相鄰周期來壓之間步距小,導(dǎo)致相鄰周期來壓之間沒有明顯區(qū)分。

    圖2 8m特大采高綜采面A月周期來壓曲線

    在B月監(jiān)測周期內(nèi),工作面推進(jìn)325m,共發(fā)生周期來壓31次,周期來步距2.7~15.3m,平均來壓步距6.9m,動(dòng)載系數(shù)1.26~1.5,平均1.33,來壓強(qiáng)度較強(qiáng)烈,來壓持續(xù)長度1.8~9.9m,平均4.01m,如圖3所示,來壓期間綜采面中部支架載荷最大,機(jī)尾段次之,機(jī)頭段最小。綜采面周期來壓步距差異明顯,存在大、小周期來壓步距現(xiàn)象,大、小周期來壓無明顯規(guī)律,部分周期來壓時(shí)綜采面帶壓距離長,帶壓支架呈散點(diǎn)狀分布,可能受上部多層關(guān)鍵層先后折斷影響。

    圖3 8m特大采高綜采面B月周期來壓曲線

    根據(jù)關(guān)鍵層理論計(jì)算預(yù)測500m范圍內(nèi),綜采面共出現(xiàn)48次周期來壓,平均周期來壓步距9.15m,其中L<5m、5m≤L<10m、10m≤L<15m、15m≤L占比分別12.5%、52.08%、31.25%、4.17%;通過綜采面實(shí)際礦壓數(shù)據(jù)分析,綜采面共推進(jìn)613m,出現(xiàn)55次周期來壓,平均周期來壓步距8.5m,平均動(dòng)載系數(shù)1.34,來壓強(qiáng)度較強(qiáng)烈,其中L<5m、5m≤L<10m、10m≤L<15m、15m≤L分別占比16.38%、54.55%、23.64%、5.45%,周期來壓步距預(yù)測值與實(shí)際值相差0.65m,各周期來壓步距區(qū)段占比基本相同,其中5~15m占比達(dá)到78%以上。

    5 結(jié) 論

    1)基于關(guān)鍵層理論,確定8m特大采高綜采面上覆基巖存在4層關(guān)鍵層,并確定其層位,在此基礎(chǔ)上分析預(yù)測綜采面推進(jìn)500m范圍內(nèi)平均周期來壓步距為9.15m,并確定各周期來壓步距區(qū)段占比。

    2)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況,8m特大采高綜采面周期來壓步距差異明顯,存在大、小周期來壓現(xiàn)象,大、小周期來壓之間沒有明顯規(guī)律,周期來壓步距2.7~18m,平均8.5m,隨綜采面推采,上覆關(guān)鍵層極限跨距不同,先后折斷,部分周期來壓之間沒有明顯區(qū)分,存在關(guān)鍵層復(fù)合破斷的情況,工作面帶壓距離長,頂板管控困難。

    3)綜采面采高大,直接頂垮落后活動(dòng)空間大,關(guān)鍵層折斷對支架沖擊較大,周期來壓期間動(dòng)載系數(shù)1.26~1.51,平均1.34,來壓強(qiáng)度較強(qiáng)烈。

    4)通過關(guān)鍵層極限跨距分析與現(xiàn)場實(shí)際周期來壓步距對比,預(yù)測周期來壓步距9.15m,實(shí)際周期來壓步距8.5m,周期來壓步距L<5m、5m≤L<10m、10m≤L<15m、15m≤L的占比基本與現(xiàn)場實(shí)際周期來壓步距區(qū)段占比相吻合,通過關(guān)鍵層極限跨距可對工作面周期來壓步距進(jìn)行初步預(yù)測,指導(dǎo)現(xiàn)場工作。

    5)關(guān)鍵層理論周期來壓步距與現(xiàn)場實(shí)際周期來壓步距吻合度高,需要進(jìn)一步分析綜采面周期來壓強(qiáng)度、步距、帶壓距離與對應(yīng)關(guān)鍵層破斷層位之間的關(guān)系,從而提高預(yù)測預(yù)報(bào)精度,確保安全、高效回采。

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