大采高綜采工作面頂板穩(wěn)定性分析

大采高綜采工作面頂板穩(wěn)定性分析

現(xiàn)在和今后，神東礦區(qū)的大部分開采區(qū)域都集中在埋深100.150m的淺面上。埋深淺,基巖薄,上覆厚松散沙層是該礦區(qū)煤層賦存的典型特征。礦區(qū)煤層傾角近水平,賦存穩(wěn)定,開采條件較優(yōu)越。但礦井初期開采實(shí)踐表明,煤層埋藏淺礦壓顯現(xiàn)并不一定像人們想的那樣緩和,長壁開采工作面普遍存在頂板臺階下沉現(xiàn)象,并伴有涌水和潰沙。礦壓顯現(xiàn)劇烈嚴(yán)重影響著開采的安全性、產(chǎn)量和效益。國內(nèi)對于淺埋煤層開采礦壓顯現(xiàn)問題的研究最早開始于1990年,侯忠杰對華能精煤神府公司大柳煤礦C202試采工作面進(jìn)行了實(shí)測。實(shí)測表明,平巷礦壓顯現(xiàn)緩和,但工作面周期來壓明顯,支柱動載系數(shù)2.3~4.3,有明顯的臺階下沉現(xiàn)象,臺階下沉量達(dá)300~600mm。通過實(shí)測使人們意識到埋藏淺并不等于礦壓緩和,需要對淺埋煤層問題進(jìn)行研究。隨后石平五、黃慶享等采用理論分析、數(shù)值計(jì)算及相似模擬試驗(yàn)等手段研究淺埋煤層開采的礦壓顯現(xiàn)問題,取得了較多的成果。但這些多為淺埋深、采高3~4m條件下,礦壓顯現(xiàn)的實(shí)測、理論分析、相似模擬試驗(yàn)的研究。隨著開采技術(shù)及設(shè)備的進(jìn)步,工作面的采高逐步加大到4.5~5.5m,現(xiàn)場生產(chǎn)中也僅僅是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在加大支架的工作阻力,針對這種采高條件下的采場上覆巖層移動規(guī)律的研究很少。本文基于此情況,對上灣煤礦1-2煤層賦存條件下,采用相似模擬試驗(yàn)研究覆巖移動演化規(guī)律,豐富淺埋大采高采場覆巖移動理論,指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn),具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。1煤層的煤厚和構(gòu)成特征1-2煤層的開采深度最小為55.82m,最大為181.7m,平均為118.76m。煤厚最小為4.45m,最大為6.55m,平均為5.5m。煤層的傾角為1°~5°。煤層的直接頂為4.16m的炭質(zhì)泥巖,單軸抗壓強(qiáng)度為22.8MPa;基本頂為7.27m的細(xì)砂巖,單軸抗壓強(qiáng)度為44.6MPa。1-2煤層的頂?shù)装搴穸燃皫r石力學(xué)參數(shù)見表1。2試驗(yàn)設(shè)備和模型設(shè)計(jì)2.1試驗(yàn)臺的設(shè)備和試驗(yàn)板的要求采用平面應(yīng)變相似模擬試驗(yàn)臺,該裝置的尺寸為3.0m×3.0m×0.2m(長×高×厚),試驗(yàn)臺的四周和底板用20號槽鋼和厚25mm的有機(jī)玻璃板約束,頂部為自由端。2.2應(yīng)力相似比及模型擬合煤層埋藏深度118.76m,厚度5.5m。根據(jù)原型條件和試驗(yàn)裝置,確定幾何相似比為Cl=1/50;容重相似比Cγ=17/25=0.68;應(yīng)力相似比Cα=ClCγ=0.68/50=0.0136;時間相似比。模型長為3000mm,模型的兩側(cè)邊界各留200mm寬的煤柱,模型可模擬工作面推進(jìn)長度為2600mm,即可模擬工作面推進(jìn)長度為130m。模型厚200mm,可模擬工作面長度為10m。模型中煤層底板厚度為208.6mm,煤層厚度為110mm,煤層頂板巖層及風(fēng)積沙厚度為2375.2mm,模型總高度為2693.8mm。2.3相似理論的地層材料參數(shù)的確定考慮巖石類材料的不連續(xù)性,對實(shí)測巖石的力學(xué)強(qiáng)度數(shù)值,考慮0.8的裂隙影響系數(shù),再根據(jù)相似理論求得模型各巖層材料的物理力學(xué)參數(shù)、選擇材料配比、計(jì)算材料用量,詳見表1。2.4測點(diǎn)位置測量采用NikonDTM-531E型全站儀測量煤層直接頂、基本頂及上覆巖層中所布測點(diǎn)的坐標(biāo),用以求得測點(diǎn)位置模型的位移量,用數(shù)碼相機(jī)記錄開采過程中的典型現(xiàn)象。2.5試驗(yàn)過程模型制作后,干燥到需要時間(5d)后,打開玻璃板進(jìn)行位移測點(diǎn)布置(圖1)。3試驗(yàn)結(jié)果的分析3.1采空區(qū)火炬樹初次塌落過程(1)直接頂初次垮落過程。工作面推進(jìn)至15.2m(圖2(a)),直接頂?shù)?分層和第2分層出現(xiàn)離層。推進(jìn)至17.6m(圖2(b)),直接頂?shù)?分層垮落,垮落厚度為1m。第2分層與第3分層出現(xiàn)離層。推進(jìn)至20.0m(圖2(c)),直接頂全部垮落。采空區(qū)未被垮落的直接頂充填滿,最大自由空間高度為3m。(2)基本頂初次垮落過程。推進(jìn)至29.6m(圖3(a)),基本頂?shù)?、第2分層開始垮落。第2層斷裂后兩塊相互鉸接,形成三鉸拱結(jié)構(gòu)。推進(jìn)至40.0m(圖3(b)),基本頂?shù)牡?、第4分層垮落。推進(jìn)至50.4m(圖3(c)),基本頂?shù)?分層垮落,上覆巖層隨之垮落,工作面初次來壓,步距為50.4m。3.2基本頂下沉控制策略隨著工作面的不斷推進(jìn),頂板巖層發(fā)生下沉移動,布置在巖層內(nèi)部的位移測點(diǎn)隨之移動。選取距離開采邊界30m的3,27,51和87號位移測點(diǎn)分析不同位置巖層下沉移動規(guī)律。各測點(diǎn)累加下沉量與工作面推進(jìn)距離的關(guān)系如圖5所示。3號測點(diǎn)位于直接頂上部,工作面的推進(jìn)至測點(diǎn)下方,3號測點(diǎn)開始緩慢下沉。推進(jìn)至35m時,直接頂斷裂并與基本頂發(fā)生離層,下沉量為1.2m;推進(jìn)至40.0m時,基本頂發(fā)生分層垮落使直接頂進(jìn)一步下沉,下沉量達(dá)1.94m;推進(jìn)至50.4m時,基本頂及上覆載荷全部垮落,對垮落的直接頂進(jìn)一步壓實(shí),下沉量達(dá)4.29m;隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)3號測點(diǎn)的累加下沉量趨于穩(wěn)定,最大為5.06m。27號測點(diǎn)位于基本頂?shù)纳喜?垮落前最大下沉量為0.38m;工作面推進(jìn)至50.4m發(fā)生初次來壓時,測點(diǎn)累加下沉量為3.61m;隨著工作面繼續(xù)推進(jìn),最終下沉量達(dá)4.6m。51號測點(diǎn)位于27號測點(diǎn)上方10m處的巖層,初次來壓前基本無下沉;而初次來壓時隨著基本頂共同下沉,下沉量達(dá)3.04m;隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn),最終下沉量達(dá)4.31m。87號測點(diǎn)距離煤層高度為45m,工作面推進(jìn)至65.0m時,測點(diǎn)下沉0.24m;推進(jìn)至80.0m時,下沉量達(dá)1.98m;推進(jìn)至105.0m時,下沉量為3.38m,隨后直至模擬結(jié)束下沉量基本不變。通過模擬試驗(yàn)布置位移測點(diǎn)測得的數(shù)據(jù)中可以看出,直接頂在工作面推過時,有與基本頂離層下沉趨勢,工作面推過后基本上自行垮落;基本頂一般在工作面推過后才開始緩慢下沉變形,直至破斷垮落;基本頂上方載荷層一般下沉變形與基本頂一致;更上方的巖層變形下沉則滯后于基本頂巖層。3.3工作面推進(jìn)至2次周期來壓前頂板斷裂率分析基本頂?shù)臄嗔盐恢脤敯宓目迓浜椭Ъ茌d荷大小及合力作用點(diǎn)的位置都有很大的影響?；卷敵醮蝸韷簳r頂板在煤壁上方斷裂,如圖6所示;第1次周期來壓前,工作面推進(jìn)至50.4m時,頂板斷裂位置超前煤壁6.995m,如圖7所示;第2次周期來壓前,工作面推進(jìn)至69.6m時,頂板斷裂位置超前煤壁6.49m;第3次周期來壓前,工作面推進(jìn)至80.0m時,頂板斷裂位置超前煤壁6.55m;第4次周期來壓前,工作面推進(jìn)至100.0m時,頂板斷裂位置超前煤壁10.57m。周期來壓前,頂板斷裂位置一般超前工作面7.65m。3.4頂板垮落情況工作面開切眼布置支架后,隨著工作面向前推進(jìn),直接頂逐漸變形分層垮落,基本頂巖層也逐漸變形分層垮落。基本頂全部垮落時,其上方的載荷層隨之垮落,因此垮落帶和裂縫帶的高度之和在逐漸的變大。圖2(c)是工作面推進(jìn)20.0m、圖3(b)和(c)是工作面推進(jìn)40.0m和50.4m時頂板垮落情況,圖4是工作面推進(jìn)至69.6,80.0,100.0和115.2m時頂板巖層垮落情況,圖7為工作面推進(jìn)130.0m模型推進(jìn)至終采線時,頂板垮落概貌,具體的垮落高度見表2。如圖8所示為“兩帶”高度隨工作面推進(jìn)距離變化曲線,從圖上可以看出,工作面推進(jìn)40.0m以前,頂板垮落高度緩慢增大;工作面推進(jìn)40.0~50.8m,基本頂分層斷裂垮落,上方的載荷層隨之垮落,使得垮落高度迅速增大;工作面推進(jìn)至50.8~80.0m,基本頂全部垮落后,其上方的載荷層基本垮落完畢,所以隨著工作面繼續(xù)推進(jìn),頂板垮落高度變化不大;工作面推進(jìn)80.0~115.2m,基本頂上方的粗砂巖破斷垮落,使得垮落高度進(jìn)一步增大。總而言之,頂板垮落帶的迅速增大都是由于煤層上方堅(jiān)硬巖層發(fā)生斷裂失穩(wěn)造成的,垮落帶和裂縫帶“兩帶”高度呈現(xiàn)臺階式增大。4周期來壓步距實(shí)測以神東公司上灣煤礦51101工作面的地質(zhì)條件為背景,該工作面長度為240m,采高為5.5m,埋深為100~120m。經(jīng)實(shí)測得到該工作面初次來壓步距為53.84m,周期來壓步距平均為20.60m。而試驗(yàn)所得結(jié)果初次來壓步距50.4m,周期來壓平均步距16.2m?，F(xiàn)場實(shí)測與試驗(yàn)所得結(jié)果是一致的。5工作面的來壓過程(1)直接頂巖層的垮落形式為分層垮落,垮落后形成松散塊體,難以充滿采空區(qū),最大自由空間高度為3m。(2)由于一次采出的煤層厚度大幅度增加,原有直接頂遠(yuǎn)不能充填滿采空區(qū),基本頂?shù)南挛粠r層分層垮落后,不能形成鉸結(jié)結(jié)構(gòu),使得采高的增大使得直接頂?shù)姆秶兇罅恕?3)試驗(yàn)中,頂板一般為超前斷裂,斷裂位置一般超前工作面7.65m。(4)淺埋煤層開采中,堅(jiān)硬巖層的破斷使得頂板垮落帶和裂縫帶“兩帶”高度呈現(xiàn)臺階式上升。在模型背面開采煤層高度處設(shè)置一根可移動的20號槽鋼,移動槽鋼露出即將開采煤層。在模型左側(cè)距離邊界200mm(原型為10m)處開始挖開切眼,切眼參數(shù)為160mm×110mm(原型8.0m×5.5m),切眼內(nèi)放置液壓支架。井下工作按照三八工作制,2個半班割煤,半個班檢修,每刀割煤時間約為1.3h,每刀進(jìn)尺0.8m,則每個班割煤6刀,每天割煤15刀。根據(jù)時間和幾何相似比,每刀割煤時間11min,進(jìn)尺為16mm,合計(jì)每天推進(jìn)度240mm。