平朔二号井特厚煤层采空区下极近距离煤层开采相似模拟研究

张春霆,杨 恒,梁胜银,王怀金

(1.山西中煤潘家窑煤业有限公司,山西 朔州 036000;2.太原理工大学 采矿工艺研究所,太原 030024)

平朔公司井工二矿21103工作面有许多特殊性,一是公司从未有过大采高综采的生产经验;二是21103采面是在近距离9号煤采空区之下开采,其上覆岩层移动、来压规律、顶板破坏跨落机理可能不同于常规工作面;三是21103采面上方不仅有近距离9号煤采空区,还有9号煤遗留的区段煤柱,这种近距离煤柱对21103采面将产生不利影响。要系统准确掌握回答上述这些问题,就必须全面、深入的开展实验、进行现场监测和理论分析。

我们对21103工作面的矿压显现规律进行研究之后,基本掌握了近距离采空区下矿压规律;掌握了1103采面上覆岩层位移场和应力场的分布规律;为11煤首采工作面顶板管理和安全高效开采提供了理论指导。

1 工程概况

试验工作面为井工二矿11煤层首采21103工作面,煤层产状平缓,裂隙较发育,煤层厚3.26 m～6.31 m,平均厚度4.2 m。11煤层顶部为泥岩、泥灰岩和细砂岩。岩性相对致密。

21103工作面位于9号煤层的29103和29104工作面采空区下方,且两个采空区间存在9号煤留下的煤柱。具体的尺寸和位置如图1所示。

图1 11煤层21103工作面位置及其邻近采空区Fig.1 Location of the 21103 Working face of No.11 coal seam and its adjacent goaf

2 相似模拟实验研究

2.1 模型设计

2.1.1 实验目的

21103工作面具有大采高、近距离、上层9号煤层已采空等许多有别于常规工作面的特殊开采条件,通过相似材料实验有助于掌握在此条件下的顶板岩层移动、变形破坏和失稳跨落规律。

2.1.2 实验原理、方法

相似实验原理认为,两种相似的物理现象都遵循相同的物理方程,相同的客观规律,相应的相似准则必须相等,即物理现象的相似[1]。采矿工程的矿山压力相似实验方法要点如下:1)几何尺寸相似;2)动力相似;3)运动相似;4)材料性质相似。

2.1.3 实验设备

主要实验设备有:1)平面应变型相似材料模型实验台;2)SZZX-Ea10振弦式压力盒;3)YJZ-32A型智能数字静态电阻应变仪;4)台式计算机;5)XJTUDIC三维光学摄影变形测量系统。

2.1.4 模型设计及计算

1)原型条件与数据

实验需要的原型数据包括各地层的岩性、厚度、物理力学性质参数,以及工作面长度、推进速度的技术参数。

①地层的岩性、厚度。地层的岩性、厚度由工作面所在区域的钻孔柱状图确定。

②物理力学性质指标。整个地层按相邻且岩性相近的各分层整合为10个～20个左右的煤岩层,并综合分析试验数据和地层岩性结构特点来确定设计所用到的力学性质指标。

③工作面长度、推进速度等技术参数。研究对象为21103工作面,工作面长度300.5 m;工作面推进速度约每天8 m。与实验有关的9号煤903和904工作面,长度均为240 m;903与904之间的区段煤柱宽度20 m。

2)相似比

①几何相似比λL。

式中:Lm和Lh为模型和原型的几何长度,m。

要求原型与模型对应尺寸的比值为一常数。本次实验采用模型实验台长度为5 m,采用200:1的几何比。模型工程布局如图2所示。

图2 模型工程布局示意图Fig.2 Model project layout diagram

②动力相似比。动力相似主要考虑重量相似。以Ph、Rh、Vh和Pm、Rm、Vm分别代表原型和模型的压力(kPa)、容重(kg/m3)、体积(m3)[2-3],λP、λR分别代表压力相似比和容重相似比,则有:

Ph=RhVh,

Pm=RmVm,

那么,应力的相似比λσ:

合同签订后，中国石化炼油销售公司始终密切关注施工进展情况，派专人与机场、冬奥会高速公路施工承包方北京市政路桥建材集团积极沟通，了解掌握施工方对高速公路专用沥青针入度、延展度、高温稳定性、低温抗裂性、抗老化性等关键质量指标的要求，并将关键质量指标与中国石化内部相关企业生产的沥青牌号质量指标进行对比分析。经过筛选和取样分析，最终确定胜利炼油厂生产的70号A和90号A沥青作为北京大兴国际机场和北京冬奥会高速公路建设专供沥青。

③强度相似比。强度相似比λq=λσ,即:

④相似材料配比。最常用的相似材料为石英砂、石膏、石灰按一定比例配合的混合材料。模型共68层,高度140 cm,上部等价载荷6.19 kPa。

3)模型制作

架设好模板后,将各种材料称重,搅拌均匀,倒入模型架内,然后耙平、捣实,捣实程度按所需的视密度的要求确定。在开采煤层的底板中埋设压力传感器。填装完毕后放置24 h,打开两侧的挡板,干燥若干天后,模型完成。

4)模拟开采

①模拟开采顺序。首先开采9号煤的903和904采面,使上覆岩层跨落和移动,为21103工作面形成上方的真实采空区条件,实现真正意义的采空区下采煤模拟实验。

21103工作面在903采空区的外侧开切眼,向前推进,进入903采面采空区下方,最终越过903与904之间的煤柱进入到采空区下方,离开煤柱50 m后停止开采。因此,21103工作面的整个开采过程可以模拟初采阶段、采空区下方、遗留煤柱下方的特殊开采环境的矿山压力问题。

② 模拟开采速度。工作面推进速度相似比为14.14,实际回采速度按每天8 m计算,模型回采速度为每小时2.3 cm。模型开采执行3班作业,1个小时回采1次,每次推进2.3 cm。903和904工作面各需2.17 d,21103工作面需要回采2.95 d,合计共需7.3 d。

2.2 相似模拟小结

21103工作面上覆岩层跨落移动规律与开采特点:21103工作面大部分在903采面采空区下回采,903采面开采过程顶板的移动与跨落对21103工作面影响很大[4-5]。首先,9号煤与11号煤之间的岩层因厚度小,在21103工作面开采过程中作为其直接顶不能保持有效维持采场的悬顶长度,随采随冒[6];第二,21103工作面也存在顶板的周期性跨落特性,周期步距比903采面和904采面略小;第三,跨落带高度比903采面和904采面大,周期性跨落时瞬间剧降的跨落带高度接近903采面的断裂带高度;第四,初采工作面进入采空区下方前发生了顶板切落失稳[7], 21103工作面煤壁在9号煤采空区边缘外侧不远处,发生了顶板切落失稳。

3 工业试验

3.1 工业试验实测研究目的及方法

3.1.1 实测研究目的

矿压监测矿山压力监测的目的是全面掌握矿山压力的发生规律和适应性,为安全、高效生产提供技术保障,并提供经验和指导后续11号煤的采矿活动。

3.1.2 工作面片帮、冒顶等项目观测

煤壁片帮冒顶位置、规模、时间统计。一般用测杆、直尺等简单测量工具或目测宏观上观测统计。

3.1.3 主辅运巷顶底板移近量和两帮移近量观测

顶底板移近量和两帮移近量观测拟采用人工观测，采用手持式激光测距仪(测量精度1 mm)，测量基点设置在巷道顶部和底板及两侧。手持激光测距仪被放置或安装在基点上。长40 cm的锚固定在围岩中作为基点。

3.1.4 主辅运巷围岩应力监测

为观测大采高综采工作面前方煤帮以及侧方煤柱的应力变化特征,应力集中程度、集中范围、超前及滞后影响范围,采用KSE-III煤体应力采集系统监测21103主辅巷煤体应力。在21103主辅运巷内,各布置1组应力传感器,每组5只钻孔应力计,测站距切眼约100 m。测站内各应力传感器伸入煤体内长度分别为2 m、4 m、6 m、9 m和12 m。辅运巷煤体应力监测测点布置如图3所示。

图3 辅运巷煤体应力监测测点布置Fig.3 Coal body stress monitoring point arrangement in auxiliary transport roadway

3.2 工作面工业试验结果分析

3.2.1 工作面顶板周期来压情况分析

普遍而言,我们一般都是用支架的工作阻力来判断工作面顶板的动态程度。分别通过确定步距、确定抗压强度以及动载荷系数几个程序来对它们精确判断[8-9]。

工作面周期来压期间支架阻力曲线图见图4。

图4 工作面周期来压期间支架阻力曲线图Fig.4 Diagram of support resistance during periodic weighting

如图4所示,周期来压与非来压期间支架工作阻力曲线形态有很大的差别,来压期间工作阻力很大,安全阀打开几次,曲线呈现明显的锯齿状波动,而在未来压状态下支架工作阻力曲线为刀尖状。此外,周期来压一般会持续一段时间。因此,需要在连续的几个循环中存在明显的锯齿状,才能确定为周期来压。顶板岩性、截割深度和工作面支架支撑长度都影响着来压的持续时间。一般来说,当压力强度较大时,持续时间也较长;支架顶梁越大、截割深度越小,影响的周期数就较多。

1)来压强度分析。9号煤采空区下周期来压强度特点为总体较大,且不稳定、强度大小不一; 9号煤遗留煤柱两侧存在减压区,两端头处来压强度较小[10]; 9号煤遗留煤柱边缘处为最大强度与最小强度的过度区,约为最大强度和最小强度的平均值,与全工作面来压强度平均值相当。

2)来压步距分析。21103工作面周期来压步距规律明显可分为采空区下、9号煤煤柱影响区两个部分,每部分内周期来压步距具有高度一致的统计性[11],采空区下周期来压步距均值为20.55 m。

3.2.2 初撑力及超前支撑力情况分析

初撑力是工作面支护的重要参数,直接影响顶板状态和管理水平。加强初撑力管理对于改善工作面顶板状况具有重要意义。

1)由观测数据不难看出,工作面多数支架的初撑力不足,多数没能达到要求的额定初撑力,降低了工作面支架的支撑效果。

2)工作面中各区域的初撑力有一定差别,9号煤采空区下各支架初撑力较大,平均数达额定初撑力的44.48%,9号煤遗留煤柱下和辅运巷端头处初撑力较小,分别只有额定初撑力的36.08%和38.66%。通过对21103工作面的矿压观测可知,9号煤遗留煤柱下和端头处顶板相对较完整,顶板破碎也最小,致使初撑力打压相对较小。

3)回采工作面超前塑性区范围介于10.2 m～14.2 m之间,平均为12.5 m;支承压力影响范围介于20 m～35 m,平均为30.5 m;支承压力峰值区间是13.21 MPa ～28.8 MPa,应力集中系数为1.51～3.3,平均应力集中系数2.28。

4)以不同钻孔深度为横坐标,以其相对峰值为纵坐标,得出巷道侧向超前支承压力曲线。可知,工作面侧向超前支承压力峰值为15.75 MPa,应力集中系数为1.8,距煤壁深度为11.8 m。

3.2.3 煤壁稳定情况分析

在进行试验的时候经常会发现工作面片帮,而且片帮范围最高能够占到整个工作面长度的51.3%以上,平均为45.7%。工作面区域划分为明显的分段[12],多发生在工作面40号至120号支架之间,即工作面中部和上部。

因为矿井煤层较浅、矿压很小,所以从工作面开始推进到直接顶来压掉落期间,工作面基本没有出现片帮的情况;但是随着开采的不断推进、采高增加,切屑表面严重[13]。当基本顶首次压实时,煤体壁面吱吱作响,并伴有结渣现象。当基础顶板压实时,工作面两次受到煤壁板形成的大块煤的影响。

3.2.4 巷道存在的变形量及分析

在回采过程中21103主运巷与21102辅运巷之间煤柱稳定较好,两帮及顶底板的变形量对生产无明显的影响,完全可以满足通风与运输的要求[14]。图5是实测的21103巷道超前顶底板移近速度变化曲线,由巷道移动测区的观测数据转换得到。

图5 21103主运巷巷道变形位移量曲线Fig.5 Deformation displacement curve of No.21103 main transport roadway

从图5中曲线的变化规律可以看出:工作面附近受动压的影响较明显,围岩变形速度较快,曲线的斜率大;而25 m以外,围岩变形较小,曲线变的平缓,斜率小,动压的超前影响程度不大。同时也能看出采用锚网支护的顺槽,巷道围岩稳定性较好[15-16]。

3.2.5 顶板冒落情况分析

在9号煤开采过程中,9号煤采空区冒落以后,冒落物都在9号煤的底板上,而作为11号煤的顶板也就是9号煤的底板,依然是完整的。但是11号煤回采时,直接顶因为煤层间距小、顶板岩石厚度不大,导致11号煤层顶板容易破碎,且呈现崩落顶板破碎体积小,崩落规模大,总崩落量约50 m3。

4 结论

相似模拟实验表明21103工作面上覆岩层跨落移动规律:

1)9号煤与11号煤之间的岩层因厚度小,在21103工作面开采过程中直接顶不能保持有效维持采场的悬顶长度,随采随冒。

2)21103工作面在采空区下也存在顶板的周期性跨落特性,周期步距比903采面和904采面略小,一般为20 cm～28 cm,与现场监测结果基本一致。

3)工作面进入采空区下方前发生了顶板切落失稳。现场实测工作面矿压规律:工作面不同位置周期来压步距不一致。一方面煤柱下周期来压步距明显比采空区下来压步距大；另一方面采空区下各支架来压时间也不一致,来压步距不稳定,但来压步距均值都非常接近，同时采空区下顶板压力明显大于煤柱下顶板压力,且采空区下顶板压力显著不均匀。

通过对21103工作面的矿压显现规律进行研究之后,基本掌握了近距离采空区下和煤柱下1103采面支架工作阻力运行特征和周期来压规律,为11煤工作面顶板管理和安全高效开采提供了理论指导。