浅埋深长壁工作面覆岩结构及支架支护阻力研究

任艳芳,刘 江

(煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京 100013)

浅埋深长壁工作面覆岩结构及支架支护阻力研究

任艳芳,刘 江

(煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京 100013)

为了研究浅埋深长壁工作面上覆岩层所成结构形式,以典型浅埋深长壁工作面为背景,利用数值模拟和理论分析方法对浅埋深长壁工作面上覆岩层破坏特征进行研究,并对顶板所成结构形式进行了探讨,提出了浅埋深条件下支架工作阻力计算的新思路。研究结果表明在较快的推进速度下,浅埋深长壁工作面上覆岩层中仍然可以形成承载结构,此结构对工作面支架起到了保护作用,最后通过现场实测数据对所得结论进行了验证。对浅埋深长壁工作面顶板结构及支架支护强度确定提出了新的探索。

浅埋煤层;顶板结构;运动规律;支护强度

浅埋煤层是指具有埋藏较浅、基岩层薄、地表覆盖松散层厚等典型特点的煤层。浅埋深煤层由于具有以上赋存特点,煤层开采后上覆岩层中不能形成有效的承载结构,导致地表厚覆盖层与顶板岩层同步下沉,易对工作面支架造成冲击。随着神东矿区浅埋煤层的开发,人们逐渐认识到,煤层埋藏浅,矿山压力不一定就小。但是近些年的开采实践及理论也表明,煤层埋藏浅,矿山压力也不一定就大。浅埋深长壁工作面的矿山压力显现并不仅仅与煤层赋存等客观地质条件有关,还与采高、工作面长度、工作面推进速度等人为可控因素有关[1-7]。

本文通过对某典型浅埋深长壁工作面顶板运动规律进行分析,研究了较快推进速度下的浅埋深长壁工作面顶板所成结构形式,并对浅埋深条件下支架支护阻力的计算方式提出了新的探索。

1 工程背景

神东煤田某煤矿综采工作面开采煤层厚度 1.5～2.0m,平均采高1.7m,工作面长度300m;工作面埋藏深度 50～140m,平均约 80m;基岩厚度 12～38m,松散层厚度 0～120m,为典型的浅埋煤层条件。工作面采用 ZY10660/11/22支架支护,支护强度 1.0MPa,顶梁长度 5m。循环进尺 1.0m,日完成 8～14刀。工作面周期来压步距 6～15m,平均 12m。矿井综合柱状如表 1所示[8]。

2 顶板结构形式分析

利用 3DEC离散元分析软件,以上述工作面为工程背景,建立数值模型,分析顶板运动规律。所建立的模型中包含了煤层上部所有基岩层。由于松散层随着基岩层的破断将发生同步下沉运动,模型中将地表松散层按照载荷方式转换为压力施加于模型顶部。工作面开采后顶板活动规律如图 1所示。

分析图 1可知,工作面推进至 52m时,顶板岩层全部破断。地表松散层在基岩层全部破断后,将于基岩层发生同步下沉运动,地表呈现为台阶状下沉。随着工作面继续推进,地表松散层与基岩层同步下沉运动基本呈现出规律性,但顶板岩层断裂位置滞后于工作面,对工作面造成的影响有限。工作面开采后上覆岩层中主应力分布规律如图 2。分析图 2可知,当工作面推进至 20m时,沿

着主应力矢量线的传递方向,在工作面前后方形成以煤壁前方煤体和切眼后方煤壁为支承的一个拱状应力结构。该结构上部岩层仍然保持稳定,表明这个应力拱可以承担上部岩层重量。随着工作面继续推进,这个应力拱结构的宽度不断扩大。当工作面推进至 52m,13m的砂岩基本顶发生初次破断时,这个应力拱结构发生失稳、破坏,同时在采空区冒落的矸石与前方煤壁之间又形成了新的应力拱结构。此后,随着工作面推进,这个应力拱结构不断重复平衡—失稳—重新形成的过程,应力拱结构的高度始终在 13m的砂岩基本顶处,表明上部的基岩层尚未发生破坏。由于 13m砂岩基本顶上部的岩层本身仍有一定的自承能力,因此,在较快的推进速度下,其在基本顶破断初期并不附着在其上同步下沉,而是在滞后回采空间一定距离后才发生下沉运动。这保证了工作面支架在推进过程中无须承担全部覆盖层的重量,而只需承担基本顶周期性断裂岩块失稳所形成的载荷。

表1 矿井综合柱状

图 1 工作面不同推进阶段顶板破坏特征

图2 不同推进阶段主应力分布

3 支架支护强度分析

通过顶板运动规律及应力分析结果可知,在工作面基本顶断裂后,断裂岩块 A,B,C(如图 3)之间相互挤压、支撑可以形成如图 4所示暂时的力学平衡结构,此结构随着工作面的推进周期性平衡—失稳—再平衡。在此过程中,断裂后的 B岩块将逐步发生下沉运动,在下沉过程中受A,C岩块的水平挤压和工作面支架的支撑,在工作面回采周期内可达到暂时的平衡,直至接触采空区矸石。该结构周期性的变化会对工作面支架形成载荷。

图3 顶板运动形式

根据以上分析可知,基本顶岩块在支架上方断裂时对工作面支架造成的影响最大。此时支架承担的最大载荷,除了 B岩块的重量之外,还有 B岩块断裂下沉造成的动载荷。

图4 顶板形成的平衡结构

参照常规埋深条件下,支架支护阻力需承受垮落带岩层重量[9]。根据试验工作面的岩层结构分析,该煤层直接顶厚度 1.5m,随采随冒;基本顶为 13m厚的砂岩,工作面实测的周期来压步距为 6～15m,平均 12m。依据上述分析,则在此条件下支架所需的工作阻力可按下式计算:

式中,P为工作面支架所需工作阻力,MPa;k为基本顶断裂失稳时的动载系数,根据该工作面矿压观测结果,周期来压动载系数为 1.01～1.54,平均 1.2;q为支架承担的岩层重量。

根据该工作面矿压观测结果,周期来压步距为6～15m,平均 12m。在此条件下,受岩块断裂影响,支架载荷为:

按照实测周期来压步距计算,支架所需平均支护阻力为 8517 kN,最大 10647 kN。

4 现场实测验证

采用天地科技股份有限公司自主研发的 CDW -60型支架压力记录仪对试验工作面支架进行矿压观测。根据观测结果分析,在观测过程中支架平均循环末阻力为 8359kN,最大循环末阻力10450kN。实测结果与理论分析结果近似。

5 工程实例应用

伊泰集团纳林庙煤矿一号井 316-2上04工作面开采东胜煤田 6-2上煤层。工作面倾向长 180m,推进长度 580m,煤层厚度 1.85～2.31m,平均采高2.2m,煤的密度 1.28t/m3。工作面循环进尺0.6m,日进尺 10～14m。工作面采用 ZY6800/14/ 32液压支架支护顶板。工作面埋藏深度 50～120m,平均 70m,属于典型浅埋深长壁工作面。6-2上煤层无直接顶,基本顶为 12.04m的细砂岩,泥质胶结、块状构造、发育大型交错层理。

316-2上04工作面矿压观测表明,正常阶段工作面支架循环末阻力平均值约为 5292kN,观测到的最大循环末阻力为 7357kN;工作面周期来压步距 6～12m,平均 8.4m,动载系数平均 1.3[10]。

按照上述理论及公式计算支架所需载荷:

按照实测周期来压步距计算,支架所需平均工作阻力为 5100 kN,最大 7300kN。计算结果与实测结果近似,表明上述分析合理。

根据以上分析可知,虽然试验工作面属典型浅埋深长壁工作面,但是在目前的生产设备及生产工艺条件下,其矿压规律显现与常规埋深煤层类似。

6 结论

(1)浅埋深长壁工作面开采后,顶板中仍旧可以形成暂时性的承载结构保护工作面回采空间。

(2)工作面推进速度是决定浅埋深长壁工作面回采安全的重要因素。

(3)本文提出的支架支护阻力计算方式为浅埋深长壁工作面条件下支架支护强度确定提供了一种新的探索。

(4)仅从地质条件判断浅埋深长壁工作面矿压显现强度并不合理,同时还应考虑工作面参数、生产工艺等因素。

[1]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.

[2]钱鸣高,缪协兴,许家林,等.岩层控制的关键层理论[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003.

[3]黄庆享.浅埋煤层的矿压特征与浅埋煤层定义 [J].岩石力学与工程学报,2002,21(8):1174-1177.

[4]侯忠杰.对浅埋煤层“短砌体梁”、“台阶岩梁”结构与砌体梁理论的商榷 [J].煤炭学报,2008,33(11):1201-1204.

[5]杨治林.浅埋煤层长壁开采顶板岩层的不稳定性态 [J].煤炭学报,2008,33(12):1341-1345.

[6]任艳芳.浅埋煤层长壁开采覆岩结构特征研究 [D].北京:煤炭科学研究总院,2008.

[7]侯忠杰.地表厚松散层浅埋煤层组合关键层的稳定性分析[J].煤炭学报,2000,25(2):127-131.

[8]陶志勇,任艳芳 .薄基岩浅埋深综采工作面矿压规律实测分析 .煤矿开采,2009,14(3):93-94.

[9]岑传鸿,窦林名.采场顶板控制及监测技术 [M].徐州:中国矿业大学出版社,2004.

[10]天地科技股份有限公司.纳林庙煤矿一号井 316-2上04工作面末采阶段矿压观测报告 [R].北京,2009.

[责任编辑:王兴库]

Overlying Strata Structure and Supporting Resistance Analysis of Long-wallM in ing Face with Shallow Buried Depth

REN Yan-fang,L IU Jiang

(CoalMining&DesigningBranch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China)

For obtaining structure of overlying strata above long-wallmining face in shallow buried coal seam,this paper applied numerical simulation and theoretical analysis to researching rock failure characteristic and discussing roof structure,taking typical longwallmining face in shallow buried coal seam as an example.It put forward new research thinking forworking resistance calculation of powered support under shallow buried condition.Results showed that overlying strata still could form bearing structure above shallow buried long-wallmining face.This structure provided protection for powered support.Actual observation data proved the results.

shallow buried coal seam;roof structure;movement rule;supporting density

TD325

A

1006-6225(2010)05-0082-04

2010-04-20

任艳芳 (1981-),男,山西太原人,在读博士,助理工程师,主要从事矿山压力、岩层控制技术及采煤方法研究。