长沟峪煤矿大倾角中厚煤层变薄带的顶板压力

孙广义, 陈 刚, 王兴华

(1.黑龙江科技学院 资源与环境工程学院,哈尔滨 150027;2.北京昊华集团公司,北京 100000)

长沟峪煤矿大倾角中厚煤层变薄带的顶板压力

孙广义1, 陈 刚1, 王兴华2

(1.黑龙江科技学院 资源与环境工程学院,哈尔滨 150027;2.北京昊华集团公司,北京 100000)

大倾角煤层开采后,受采空区冒落矸石下滑充填的影响,特别是工作面中部煤层变薄带的影响,工作面顶板岩层的变形、破坏和运动形式不同于其他煤层。以长沟峪大倾角煤层变薄带顶板压力观测数据为基础,结合计算机模拟方法,分析该煤层顶板压力特点。数值模拟与实测分析均显示工作面煤层变薄带下部顶板压力大。这为相近条件下采煤工作面顶板支护设计提供了技术指导。

煤层变薄带;大倾角;矸石充填;顶板

Abstract:This paper introduces an insight into the steeply dipping seamswhich following the mining operation,are subjected to the defo rmation,destruction and movement occurring in roof rock in the differentway from other coal seam,due to the impact of waste rock falling down from Gob,especially the thinner zone of coal face at the medium steep seam.The approach involves an analysis of the character of roof pressure at steeply dipping seam,based on observation pressure data of the similar geological condition in Changouyu and combined with the numerical s imulation method.Both numerical s imulation and experimental analysis show that the lowerpartof thinner zone of coal face is exposed to a higher roofpressure.This research provides technical guide for roof support designed for coal faceswith the similar conditions.

Key words:thinner zone of coal seam;large inclined angle;waste-filling;roof

大倾角煤层一般指煤层倾角 35°～55°的煤层,煤层变薄带则指沿倾斜方向工作面中部煤层厚度小,上下端头厚度大且顶板平整、底板隆起的煤层。受煤层倾角与岩层倾斜分力的影响,采空区中、上部冒落矸石下滑充填至采空区下部。由于工作面中部煤层厚度小、直接顶冒落高度小、矸石下滑充填的数量少,影响矸石充填距离。工作面开采后,受采空区矸石充填与非充填范围的影响,顶板压力表现出与缓倾斜煤层不同的特点[1-2]。笔者通过对长沟峪煤矿大倾角中厚煤层的现场观测,研究工作面煤层变薄带下部顶板压力的变化,以期为相近条件的顶板支护设计提供技术参考。

1 受力分析

1.1 矸石充填长度与煤层倾角

大倾角煤层采用走向长壁方法开采时,采空区冒落矸石受其自重分力的作用向下滑动,充填至采空区下部,影响顶板压力分布状态。采空区充填长度受工作面斜长与煤层倾角的影响,其统计参数关系为[1,3]:

式中:s——采空区充填距离;

α——煤层倾角,>36°;

L——工作面长度;

h1——直接顶厚度;

d——煤层厚度。

式 (1)表明,煤层倾角越大,采空区冒落矸石的下滑力越大,采空区下部充填距离也长,对顶板的支撑效果就更好。工作面长度大,采空区冒落的矸石数量多,矸石下滑充填的数量大,充填的距离长。同时,采空区矸石充填受直接顶厚度与煤层厚度比 k的影响,当 k>0.5时,大倾角冒落矸石一般不下滑。工作面中部煤层变薄,影响采空区下部的充填距离。

采空区下部受矸石充填影响,直接顶仅有初期小量的下沉,待冒落矸石被压实后直接顶下沉量受到限制,一般不发生冒落现象,顶板压力较小。采空区上部直接顶发生冒落、矸石下滑,没有形成充填区域,顶板压力变化较大[4]。

1.2 基本顶

大倾角煤层倾斜方向基本顶断裂结构特征,限制了基本顶走向结构的回转与失稳。在倾斜分力的影响下,大倾角煤层工作面的周期来压一般显现不明显。

工作面基本顶在岩层自重与强度的作用下[5],一般沿倾斜方向岩梁会断裂形成 2～4块的砌体梁。工作面最下部的断裂岩梁位于矸石充填的范围内,其他断裂岩梁则位于非充填范围内。断裂岩梁互相铰接形成砌体梁结构,完成顶板压力传递功能。非充填部分的砌体梁结构的一个拱脚位于采空区被充填矸石附近,另一个岩梁拱脚位于采空区上部煤柱侧,使冒落充填矸石与上部煤柱的基本顶受力状态复杂,承担的压力较大。三岩梁力学模型如图 1所示。

图 1 大倾角煤层倾向三岩梁结构力学模型Fig.1 Structure mechan icsmodel of incline coal among three rocks

式中:Li——基本顶岩梁长度;

h——基本顶厚度;

K——矸石充填系数。

对式(2)分析可知,大倾角煤层基本顶岩梁挤压力的特点为 pi+1>pi[7],即下一铰接点的推力大于上铰接点[8]。基本顶断裂岩梁上拱脚处挤压力p1最小,下拱脚处挤压力 p4最大。p4点的挤压力最大,但处在冒落矸石充填区域内,顶板回转运动被限制,下沉量很小。

因工作面中部煤层变薄,基本顶下沉距离小,引起岩梁间运动回转角度θ2小。根据式 (2),回转角度θ2小,使挤压力 p3小,平衡基本顶的剪应力小,顶板易发生滑落失稳。

据式 (3)、(4)[5],τ3>τ2。τ3处在采空区冒落矸石充填与非充填之间的范围,基本顶运动不受充填矸石的限制,而受岩梁回转角度的影响。

影响基本顶平衡与失稳的主要参数是岩梁间挤压力 pi、剪切力τi与岩梁的回转角度θi。在相同的条件下,p3小、τ3大,达到 p3tanφ>τ3(φ为岩石内摩擦角)的平衡能力小,即在煤层变薄带下部,基本顶回转角度θ2小,引起的挤压力 p3平衡剪切应力τ3的能力小,易形成滑落失稳,也是煤层变薄带下部顶板压力大的主要原因。

2 数值模拟分析

2.1 模型条件

长沟峪煤矿工作面煤层倾角 34°～48°,平均38°;工作面长 84 m;煤层厚度 1.2～3.9 m,平均2.0 m;工作面中部煤层厚度最小,上下端头煤层厚度大。采用 ZH1600-16-24Z型整体顶梁组合支架支护,爆破落煤。煤层厚度小于 1.6 m时采用卧底方法通过,超过 2.3 m时利用留底煤方法回采。模型宽度取 200 m,高度取 150 m。模型中煤岩层力学参数见表 1。

表 1 煤岩层力学参数Table 1 Parameter of coal-series strata mechan ics

2.2 结果分析

针对所建立的模型,通过非线性有限元分析得到工作面上覆岩层的应力分布情况,如图 2所示。

图 2 大倾角煤层变薄带顶板沿倾斜方向的应力分布曲线Fig.2 Roof pressure distributing to dip charts of large inclined angle coal seam thinn ing zone

由模型分析结果可以看出,工作面上、下端头煤柱压力最大。在大倾角工作面中部煤层变薄情况下,变薄带下部应力值升高,即距工作面下端头 45 m处煤层最薄时,顶板压力在煤层变薄带下部升高。工作面下部与上部顶板压力最大相差 40 kN。

3 实测分析

长沟峪煤矿回采工作面采用 YHY60(B)型矿用数字压力计、KBJ-60 III-2型矿用数字压力数据采集器收集数据。

工作面支架编号从工作面下端头依次排序。各顶板压力测点连续观测 20 d,观测结果如图 3所示。

由图 3可以看出,采空区下部充填长度 20 m,充填效果较好的仅有 15 m左右。工作面“三铰拱”结构的第二个岩梁的下拱脚位于 25#支架上部,处于采空区矸石非充填范围内,引起顶板压力增大。工作面 5#支架处于采空区矸石充填范围内,顶板压力较小。15#、25#、35#支架处于煤层变薄带的下部,观测期间平均工作阻力分别达到 24.1、26.5与 23.4 MPa。工作面上部的 65#、75#支架工作阻力较小,平均值为 18.6 MPa,这与理论分析和数值模拟结果一致。

图 3 工作面实际压力观测曲线Fig.3 Observation curve of real pressure on coal face

4 结 论

(1)大倾角工作面采空区冒落矸石下滑充填距离受煤层倾角、工作面长度与煤层厚度等因素的影响。顶板压力分布不均匀,表现出非对称的状态。当工作面煤层中部变薄时,因煤层厚度小、冒落矸石少,故采空区下部充填距离小。

(2)受煤层变薄带的影响,基本顶运动下沉回转角度小,岩梁间挤压力小,剪切力大,形成工作面顶板下部压力大、上部压力小的状态。

(3)基本顶断裂岩梁处在煤层厚度变薄带下部、采空区非矸石充填范围时,该范围顶板压力大,是工作面支护的重点区域。

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(编辑 晁晓筠)

Roof pressure of thinner zone at thick coal seam with large inclined angle in Changgouyu

SUN Guangyi1, CHEN Gang1, WANG X inghua2
(1.College of Resource&Environment Engineering,Heilongjiang Institute of Science&Technology,Harbin 150027,China;2.Group ofBeijing Haohua,Beijing 100000,China)

TD355

A

1671-0118(2011)01-0040-04

2010-12-22

国家自然科学基金项目(51074068)

孙广义 (1957-),男,辽宁省辽阳人,教授,博士,研究方向:煤矿深部开采,E-mail:sgy8866@sohu.com。