汪师逵, 王恩营, 杜琳玮, 张 飞, 马一思
(河南理工大学 资源环境学院, 河南 焦作 454000)
保护层开采中关键层的确定
汪师逵,王恩营,杜琳玮,张飞,马一思
(河南理工大学 资源环境学院, 河南 焦作 454000)
太原组; 保护层; 关键层
开采保护层是区域防治煤与瓦斯突出最为有效的措施。针对保护层的防突机理,前人已开展了大量的研究,其主要作用是能够使被保护层卸压,透气性大幅度增加,有利于瓦斯抽采[1-3]。但保护层开采的保护效果受多种因素影响,各因素的作用大小不同,目前仍处于探讨阶段。一些学者将“覆岩三带”理论和“关键层”理论等一些经典理论引入保护层开采,这对进一步完善保护层开采的防突机理和在实践中应用是有益的[4-5]。
(1)确定覆岩中的坚硬岩层。判别式:
(1)
式中:Ei——第i层岩层的弹性模量,GPa;
hi——第i层岩层的厚度,m;
γi——第i层岩层的容重,kN/m3。
判别准则:从下向上,将每层岩层的物理力学参数带入判别式进行计算。当满足判别式(1)时,则第m+1层为第1层硬岩。此后从第m+2岩层重新开始进行判别式计算,依次循环。
图1 硬岩层及关键层判别结果
(2)计算各硬岩层的破断距。计算公式:
(2)
式中:lk——第k层硬岩层的破断距,m;
hk——第k层硬岩层的厚度,m;
σk——第k层硬岩层的抗拉强度,MPa;
pk——第k层硬岩层承受的载荷,MPa。
而pk可按式(3)确定:
(3)
式中:mk——第k层硬岩层控制的软岩层数;
k——第k层硬岩层;
j——第k层硬岩层所控制软岩层组的分层号;当j=0时,即为硬岩层的力学参数。
将各岩层的岩石力学参数代入破断距计算式(2),得出了3层硬岩的破断距(图1)。
(3)确定主关键层和亚关键层。确定的原则是:
(i)若第k层硬岩层为关键层,其破断距应小于其上部所有硬岩层的破断距,即满足:lk (ii)若第k层硬岩层破断距lk大于其上方第k+1层硬岩层破断距,则将第k+1层硬岩层承受的载荷加到第k层硬岩层上,重新计算lk。若重新计算的第k层硬岩层的破断距小于第k+1层硬岩层的破断距,则取lk=lk+1,说明此时第k层硬岩层破断受控于第k+1层硬岩层,即第k+1层硬岩层破断前,第k层硬岩层不破断,一旦第k+1层硬岩破断,其载荷作用于第k层硬岩上,导致第k层硬岩随之破断。 (iii)从最下一层硬岩层开始逐层往上判别lk 计算结果见图1。其中,第三层细粒砂岩为主关键层,第一层硬岩为亚关键层,第一、二层硬岩同步破断。 根据分析,当保护层覆岩存在硬岩层时,其对保护层卸压效果的影响具有两面性。若坚硬岩层巨厚且较难破断,则其在保护层上方将起到托板作用,阻止卸压向上发展;若坚硬岩层随采动发生强烈破断,托板的支撑效应将不复存在。 (3)鉴于不同煤层顶板岩层结构差异较大,因此,在确定保护层的卸压效果时,要根据各矿井实际情况,具体问题具体分析。 [1]方昌才. 保护层开采上覆煤岩变形移动及瓦斯抽采效果[J]. 安徽理工大学学报: 自然科学版, 2012, 32(2): 35-40. [2]常先隐. 远距离下保护层开采瓦斯治理效果分析[J]. 矿业科学技术, 2011, 39(2): 32-34. [3]王福厚, 张军远. 远距离下保护层开采工作面瓦斯治理技术[J]. 煤炭科学技术, 2008, 36(9): 33-37. [4]薛俊华, 余国锋. 远距离卸压开采关键层位置效应初探[J]. 安徽建筑工业学院学报: 自然科学版, 2008, 16(3): 29-33. [5]南建革, 李青松, 覃木广. 保护层开采顶板走向钻孔抽放设计方案[J]. 煤矿开采, 2007, 12(5): 80-83. [6]钱鸣高, 缪协兴, 许家林, 等. 岩层控制的关键层理论[M]. 徐州: 中国矿业大学出版社, 2000. [7]苑学海, 吕亚伟, 葛晓丹, 等. 峙峰山煤矿15#煤层薄板力学模型的建立与计算分析[J]. 煤炭工程, 2012(5): 93-95. [8]韩立军, 蒋斌松, 韩贵雷, 等. 晋城矿区厚层脆韧性石灰岩顶板变形与控制特性研究[J]. 岩土力学, 2010, 31(6): 1841-1846. (编辑王冬) Ascertainment and significance of key stratum to protective seam mining WANGShikui,WANGEnying,DULinwei,ZHANGFei,MAYisi (Institute of Resources & Environment, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China) Taiyuan formation; protective seam; key stratum 2013-05-30 中国煤炭工业协会科学技术研究指导性计划项目(MTKJ2009-295;MTKJ2009-296); 河南省教育厅自然科学研究计划项目(2009B62002) 10.3969/j.issn.1671-0118.2013.04.021 TD322 1671-0118(2013)04-0398-03 A 汪师逵(1988-),男,河南省漯河人,硕士,研究方向:矿井瓦斯地质与防治,E-mail:904689711@qq.com。3 结 论