特厚煤层大采高综放工作面矿压及顶板破断特征

李化敏,蒋东杰,李东印

(河南理工大学能源科学与工程学院,河南焦作 454003)

特厚煤层大采高综放工作面矿压及顶板破断特征

李化敏,蒋东杰,李东印

(河南理工大学能源科学与工程学院,河南焦作 454003)

针对大采高综放工作面覆岩活动空间大、开采扰动强烈的特点,以不连沟煤矿特厚煤层大采高综放开采为背景,采用现场实测和理论分析等方法对大采高综放采场矿压及顶板运移破断特征进行分析,建立了大采高综放采场周期来压岩层破断的力学模型,得出了液压支架工作阻力的计算方法。结果表明：大采高综放工作面来压时安全阀开启频繁、顶板快速下沉,额定工作阻力13 800 kN的液压支架不能满足顶板控制的需要;开采空间的增大、直接顶厚度增大,低位基本顶转化为直接顶成为悬臂结构、高位基本顶形成砌体梁,二者形成“上位砌体梁-下位倒台阶组合悬臂结构”;工作面来压强烈、动载明显、持续时间短的矿压现象是由于高位砌体梁结构滑落失稳造成的,据其力学特征确定了液压支架的工作阻力。

特厚煤层;大采高;综放工作面;组合悬臂梁;砌体梁;支架工作阻力

随着大采高和综放技术及装备的发展,将大采高综放开采二者有机结合,形成了我国8～15 m煤层开采的独具特色的采煤方法,成为条件适宜矿井实现安全高产高效开采的重要技术途径[1-2]。近年来,很多学者对大采高综放工作面顶板结构进行了深入研究,文献[3-4]通过相似模拟实验和理论分析认为综放开采时直接顶岩块在渐进流动过程中能形成上位直接顶“散体拱”结构,并对“散体拱”的失稳机理进行了分析。文献[5]以数值模拟为手段,对综放工作面支护强度与采出厚度之间的关系进行了研究,认为支护强度与采出厚度成正相关关系。文献[6-7]通过理论分析,将顶板岩层分为“无变形压力岩层”和“有变形压力岩层”,认为开采厚度的增大导致“有变形压力岩层”的范围明显加大是导致矿压显现异常强烈的原因,并提出了“悬臂梁-铰接岩梁”结构,给出了特厚煤层综放开采支架工作阻力的计算式。文献[8-10]采用微地震监测技术对塔山矿15 m特厚煤层顶板运移规律进行监测,确定了直接顶、低位基本顶、高位基本顶的位置,认为特厚煤层综放工作面高位岩层的断裂运动将强迫下位岩层的断裂运动,从而在支架上形成冲击载荷,将支架工作状态分为3类：正常情况、低位基本顶来压和高位基本顶来压,其中高位基本顶来压时所需支架工作阻力最大。可以看出,大采高综放工作面开采空间大,开采扰动过程强烈,引起顶板能量的突然释放、转移、传递的动力学过程剧烈,矿压显现明显,甚至存在支架动载冲击现象。对于特厚煤层大采高综放工作面覆岩破断及顶板控制的理论仍落后于现场实践,不连沟煤矿13 800 kN的液压支架仍不能满足顶板需求,动载现象明显,本文根据特厚煤层的开采条件,进一步研究其覆岩结构特征,旨在为大采高综放工作面顶板控制提供一种新的方法。

1 工作面概况及矿压观测

1.1 工作面概况

不连沟煤矿是位于鄂尔多斯准格尔煤田的千万吨级矿井,黄土高原地貌,沟壑发育。F6202综放工作面为二盘区第2个回采工作面,开采6号煤层,煤层产状平缓,裂隙较发育,煤层厚11～21 m,平均厚度15．2 m,煤层倾角平均4°。采用大采高综采放顶煤开采,工作面倾向长240 m,走向长1 300 m,机采高度3．8 m,放煤高度11．2 m,采放比达到1∶2．95。采用中煤北京煤矿机械有限责任公司生产的ZF13800/27/42型四柱放顶煤液压支架。

1.2 矿压观测分析

采用常规方法对F6202综放工作面前6次周期来压进行观测,工作面周期来压步距统计见表1,支架工作阻力统计见表2。

表1 周期来压步距统计Table 1 Statistics of periodic weighting lengthm

从统计数据来看,大采高综放工作面周期来压步距与普通综放工作面来压步距差别不大,来压步距为7．6～16．8 m,平均11．5 m;正常阶段液压支架平均工作阻力7 586 kN;来压期间支架工作阻力急剧增大,来压一般持续1～3个割煤循环,平均工作阻力达14 998 kN,动载系数平均达1．83,说明顶板活动剧烈,动载现象明显,静压小、动压大,支架安全阀开启频繁,现场观测亦显示来压期间顶板下沉速度快、下沉量大,呈现所谓的“活柱急速下缩”现象,尤其是当工作面推进速度慢时,顶板下沉量更大,存在压架危险(图1),可见,额定工作阻力13 800 kN的液压支架不能满足顶板控制的需求。

表2 支架工作阻力统计Table 2 Statistics of working resistancekN

图1 支架活柱下缩Fig．1 Subsidence of movable column of support

2 顶板结构力学分析

大采高综放工作面采空区覆岩运动空间大,活动剧烈,形成稳定结构的层位高,对于一次开采厚度15 m的特厚煤层,在采高较小情况下上覆能形成稳定结构的基本顶岩层转化为大采高综放情况下的直接顶,直接顶破断后不能传递水平力,但对于具有较高强度的直接顶来说易形成悬臂梁结构而作用于支架上,同时,高位坚硬岩层作为基本顶仍可形成砌体梁结构(图2)。当支架工作阻力较小,在难以阻止上覆顶板过大下沉量的情况下,砌体梁结构关键块将进一步下沉,迫使悬臂梁结构回转,悬臂梁回转下沉导致作用于砌体梁的支护阻力减小,尤其是来压阶段,易造成砌体梁滑落失稳,从而造成工作面矿压强烈、支架冲击荷载现象,这是不连沟综放工作面来压强烈的主要原因。

2.1 正常回采阶段

在工作面正常回采阶段,支架仅需承受悬臂梁结构对支架的作用力。

对于悬臂结构[11-14]：

式中,hi为第i层一端固定悬臂梁的厚度,m;γm为顶煤的容重,kN/m3;hm为顶煤厚度,m;b为支架宽度,m;ld为支架顶梁长度,m;Li为第i层一端固定悬臂梁的长度,m;RTi为岩石的抗拉强度,其值可通过实验确定,MPa;qi为悬臂梁单位长度上的荷载, MPa;Gi为第i层悬臂梁的自重,kN;xi为煤壁至第i层悬臂梁重心的水平距离,m;lr为煤壁至支架立柱作用中心线的距离,m;k为考虑相邻支架前移后的设计系数,取1．10～1．25;b为液压支架的宽度, 1．75 m;Fc为支架需承担悬臂梁作用力,kN。

图2 大采高综放采场顶板结构Fig．2 Roof structure of fully-mechanized top coal caving with large mining height

2.2 来压阶段

随着工作面的推进,悬臂梁结构随着顶煤的放出而逐渐延长而回转破断,至来压阶段,支架控制采场覆岩稳定的关键是控制砌体梁结构,支架除提供支撑悬臂梁的阻力外,还要对砌体梁结构提供一定的支撑力,以控制悬臂梁与砌体梁组合结构的稳定。因此,有效控制顶板所需的工作阻力分为2部分：一部分用于防止高位砌体梁结构失稳的作用力;另一部分用于支护低位悬臂梁结构的作用力。

对于砌体梁结构[15]：

式中,Fj为支架需承担顶板的作用力,kN;l为周期来压步距,m;φ为岩块间摩擦角,(°);θ为岩块破断角, (°);h为关键块的层厚,m;s为关键块的下沉量,m; Q0为关键层自身及其上控制岩层的荷载,kN。

因此,大采高综放工作面支架工作阻力的计算表达式为

在支架阻力不足以防止砌体梁失稳的情况下,砌体梁滑落失稳必然导致悬臂梁的剪切破坏,悬臂梁破断失稳后仅会在支架顶梁长度范围内作用于支架,此时“悬臂梁-砌体梁结构”演化为“砌体梁结构”。

3 支架工作阻力的确定

F6202综放工作面煤层柱状图如图3所示,液压支架工作阻力的确定方法按照上述力学模型计算。

图3 煤层柱状图Fig．3 Coal seam column map

按式(7)可计算直接顶的厚度为

式中,∑h为直接顶厚度,m;M为煤层厚度,15 m;p为工作面采出率,80%;kp为直接顶岩层碎涨系数, 1．15～1．30,直接顶岩性砂岩岩层厚、多,取1．25。

根据F6202开采条件,垮落的矸石能充满采空区需直接顶厚度48 m。因此,煤层上方厚度为5．1 m的粗砂岩及6．9 m的细砂岩2层硬岩均不能形成砌体梁结构,而转化为直接顶。

3.1 正常回采支架阻力

正常阶段支架承受悬臂梁的作用,而悬臂梁结构是根据直接顶岩性的不同形成的“倒台阶组合悬臂梁”。

顶煤上方的炭质泥岩、风化煤、泥岩、炭质泥岩4层岩层强度不大,但底部的炭质泥岩形成长度较短悬臂仍会对其上方的3层岩层起支撑作用,形成第1层组合悬臂梁;以此类推,其上的粗砂岩和泥岩会组合形成第2层组合悬臂梁;上部的细砂岩强度较大,细砂岩、泥岩互层形成第3层组合悬臂梁。各悬臂梁长度可按式(1)计算,3层不同长度的组合悬臂梁形成“倒台阶组合悬臂梁”,共同作用于支架,支架上方的顶煤作为静荷载作用于支架。

F6202综放工作面直接顶形成的“倒台阶组合悬臂梁”结构如图4所示。

图4 倒台阶组合悬臂梁结构Fig．4 Structure of inverted step combination of cantilever beam

根据直接顶岩层的性质可计算出悬臂岩梁的长度,结合式(1)～(4),支架承担顶煤及直接顶悬臂梁作用的工作阻力为

顶煤的体积力为14 kN/mm3,顶煤厚度为11．2 m,支架宽度为1．75 m;支架顶梁长度为5．5 m,煤壁至支架立柱作用中心线的距离为3．8 m,将其他参数代入式(8)得

这也是支架处在正常阶段,支架工作阻力集中在6 500～8 500 kN的原因。

3.2 来压阶段支架阻力

在工作面来压阶段,为防止高位砌体梁结构失稳的支护阻力按式(5)计算,工作面平均周期来压步距11．5 m,岩块间摩擦角取45°,关键岩块下沉量3．54 m,关键岩块厚度14．3 m,将参数代入式(5)得

(1)防止砌体梁结构滑落失稳,支架需要提供的阻力为Fj的同时,保持悬臂梁结构的稳定,支架需要提供的阻力为Fc。此时支架工作阻力为(2)若支架不能提供上述支撑力的情况下,砌体梁结构失稳,组合悬臂梁必然切落破断转化为荷载,支架承担直接顶的荷载为

式中,γi为第i层悬臂梁的容重,kN/m3。

此时,顶板作用于支架的作用力不小于：

可见,支架有效控制为控制倒台阶组合悬臂梁和砌体梁结构稳定的工作阻力至少为18 000 kN,在支架工作阻力低于18 000 kN的情况下,砌体梁结构会发生滑落失稳,会造成支架承担更大的顶板作用力,甚至对支架造成冲击,这也是不连沟煤矿工作阻力为13 800 kN支架易发生压架的原因。

4 结 论

(1)15 m特厚煤层大采高综放工作面顶板扰动空间大,正常回采阶段支架平均工作阻力7 586 kN;来压期间支架平均工作阻力14 998 kN,动载明显,顶板下沉速度快。静压小,动压大,来压安全阀开启频繁,工作面停滞易造成支架压死。

(2)特厚煤层大采高综放工作面开采空间大,直接顶厚度增大后能形成“上位砌体梁-下位倒台阶组合悬臂梁”的大小结构,工作面正常回采阶段时支架仅需承受悬臂梁结构的作用力,来压阶段,砌体梁失稳致使支架受力骤然增大,动载明显。

(3)“下位悬臂梁”结构并不是悬臂梁的简单组合,而是根据直接顶岩层岩性差异形成“倒台阶组合悬臂梁”。

(4)根据“上位砌体梁-下位倒台阶组合悬臂梁”结构模型得出,在支架工作阻力大于18 000 kN的情况下才能防止砌体梁结构的滑落失稳,在支架工作阻力小于此值时砌体梁滑落失稳会导致顶板对支架的作用力不小于21 950 kN,因此,不连沟特厚煤层大采高综放工作面支架工作阻力不宜小于18 000 kN。

[1] 闫少宏,尹希文．大采高综放开采几个理论问题的研究[J]．煤炭学报,2008,33(5)：481-484．

Yan Shaohong,Yin Xiwen．Discussing about the main theoretical problems of long wall with top coal caving[J]．Journal of China Coal Society,2008,33(5)：481-484．

[2] 毛德兵,姚建国．大采高综放开采适应性研究[J]．煤炭学报, 2010,35(11)：1837-1841．

Mao Debing,Yao Jianguo．Adaptability of longwall top coal caving with high cutting height[J]．Journal of China Coal Society,2010,35 (11)：1837-1841．

[3] 李红涛,刘长友,汪理全．综放采场直接顶垮落成拱机理相似模拟研究[J]．煤炭科学技术,2007,35(6)：95-98．

Li Hongtao,Liu Changyou,Wang Liquan．Similar simulation research on arch mechanism of direct roof falling under fully mechanized top coal caving face[J]．Coal Science and Technology,2007,35(6)： 95-98．

[4] 李红涛,刘长友,汪理全．上位直接顶“散体拱”结构的形成及失稳演化[J]．煤炭学报,2008,33(4)：378-381．

Li Hongtao,Liu Changyou,Wang Liquan．Generating and destabilization evolutionary of granular arch structure of upper immediate roof [J]．Journal of China Coal Society,2008,33(4)：378-381．

[5] 毛德兵．综放支架支护强度与煤层采出厚度关系的研究[J]．煤炭科学技术,2009,37(1)：41-48．

Mao Debing．Study on relative relationship between support strength of hydraulic powered caving support and thickness mined in seam [J]．Coal Science and Technology,2009,37(1)：41-48．

[6] 闫少宏．特厚煤层大采高综放开采支架外载的理论研究[J]．煤炭学报,2009,34(5)：590-593．

Yan Shaohong．Theory study on the load on support of long wall with top coal caving with great mining height in extra thick coal seam [J]．Journal of China Coal Society,2009,34(5)：590-593．

[7] 于 雷,闫少宏,刘全明．特厚煤层综放开采支架工作阻力的确定[J]．煤炭学报,2012,37(5)：737-742．

Yu Lei,Yan Shaohong,Liu Quanming．Determination of support working resistance of top coal caving in extra thick coal seam[J]．Journal of China Coal Society,2012,37(5)：737-742．

[8] 孔令海,姜福兴,杨淑华,等．基于高精度微震监测的特厚煤层综放工作面顶板运动规律[J]．北京科技大学学报,2010,32 (5)：552-558,588．

Kong Linghai,Jiang Fuxing,Yang Shuhua,et al．Movement of roof strata in extra-thick coal seams in top-coal caving mining based on a high precision micro-seismic monitoring system[J]．Journal of University of Science and Technology Beijing,2010,32(5)：552-558, 588．

[9] 孔令海,姜福兴,王存文．特厚煤层综放采场支架合理工作阻力研究[J]．岩石力学与工程学报,2010,29(11)：2312-2318．

Kong Linghai,Jiang Fuxing,Wang Cunwen．Study of reasonable working resistance of support in fully-mechanized sublevel caving face in extra-thick coal seam[J]．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2010,29(11)：2312-2318．

[10] 孔令海,姜福兴,刘 杰．基于高精度微震监测的特厚煤层综放工作面支架围岩关系[J]．岩土工程学报,2010,32(3)：401-407．

Kong Linghai,Jiang Fuxing,Liu Jie．Relationship between support and strata in extra-thick coal seam fully-mechanized sublevel caving mining based on high precision microseismic monitoring technology[J]．Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2010,32 (3)：401-407．

[11] Chen J S,Mishra M,Zabrosky C,at al．Experience of longwall face support selection at RAG American Coal Company[A]．Proceedings of Longwall USA Conference&Exhibit[C]．1999：53-77．

[12] Chen J S,Peng S S．Design of longwall face support by use of Neutral Network Models[A]．Trans the Institute of Mining and Metallurgy,section A,Mining Industry[C]．1999：143-152．

[13] Syd S Peng．Longwall mining[M]．Printed in the United States of America,2006：150-153．

[14] Syd S Peng．Coal mine ground control[M]．Printed in the United States of America,2008：348-353．

[15] 钱鸣高,石平五．矿山压力与岩层控制[M]．徐州：中国矿业大学出版社,2003：85-90,156．

Analysis of ground pressure and roof movement in fully-mechanized top coal caving with large mining height in ultra-thick seam

LI Hua-min,JIANG Dong-jie,LI Dong-yin

(School of Energy Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China)

In terms of lager space of overlying strata movement and strong mining disturbance in working face of top coal caving with large mining height,this paper investigated the ultra-thick seam at Buliangou Coal Mine．The ground pressure behavior and roof movement characteristics of top coal caving with large mining height were analyzed using the methods such as in-situ observation,and theoretical analysis,etc．The mechanical model of the periodic weighting rock failure of main roof of top coal caving with large mining height was established,and the calculation method of hydraulic support working resistance was obtained．The results show that the hydraulic safety valve opens frequently and the roof subsidence speed is fast when the roof periodic weighting occurs,the rated resistance 13 800 kN hydraulic support cannot meet the requirements of roof control．The larger mining space,the thicker immediate roof,and then,the low main roof becomes immediate roof as a cantilever beam and the high main roof forms masonry beam,which called“Up Masonry Beam and Down Inverted Step Combination of Cantilever Beam”．The phenomena of intensive ground pressure,dynamic loads and short duration are due to the structure of“Masonry Beam”sliding instability,which determines the hydraulic support working resistance．

ultra-thick seam;large mining height;fully-mechanized top coal caving face;combination of cantilever beam;masonry beam;support working resistance

TD325

A

0253-9993(2014)10-1956-05

2013-09-23 责任编辑：王婉洁

国家自然科学基金煤炭联合基金重点资助项目(U1261207);河南理工大学优秀博士学位论文培育基金资助项目

李化敏(1957—),男,河南镇平人,教授,博士生导师。Tel：0391-3987921,E-mail：lihm@hpu．edu．cn。通讯作者：蒋东杰(1984—),男,河南永城人,博士研究生。Tel：0391-3987937,E-mail：jiangdongjie306@126．com

李化敏,蒋东杰,李东印．特厚煤层大采高综放工作面矿压及顶板破断特征[J]．煤炭学报,2014,39(10)：1956-1960．

10．13225/j．cnki．jccs．2013．1366

Li Huamin,Jiang Dongjie,Li Dongyin．Analysis of ground pressure and roof movement in fully-mechanized top coal caving with large mining height in ultra-thick seam[J]．Journal of China Coal Society,2014,39(10)：1956-1960．doi：10．13225/j．cnki．jccs．2013．1366