近距离煤层采空区下工作面覆岩结构特征研究

李　忠

(西山煤电集团公司 西铭矿，山西　太原　030053)

对于工作面覆岩结构的研究，现有成果主要是针对单一煤层的开采，而对于近距离煤层，由于上煤层开采后，顶底板的结构和特性受到采动影响而发生改变，因此下煤层开采时的矿压特征与单一煤层相比有着一定的区别。本文以西铭矿实际地质情况为工程背景，通过理论分析和数值模拟的方法，对上煤层开采后覆岩运动特征和底板破坏情况做分析研究，并对下煤层工作面支架阻力进行合理推算，为矿井安全开采奠定基础。

1　工作面概况

西铭矿是西山煤电集团的主力矿井，43108工作面位于西十一采区，主采3#煤层，煤层厚度为1.30～2.80 m，平均2.37 m，煤层倾角为2°～8°，平均5°，煤层埋深约220 m.

工作面上覆2#煤层采空区，2#煤层厚度为1.65～2.40 m，平均2.0 m，上下煤层间距为9～17 m，平均12 m.其主要岩层综合柱状图见图1.

图1　综合岩层柱状图

2　覆岩结构分析

2.1　上煤层开采覆岩破坏情况

随着2#煤层的开采，其覆岩结构会发生一定改变，根据经验公式，2#煤层的垮落带高度为：

(1)

式中：

Hm—垮落带高度，m；

M—煤层厚度，m，取2.0；

Kp—岩层碎涨系数，取1.2.

将数据代入式(1)，得2#煤层垮落带高度为10 m.

煤层开采后，其裂隙带高度可由式(2)表示：

(2)

式中：

Hl—裂隙带高度，m.

将数据代入式(2)，可得2#煤层的裂隙带高度为23.81～35.01 m.

2.2　上煤层底板破坏深度

随着2#煤层的开采，会对其底板造成一定的损伤破坏，严重影响3#煤层的正常开采，根据弹塑性理论，底板最大破坏深度为：

(3)

式中：

Dmax——底板破坏最大深度，m；

γ—岩层容重，kN/m3，取25;

H—埋深，m，取208；

L—工作面长度，mm，取200；

Rc—单轴抗压强度，MPa，取35.

将数据代入式(3)，可得2#煤层的底板破坏最大深度为1.73 m，而上下煤层间距平均为12 m，大于最大破坏深度，故3#煤层开采时，只有部分老顶受到破坏。

2.3　下煤层覆岩结构分析

3#煤层顶板的垮落高度也可由式(1)求得，取煤层厚度M为2.37 m，碎涨系数KP为1.2，则3#煤层垮落高度为11.85 m，层间岩层厚度平均为12 m，剩余完整部分厚度过小，难以形成平衡结构。因此，3#煤层工作面支架所受压力为层间岩层和上煤层采空区垮落矸石重量之和，其结构模型见图2.

图2　下煤层覆岩结构图

3　数值模拟

3.1　建立模型

根据图1及矿井实际地质资料，利用FLAC3D数值模拟软件，建立数值模型，见图3.

图3　数值模型图

如图3，模型采用Mohr-Coulomb材料模型，长200 m×宽250 m×高50 m，模型底部固支，四周设置水平位移，顶部施加应力模拟上部载荷。利用数值模拟结果，对近距离煤层矿压显现规律进行研究。

3.2　上煤层开采的矿压规律

首先，对2#煤层进行开挖，每次推进1 m，记录工作面塑性破坏区图，见图4.

图4　上煤层开采后塑性破坏区图

为方便观察，将剪切破坏区域全部用浅色表示，拉伸破坏区域全部用深色表示。由图4可以看出，覆岩塑性区呈“马鞍形”分布，拉伸破坏区域即为顶板垮落范围，距2#煤层约9.5 m，剪切破坏区域即为导水裂隙带范围，距2#煤层约31 m. 结果与理论计算结果十分接近，进一步验证了理论计算的准确性。

3.3　下煤层开采的矿压规律

开采3#煤层之前，改变2#煤层采空区材料特征，模拟矸石对顶板的支撑作用，然后对3#煤层进行开挖，记录塑性破坏区图，见图5.

图5　下煤层开采后塑性破坏区图

由图5可以看出，下煤层开采后，其冒落岩层贯通上煤层的采空区，但上煤层的覆岩破坏范围未发生明显改变。说明下煤层开采后，顶板破坏高度即为层间岩层的厚度，未造成上煤层垮落带的进一步扩大，进一步验证了图2所示的结构模型。

4　下煤层支架阻力的确定

对于下煤层的开采，合理支架阻力的选择也十分重要，下面通过3种不同的计算方法，确定合理的支架阻力。

4.1　理论计算

1) 根据经验公式。

根据经验公式，一般的，工作面支护强度可由式(4)表示：

p=nHzγ

(4)

式中：

p—支架支护强度，kN/m2；

n—增载系数，一般取2；

Hz—直接顶厚度，m，取12.

将数据代入，可得支架支护强度为600 kN/m2.

根据支护强度，可得支架工作阻力为：

Q=p(b+L)B/η

(5)

式中：

Q—支架工作阻力，kN；

b—端面距，m，取0.34；

L—顶梁长度，m，取3.89；

B—支架中心距，m，取1.5；

η—支架效率，取0.98.

将数据代入，可得支架工作阻力为3 884.7 kN.

2) 根据结构模型。

通过前面的分析，可知下煤层覆岩结构模型如图2所示，下煤层支架阻力应为层间岩层与上覆采空区垮落岩层重量之和，则支架的工作阻力可由下式表示：

Q=KsBLz(Hm1+hcj)γ

(6)

式中：

Hm1—上煤层冒落高度，m，取10；

hcj—层间岩层厚度，m，取12；

Lz—支架控顶距，m，取4.24；

Ks—安全系数，取1.2.

将数据代入，可得支架的工作阻力为4 197.6 kN.

3) 根据顶板分类。

支架工作阻力的大小与基本顶的级别有一定的关系。基本顶的分级可以由直接顶充填系数N来表示，对于43108工作面，其直接顶充填系数为：

(7)

式中：

Hc—下煤层垮落矸石的厚度，为层间岩层与上煤层冒落高度之和，m，取22；

M2—下煤层厚度，m，取2.37.

将数据代入式(7)，可得充填系数N=9.28，依据基本顶分类标准，属于I 级来压不明显顶板。

基本顶级别与额定支护强度下限之间的关系见表1.

表 1　支护强度与基本顶级别的关系表

由表1可知，下煤层采高为2.37 m，则其额定支护强度下限约为pe=464 kPa. 根据其支护强度，得到支架工作阻力为：

Q=KsBLzpe

式中符号含义与前面相同，代入数据，可得支架工作阻力为3 541.2 kN.

4.2　确定合理的支架阻力

通过前面的计算，可以看出3种计算方法所得支架工作阻力差别不大，为确定最为合理的支架阻力，可取3个结果的平均值，为：

因此，可以确定支架的工作阻力最小应为3 874.5 kN.

5　结　论

根据西铭矿43108工作面的实际地质情况，通过理论分析和数值模拟，得到以下结论：

1) 对2#煤层和3#煤层的顶底板破坏范围进行理论计算，并依据计算结果，构建下煤层的覆岩结构模型。

2) 通过对数值模拟结果的分析，得到2#煤层的垮落带高裂隙带的高度分别为9.5 m和31 m，验证了理论计算的结果，通过分析3#煤层开采时的覆岩结构变化，验证了构建的结构模型。

3) 利用3种不同方法，对3#煤层工作面支架工作阻力进行计算，得出支架阻力应大于3 874.5 kN，为工作面的安全生产奠定基础。

[1]周楠,张强,安百富,等. 近距离煤层采空区下工作面矿压显现规律研究[J]. 中国煤炭,2011,37(02):48-51+96.

[2]龚红鹏,李建伟,陈宝宝. 近距离煤层群开采覆岩结构及围岩稳定性研究[J]. 煤矿开采,2013,18(05):90-92+43.

[3]吕兆海,赵长红,岳晓军,等. 近距离煤层下行开采条件下覆岩运移规律研究[J]. 煤炭科学技术,2017,45(07):18-22+32.

[4]薛广哲,任博玲,冯宇峰. 近距离煤层下层煤顶板结构力学分析[J]. 煤矿安全,2011,42(02):143-144+149.

[5]郭帅,孔宪法,康天合,等. 采空区下近距离煤层综采工作面支架载荷分析[J]. 煤矿安全,2013,44(05):214-217.