特厚煤层坚硬顶板综放开采矿压特征及覆岩破断规律研究

李硕森,贺 雄,徐青云,冯 剑

(山西大同大学 煤炭工程学院,山西 大同 037003)

我国煤层赋存条件复杂,坚硬顶板的煤层约占1/3,且分布在50%以上的矿区[1]。坚硬顶板冒落时,一般具有较强烈的冲击载荷,容易引起地表发生沉陷,造成建筑物、道路和管道的损坏,对人们的生命财产安全造成威胁。煤炭资源安全高效开采最重要的就是对工作面顶板岩层的控制,顶板岩层的活动规律将严重制约着工作面的开采安全[2]。对于此课题已经有大量学者的关注和研究,并取得了一些重要成果。

于斌等[3-5]针对大同矿区特厚煤层坚硬顶板的综放开采进行了研究。结果显示,工作面矿压显现较为强烈,表现出来压步距较大、来压持续时间较长、煤壁片帮严重以及动载较明显等特征。并且指出在石炭系特厚煤层综放开采条件下,上覆岩层活动剧烈以及工作面上方侏罗系采空区遗留煤柱产生的集中应力加剧了矿压传递的作用。樊克松等[6-7]运用数值计算方法,对综放开采中支架的支护强度与一次采出的煤层厚度之间的关系进行了研究,发现支护强度与煤层厚度之间存在着近似的正相关关系。朱志洁等[8]分析了特厚煤层综放开采过程中的工作面长度和回采速度等因素对矿压显现的影响。发现工作面回采速度增加会导致矿压显现的程度增强,即矿压显现更加明显。夏彬伟等[9]基于Vlasov厚板和薄板理论分析了大同矿区某工作面近距离厚度差异较大坚硬顶板的破断规律。伊永杰等[10]结合神东矿区超大采高综采工作面的地质赋存条件,发现高位主关键层与煤层的间距越大,其破断运动对工作面的矿压显现影响越大,高位主关键层与其下部亚关键层发生同步破断时,单一关键层破断将传递更大的荷载。大量的专家学者对坚硬顶板强矿压显现机理的研究较为丰富,但是针对坚硬厚层顶板破断规律的研究还较为匮乏。

本文以同忻矿8309、8311工作面顶板活动规律为研究背景,分析工作面回采期间出现的矿压显现特征,运用矿压监测和数值模拟多种手段,对工作面回采期间的矿压显现及顶板破断规律进行研究,得出特厚煤层坚硬顶板综放开采矿压显现及顶板破断规律,为类似地质工作面安全高效开采提供参考价值。

1 工程概况

同忻煤矿石炭系3-5号煤层为特厚煤层,上方存在多层厚而坚硬的岩层,煤层f值在1～3,顶板岩石f值达到了4～6.石炭二叠系3-5号煤层至侏罗系14号煤层之间有22层岩层,其中以坚硬的砂岩和砾岩为主,软弱泥岩分布少,矿压显现具有特殊性。8311工作面位于井田西部三盘区的西南部,地面主要由山梁组成,其北部为实煤区,南部为三盘区8309工作面的采空区,东部为三盘区大巷,西部则是同忻矿与马脊梁矿井田的边界[11]。该工作面煤层厚度为9.16～17.98 m,平均煤厚为14.91 m,煤层倾角为0°～4°,平均2°.工作面矿压显现主要受上覆坚硬顶板破断的控制。其工作面布置图,如图1所示。

图1 工作面布置图

2 工作面矿压监测分析

以8309工作面顶板为观测对象,观测工作面回采过程中支架最大工作阻力大小、顶板来压步距及活动规律等。

2.1 支架观测结果

对8309工作面回采期间液压支架受力进行监测,连续观测工作面30～200 m过程中的工作阻力变化规律,记录工作面第28号、第48号、第68号、第88号液压支架受力情况,结果如图2所示。

图2 8309工作面第28号、第48号、第68号、第88号支架循环末阻力曲面图

8309工作面第28号、第48号、第68号、第88号液压支架基本顶初次来压和周期来压数据见表1～表3.通过监测数据,分析其上覆岩层运动特征,得到工作面初次来压、周期来压规律。

表1 基本顶初次来压步距

表2 基本顶周期来压步距

表3 基本顶周期来压期间支架阻力统计

由理论计算得出,工作面来压阻力约为14 850 kN.通过数据整理和分析得,8309工作面30～200 m,共来压6次,初次来压步距为72.32 m,周期来压步距为10.69～44.36 m,最大周期来压步距为44.36 m,平均为26.04 m,来压期间最大工作面阻力为15 873.15 kN,非来压期间最大工作阻力为14 832.83 kN.根据监测数据显示,液压支架的工作阻力均未超过额定阻力,工作面的安全回采可以得到保证。

2.2 来压规律分析

通过分析工作面30～200 m推进期间支架工作阻力发现,工作面来压呈现强弱周期性交替。在强周期来压阶段,支架承受较大的工作阻力,压力范围几乎覆盖整个工作面,每次来压步距约为26.04 m,每次来压时支架压力较大,最大可达15 873.15 kN;而在弱周期来压阶段,支架的工作阻力相对较小,周期性压力范围较小,且周期性压力持续时间较短,来压时,支架压力约为12 000 kN,工作面矿压显现相对不明显。

随下位坚硬顶板及上位坚硬顶板的周期性破断一致,当下位坚硬顶板组合悬梁结构周期失稳时,引起矿压显现相对较弱;当上位坚硬顶板发生断裂时,尽管回转空间有限,形成上位铰接岩梁的结构。如果该结构发生一定程度的回转,同时会导致下位短组合“悬臂梁”断裂并坍塌,最终对支架上部施加较强的周期性压力。

3 上覆岩层破断规律的数值模拟

3.1 建立模型

根据同忻矿的实际地质条件,对8311工作面回采过程中上覆岩层的运动规律进行模拟。模拟煤层开采厚度为14.91 m,下位坚硬顶板为36 m,软弱夹层为33.5 m,坚硬顶板1为8 m,坚硬顶板2为20 m.整个模型的尺寸长×宽×高=180 m×150 m×142 m,模型底部边界的垂直方向固定,左右边界水平方向固定。在回采过程中,不考虑液压支架的作用。数值模拟模型如图3所示。

图3 数值模拟模型

模型中块体材料本构模型采用摩尔-库伦模型,节理材料的本构模型采用面接触的库伦滑移模型。岩层和煤层的物理力学参数如表4所示。

表4 8311工作面顶板岩性和力学参数

3.2 沿工作面开采的顶板破断结构特征

根据8311工作面实际回采情况,对回采时的煤岩层垂直变化情况进行模拟,工作面长300 m,每推进30 m记录一次。随着工作面向前推进,记录不同推进距离时的上覆岩层破断失稳特征,模型两边各留设30 m的边界煤柱。工作面回采时,在煤层上方、软弱夹层、下位坚硬顶板和上位坚硬顶板分别设置了4条测线,岩层测线的布置如图4所示。

图4 岩层测线布置图

随着工作面的向前推进,上覆岩层顶板逐渐破断、垮落,通过对上覆岩层测线进行位移记录,得到其工作面上方不同高度岩层下沉曲线如图5所示。

图5 工作面上方不同高度岩层下沉曲线

随着工作面的推进,上覆岩层受采动影响随之发生运动,各岩层的下沉量随之增加。随着采空区上方直接顶的逐渐悬空,形成了固支梁结构,梁的中部缓慢下沉。当工作面推进到30 m时,测线1的位移增加到13.6 m,这表明直接顶发生垮落。

当直接顶垮落后,其上方的软弱岩层中部逐渐弯曲下沉,随着工作面的向前推进,其软弱岩层的悬露长度不断增加,中部弯矩也随之不断增大。当工作面推进至45 m时,测线2位移增至11.8 m,说明软弱夹层逐渐垮落。随之工作面推进至60 m时,测线3位移增至10.22 m,这时下位坚硬顶板随着工作面的推进而逐渐出现垮落。

上位坚硬顶板具有硬度高和厚度大等特点,因此具备较强的抗变形能力,并且表现出明显的托板效应,随着工作面向前推进至75 m时,测线4位移激增至9.86 m,这时上位坚硬顶板才首次发生破断并失稳垮落,当工作面向前推进至90 m时,上位坚硬顶板发生第二次周期性破断,从而出现周期来压。此后,随着工作面不断向前推进,双硬顶板呈现交替性周期垮落。

3.3 双坚硬顶板破断失稳运动特征

图6为沿工作面推进各岩层破断模拟图。

图6 沿工作面推进破断状况

1) 直接顶垮落情况。当工作面推进15 m时,煤层上方的直接顶开始出现断裂,如图6(a)所示;当工作面推进30 m左右时,直接顶开始垮落,如图6(b)所示;当工作面推进到45 m时,直接顶大面积垮落,如图6(c)所示。

2) 下位坚硬顶板垮落情况。当工作面推进到45 m时,下位坚硬顶板逐渐出现弯曲下沉现象,由于存在水平力的挤压作用,下位坚硬顶板与后方的顶板形成铰接梁结构。此时采空区上方的软弱岩层随之下沉,随着其下沉量的不断增加,采空区上方的两层坚硬顶板之间出现离层,如图6(c)所示。当软弱岩层出现垮落后,下位坚硬顶板中部也随之出现弯曲下沉,随着工作面的不断向前推进,当工作面推进到60 m时,下位坚硬顶板开始断裂并逐渐垮落,如图6(d)所示。随着工作面继续向前推进,采空区上方的下位坚硬顶板的悬露面积不断扩大,下位坚硬顶板在工作面侧上方断裂垮落现象更加明显,此时下位坚硬顶板连同软弱夹层同步垮落。

3) 上位坚硬顶板垮落情况。当工作面向前推进到60 m时,下部软弱岩层和下位坚硬顶板的垮落导致上位坚硬顶板出现了弯曲下沉现象。随着其垮落面积的增大,导致上位坚硬顶板的悬顶面积和弯曲下沉量持续增加。当达到极限弯矩后,上位坚硬顶板中部发生首次破断,同时带动下位坚硬顶板及软弱岩层同步破断,如图6(d)所示;当工作面推进到75 m时,上位坚硬顶板突然垮落,上位坚硬顶板的初次垮落步距约为75 m,如图6(e)所示。

4 结 语

1) 8309工作面30～200 m回采期间,共发生顶板来压6次,其中初次来压步距平均为72.32 m;周期来压步距为10.69～44.36 m,最大周期来压步距为44.36 m,平均为26.04 m;来压期间最大工作面阻力为15 873.15 kN.具有来压动载强、来压持续时间长、来压区域性明显、周期性强矿压特征等特点。

2) 通过数值模拟结果分析,坚硬顶板垮落失稳对下位采场的影响程度基本相同,基本顶及上覆坚硬顶板协同失稳是矿压显现的主要原因。上位坚硬顶板跨落失稳对采场矿压影响最大,是导致强烈矿压显现特征的主控岩层,其初次垮落步距约为75 m.随着工作面继续向前推进,逐渐呈现出“下位悬臂梁与上位砌体梁”结构。