综放工作面基本顶层位与极限跨距确定

师皓宇，田 多

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601)

综放工作面基本顶层位与极限跨距确定

师皓宇，田 多

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601)

为确定中煤平朔集团井工一矿4106综放工作面基本顶层位和极限跨距，考虑基本顶沉降值、采空区残留浮煤厚度、碎胀系数等因素，初步确定了采空区的冒落带理论高度；根据覆岩结构向高位转移后的平衡条件，判断顶板上方13.12 m以远的粗砂岩为基本顶1；根据组合梁等理论公式，计算了该工作面顶煤、直接顶、基本顶的载荷值，确定了顶煤、直接顶、基本顶的初次垮落步距、周期垮落步距，结果与矿压观测结果基本吻合。

综放工作面；基本顶；层位；极限跨距

0 引言

放顶煤开采的特点为：(1)煤层开采厚度大；(2)采空区顶板活动空间大。放顶煤开采使得直接顶与基本顶的活动范围在横向、纵向都较中厚煤层大[1]。近几年，国内学者对放顶煤开采过程中的顶板结构、破坏特征等做了大量的研究，贾喜荣教授等把中厚煤层开采中采场矿压计算的分析方法推广到放顶煤工作面顶板来压计算中，针对顶板岩层的结构特征和开采技术条件，提出了完全承载层、过渡层和非承载层的基本判据[2]。侯忠杰教授提出了覆岩全厚整体台阶切落的判断公式,补充了关键层理论在浅埋煤层应用中的判定准则,分析了不同覆岩岩层关键层的层位[3]。许家林教授等对浅埋煤层覆岩关键层结构的类型及其破断失稳特征进行了研究，并将关键层结构类型划分为单一关键层和多层关键层结构[4]。就平朔井工一矿4106综放工作面而言，由于采高较大，采空区需要充填的空间显著加大，在直接顶厚度较小时，下位一定厚度的基本顶垮落后将作为垮落带范围岩层，从而使得上覆岩层结构向高位转移，进而涉及到高位砌体梁结构的稳定性问题[5]。

1 工程概况

安家岭井工一矿4106综放工作面为太西采区第一个工作面，北部为边界煤柱，东部为太西采区大巷煤柱，南部为开拓区，西部为边界煤柱，工作面标高为+1224～+1050 m，工作面推进总长度为1730 m，工作面面长为300 m，回采面积为519000 m2。工作面地表北部为白堂乡，东部为高家沟村，南部和西部为空地，有前湾、转吉湾-马蹄沟等季节性河流，其地面标高为+1440～+1284 m。

该工作面所采煤层为石炭系上统太原组顶部4#煤层，平均厚度为10.45 m。41#煤层结构复杂，含夹矸2～5层，夹矸岩性为砂质泥岩和高岭土，块状结构，局部裂隙发育，上部为暗型煤，下部为半亮型煤，裂隙面见黄铁矿薄膜层。42#煤层结构简单，含夹矸0～1层，夹矸为炭质泥岩，属半暗型煤，块状结构，局部裂隙发育。

图1 4106综放工作面布置图

2 冒落带高度确定

放顶煤条件下围岩平衡高度包括垮落带直接顶的厚度∑h和裂隙带平衡岩层的厚度hp。考虑直接顶冒落后将充填满采空区空间以及顶煤的损失，因此，垮落带直接顶厚度∑h可根据图2直接顶厚度计算推断图，由下式计算表示[6]：

∑h=(M1+M2-S0-C)/(Kp-1)

(1)

S0=(0.15～0.25)M

M=P(M1+M2)

C=(1-P)(M1+M2)Km

图2 直接顶冒高示意图

式中 ∑h为直接顶厚度，m；M1为机采高度，m；M2为顶煤厚度，m；S0为基本顶在触矸处的沉降值，m；C为采空区残留浮煤厚，m；Km为顶煤冒落后的碎胀系数，1.15；P为工作面采出率，取0.8；Kp为直接顶岩层综合碎胀系数，Kp=1.30。

对于围岩平衡中的平衡岩层的厚hp，则可按照煤(岩)层柱状图确定。对照岩层柱状图，找标志层，如石灰岩或硬砂岩，在采煤过程中能起平衡岩层作用，其上部的覆岩(或煤层)不发生台阶错动。

井工一矿4106工作面煤层平均采高按10 m计算，带入公式得mz=18.33 m。

3 基本顶层位确定

钱鸣高院士在其砌体梁理论中提出必须具备以下两个条件采场上覆岩层结构才能保持平衡[6,7]：

(1) 基本顶岩块的长度应大于层厚的2倍，即

li0>2hi

(2)

(2) 基本顶分层厚度应远大于岩块下沉量，即hi≫si0

基本顶岩块最大下沉量就是其下自由空间高度，于是第2个条件可表示为：

(3)

由于基本顶分层厚度要比其下自由空间高度大得多，目前只能以实践经验来确定，侯忠杰教授进一步量化为：

(4)

式中li0—第i层基本顶岩块长度，m；hi—第i层基本顶岩层厚度，m；si0—第i层基本顶悬露岩块下沉量，m；M—煤层厚度，m；∑h—直接顶厚度，m；kp—直接顶岩层的碎胀系数，1.33～1.50；ki—基本顶及其上附加岩层的碎胀系数，取1.15～1.33。

式(4)的意义是基本顶岩层厚度大于其下自由空间高度的1.5倍；式(2)的意义是基本顶断裂岩块的长度要大于岩块厚度的2倍。

因此，在放顶煤条件下，上覆岩层结构向高位转移的过程中只要满足式(2)和(4)两个条件，该岩层即为平衡岩层。

根据井工一矿4106工作面地质赋存和生产技术条件，对工作面基本顶层位作如下判定：

采高和放煤高度：M1+M2=10m；

基本顶在触矸处的沉降值：

S0=0.25×10=2.5m

工作面采空区残留煤层厚度：

C=0.2×10×1.15=2.4m

对照煤(岩)柱状图，从岩层强度角度考虑，13.8m的粗砂岩可作为标志层，钻孔资料表明该层大致有两个分层，每份层大致6.9m则：

直接顶与标志层厚度之和：

∑h+hp=13.26+13.8=27.06m

选择由两个6.9 m分层组成的13.8 m厚的粗砂岩作为标志层是否合理，按照覆岩结构向高位转移后的平衡条件可以通过以下两个条件进行判定：

根据现场实测结果，采场周期来压步距为15.0 m，而13.8 m粗砂岩标志层由两层6.9 m厚度岩层组成，因此，满足两个判定条件：

(1)li0>2hi，即15.0>2×6.9=13.8 m

由以上判断过程可以看出，由于放顶煤条件下采出空间的显著加大，下位粗砂岩岩层失稳垮落成为直接顶的一部分，构成了上位直接顶。同时根据三个判定条件判定，粗砂岩的上位岩层满足三个条件，从而构成了4#煤层工作面的基本顶。

因此，选择由两个分层组成的13.8 m厚的粗砂岩作为标志层是合理的。

4 基本顶极限跨距判断

(5)

当σmax=RT时，即该层在该处的正应力达到该处的抗拉强度极限，岩层将在该处拉裂。为此，这种梁断裂时的极限跨距为：

(6)

由上可知，断裂岩层的失稳破坏与跨厚比的平方成正比，与载荷成正比，与岩层抗压强度成反比，说明跨厚比是影响岩梁失稳的关键因素。

当直接顶或基本顶初次垮落后，岩层呈悬臂结构，这种梁断裂时的极限跨距为

(7)

在上述关系中，岩层梁所承受的载q一般顶板上方的岩层由好几层岩层组成。因此，顶板岩梁的极限跨距所应考虑载荷的大小，须根据各层之间的相互影响来定。

根据材料力学组合梁原理，组合梁每一截面上的剪力Q和弯矩M，都由n层各层的小截面来负担，如图3所示。其关系为：

Q=Q1+Q2+……+Qn

M=M1+M2+……+Mn

图3 层状顶板的变形情况

根据组合梁理论得载荷的计算公式：

(8)

式中E1、E2、En-各岩层弹性模量，n为岩层数量；h1、h2、hn-各岩层的厚度；γ1、γ2、γn-各岩层的容重。

当计算到(qn+1)1<(qn)1时，则以(qn)1作为作用于计算层上的载荷。

4#煤层上覆岩层力学参数如表1所示，一般而言上覆岩层的破断垮落是由下而上的，当顶煤未垮落时，顶煤承载上覆岩层载荷；当顶煤跨落后，直接顶1承载上覆岩层载荷；当直接顶跨落后，基本顶承载上覆岩层载荷，根据表1和公式(8)计算顶煤及上覆岩层载荷，结果见表2。将图1各岩层厚度、表1中各岩层的抗拉强度和表2中的值带入公式(6)和公式(7)，计算结果如表3所示。

表1 4#煤上覆岩层力学参数

表2 不同岩层的(qn)m值表(MPa)

表3 不同岩层的极限跨距

根据表2和表3的计算结果可知，4106工作面承载层由顶煤、直接顶1、基本顶1、基本顶5组成。当工作面开采后，顶煤主要承载其自重，即顶煤的垮落步距主要受顶煤的容重、厚度、抗拉强度影响，计算结果表明，顶煤的固支梁极限跨距为13.2 m，正常开采时的垮落步距为5.4 m，表明4106工作面切眼为8.5 m是安全的；直接顶1主要承载直接顶1和直接顶2的载荷，其初次跨落步距为22.4 m，周期跨落步距为9.1 m；基本顶1主要承载基本顶1、基本顶2、基本顶3、基本顶4的载荷，其初次跨落步距为35.1 m，周期跨落步距为14.3 m。

5 矿压观测结果

为准确掌握4106回采工作面基本顶初次来压、周期来压、来呀步距，4106综采工作面设置3个测区，分别为工作面上部、中部及下部，如图4所示，连续采集测站内各支架的工作阻力。应用信息技术和综采工作面支架压力监测数据管理系统“尤洛卡”。

4106综放工作面直接顶初次垮落步距平均为21.2 m，工作面基本顶初次来压步距平均约为34.1 m(工作面在推进至33.5 m左右时，工作面上、中、下压力均出现迅速增大现象；当工作面推进至34.1 m左右时，整个工作面大面积强烈来压，来压持续了2天左右)。4106综放工作面正常开采期间，顶板周期来压步距约为11～12 m(第一次周期来压步距平均约为11.5 m，最大12 m； 第二次周期来压来压步距平均约为12 m，最大12.2 m；第三次周期来压来压步距平均约为12 m，最大12.5 m。

6 结论

(1) 按照直接顶冒落充满采空区的原则，计算冒落带高度为18.33 m，根据4106综合柱状图，确定冒落带高度为13.13 m。

图4 4106综放工作面测区布置

(2) 按照覆岩结构向高位转移后的平衡条件计算，判断顶煤上方13.12 m以远的粗砂岩为基本顶1。

(3) 根据组合梁理论载荷等理论公式，计算了4106工作面顶煤、直接顶、基本顶的载荷值，确定了顶煤、直接顶、基本顶的初次跨落步距分别为13.2 m、22.4 m、35.1 m，周期跨落步距分别为5.4 m、 9.1 m、14.3 m。

(4) 通过4106工作面矿压观测可知，理论计算数值与矿压观测结果基本吻合。

[1] 王家臣. 厚煤层开采理论与技术[M]. 北京：冶金工业出版社， 2009.

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Determining of Basic Roof Strata and Limit Span in Fully Mechanized Caving Face

SHI Hao-yu, TIAN Duo

(NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 101601,China)

For determining basic roof strata and Limit Span of 4106 Fully Mechanized Caving Face in Pingshuo Coal Industry Company No.1 Coal Mine, considered sedimentation value of basic roof and residual floating coal thickness of mined out area and coefficient of expansion,preliminary determined theoretical height of mined out area. According to the equilibrium condition of overlying rock structure shift to high strata, Judge basic roof 1 is sandstone beyond roof 13.12m distance. According to combination beam theory formula, calculated load value of top coal & the immediate roof & basic roof in the face, initial caving step distance and periodic caving step distance, The results are in agreement with the results of mine pressure observation.

Fully Mechanized Caving Face; Basic Roof ; Strata; Limit Span

2015-01-03

中央高校基本科研业务费资助(3142013100)；华北科技学院基金资助项目“注浆技术在地质构造带的加固机理及应用研究”(JWC2013B03)

师皓宇(1979-),男，内蒙古化德人，硕士，华北科技学院安全工程学院讲师，主要从事采矿工程专业的教学管理与科研工作。E-mail:shihaoyu2000@163.com

TD323

A

1672-7169(2016)01-0070-05