赵庄煤矿大采高综采覆岩“两带”高度确定

李正杰，娄金福，郜建明，李晋斌

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.山西晋煤集团赵庄煤业有限责任公司，山西 晋城 048000)

赵庄煤矿大采高综采覆岩“两带”高度确定

李正杰1，娄金福1，郜建明2，李晋斌2

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.山西晋煤集团赵庄煤业有限责任公司，山西 晋城 048000)

[摘要]为了确定软煤层大采高综采覆岩“两带”发育高度，以赵庄煤业大采高综采工作面为研究对象，分析了大采高开采工作面的矿压显现规律，并采用电法监测技术实测得出了覆岩“两带”发育高度。基于以上实测结论，通过力学解析得到了覆岩“两带”发育高度的修正公式，为后续工作面高抽巷层位确定提供了指导。实践结果表明，该公式吻合现场实际，应用效果良好。

[关键词]大采高综采；覆岩“两带”高度；修正公式

大采高综采是我国缓倾斜厚煤层开采的发展趋势，也是矿井实现高产高效的一种重要采煤方法。生产实践表明，大采高开采时垮落带和裂缝带(简称“两带”)发育高度与传统分层开采相比明显不同，覆岩剧烈运动引发的工作面强矿压和地表环境问题也日益严重。以上问题与大采高采场覆岩结构及运动特征密切相关。

晋煤集团赵庄井田开采山西组3号煤层，该煤层的单轴抗压强度10～15MPa，偏软，煤层厚度3.0～5.4m，采场矿压显现强烈，制约了工作面的安全高效开采。此外，该煤层原始瓦斯含量高，预抽困难，该矿首次尝试采用高抽巷治理本煤层瓦斯，但高抽巷的最佳布设层位缺乏理论指导。因此，有必要针对该地质条件开展软煤层大采高综采覆岩“两带”高度研究，以应用于认识覆岩结构、工作面矿压规律和指导高抽巷层位确定等开采实践。

1工作面开采条件及矿压显现规律

1.1工作面开采条件

赵庄矿1306工作面位于1盘区，走向长度1962m，倾斜长度219.5m，煤厚平均为4.48m，煤层倾角1～8°。地面标高+1012.8～+1173.8m，煤层底板标高+404～+516m。该工作面选用ZY12000/28/62D两柱掩护式支架进行顶板控制。3号煤顶底板岩性特征如表1所示。

表1　1306工作面3号煤层顶底板岩性特征

1.2矿压观测方案

主要采用综采支架压力记录仪实时监测工作面压力变化情况。1306工作面共布置14个测点，分别为5号、10号、20号、30号、40号、50号、60号、70号、80号、90号、100号、110号、120号、126号支架，见图1。

图1　工作面压力测线布置

1.3矿压显现规律分析

沿工作面走向方向选取机头1323.25～1406.45m，机尾1322.35～1402.95m推进范围内实测的矿压数据进行分析，期间机头推进83.2m，机尾推进80.6m。表2为周期来压步距及工作阻力统计，基本顶周期来压步距3.5～13.2m，平均7.5m。工作面非来压期间支架工作阻力平均5500kN，来压时动载系数1.16～2.43，平均1.69，动压明显。该监测结果为理论研究覆岩“两带”高度提供基础数据。

表2　1306工作面周期来压及工作阻力情况统计

2覆岩“两带”高度理论分析

采场矿压显现规律及其特征参数与覆岩运移破断密切相关[1-3]，新汶矿区、兖州矿区、邢台矿区等利用多个工作面的矿压参数推算覆岩破坏高度，积累了一套较为精确的计算方法。利用矿压参数推算覆岩破坏高度的实质是根据矿压显现特征参数，以岩层变形、移动和破坏特点及“支架-围岩”相互作用关系为基础，根据力学平衡原理，对“两带”高度进行力学解析。

2.1垮落带高度的推算

以往研究表明，无论控顶区直接顶能否沿煤壁切断，均能与其前方覆岩保持一定的力学联系[4-6]。通过力学建模简化，控顶区直接顶与煤壁前方覆岩保持“单铰”连接，支架顶梁载荷呈三角形分布，合力作用点在立柱与顶梁铰点处，如图2、图3所示。

图2　控顶区直接顶与煤壁前方覆岩连接示意

图3　支架顶梁载荷分布

根据力学平衡条件，在不考虑平衡千斤顶作用的情况下，经推导分析，可得以下方程：

(1)

式中，Pz为周期来压前由控顶区上方厚度为Hm的直接顶产生的支架阻力，t/架；θ为岩层破断角，(°)；Lx为直接顶的悬顶长度，m；Lkd为采场最大控顶距，m；La为立柱与顶梁铰点到顶梁末端的距离，m；Q为厚度相当于Hm的垮落带岩层重量；η为支架支撑效率。

根据以上推导，将实测的矿压数据，即：Pz=5500kN，即550t；θ=67°；Lkd=5.902m；La=1.35m，代入(1)式并化简方程得：

(2)

由式(2)可得垮落带岩层厚度Hm=13.5m。

2.2裂缝带下位岩层高度的推算

裂缝带自下而上可分为严重断裂、一般开裂和微小裂缝三部分[7]。其中，一般开裂和微小裂缝两部分的岩层虽属破坏岩层范畴，但其所形成的砌体梁能够自身平衡而导致支架不受载，因此，仅裂缝带的严重断裂部分对支架产生力的作用。采场顶板的周期来压是直接顶之上的基本顶发生周期性断裂所形成的砌体梁结构不能维持自身平衡而失稳的结果[8-9]，因此，周期来压时的支架载荷等于直接顶所造成的支架载荷Pz与基本顶断裂后为维持砌体梁的平衡通过直接顶传递给支架的附加载荷PL之和，即：

P=Pz+PL

(3)

周期来压时基本顶砌体梁A，B两关键块的受力状况如图4所示。根据力的平衡条件(∑Fx=0，∑Fy=0，∑M=0)，求得方程如下：

(4)

图4　周期来压时基本顶砌体梁关键块受力分析

基本顶破断岩块形成砌体梁的首要条件是咬合边端要处于平衡状态，即：

T·tanφ≥Ro

(5)

当T·tanφ

(6)

式(4)～(6)中：HLx为裂缝带下位岩层的厚度，m；Lc为周期来压步距，m；SA为砌体梁来压岩块的终端沉降值，m；φ为岩块间的摩擦角，(°)；Q为破断岩块及其上覆软岩的重量，在无软岩的情况下，Q=LcDHLxγ，D为关键块宽度，取1；γ为容重；其他符号意义同前。

根据工作面矿压观测数据，PL=5500kN，顶板来压动载系数平均值为1.69，则砌体梁破断产生的附加载荷为5500×0.69=3795kN=379.5t；根据实测分析，基本顶周期来压步距Lc=7.5m；SA=0.95m(按泥岩残余碎胀系数取0.1，砂岩取0.2。采高4.3m，实测垮落带高度16～22m，在垮落带范围内，砂岩累计14.5m，泥岩4.5m，由此求出砌体梁来压岩块的终端沉降值)；1306工作面顶板以泥岩、砂岩为主，岩性较软。根据岩石物理力学性质指标经验数据，岩块间的摩擦角φ=45°；SA=4.3-(14.5×0.2+4.5×0.1)=0.95m，代入(6)式，得：

(7)

据此计算裂缝带下位岩层的厚度为HLx=10m。

3覆岩“两带”高度电法探测分析

3.1“两带”电法探测布置方案

依据矿压理论，煤层开采后覆岩层在竖直方向上形成“三带”[10-11]，即垮落带、裂缝带和弯曲下沉带。而“三带”的电阻率由于岩层破坏程度不同具有显著的差异性[12-14]。

在1306巷道内布置“两带”监测钻场，1号监测钻孔孔口位置在13063巷10号横贯向外20m，2号监测钻孔孔口位置在13061巷5号横贯向外5m，在钻孔中埋设电极电缆形成电法监测系统，电法仪安装在巷道孔口后方采集数据。钻孔布置如图5所示，钻孔施工参数见表3。

图5　电法监测钻孔布置平面

孔号仰角/(°)孔径/mm孔深/m套管长度/m控制垂高/m控制平距/m1号29911407681202号32919274878

3.2监测结果分析

通过实时监测，1号孔共采集数据24d，采集有效物理数据点数96768个；2号孔共采集数据25d，采集有效物理数据点43050个。采用高密度电阻率法对顶板裂高监测孔数据进行反演[15-16]，1号钻孔反演结果如图6所示。

由图6可知，工作面距离1号孔口98.6m时，电阻率值总体较低(<150Ω·m)，认为开采对前方覆岩破坏尚未产生影响，此时的电阻率为顶板岩层的背景电阻率，为后续煤层采动岩层变形破坏后的电阻率提供对比数据。工作面距离监测孔口6.8m时，受煤层采动影响，采空区后方覆岩发生破坏，通过与背景电阻率值的对比分析，1号钻孔监测区域内顶板垮落带高度为16m，该段岩层电阻率值超过背景电阻率值10倍以上，为典型的岩层破坏特征；导水裂缝带高度为58m，该段岩层电阻率值变化不均匀，局部达到几千Ω·m以上，且上下沟通特征明显，为破坏导通区。

图6　不同位置时1号监测钻孔的电阻率剖面

同理，根据2号监测钻孔的实测结果可知，垮落带发育高度为22m，裂缝带发育高度为59m。

综合两个监测钻孔结果，垮落带发育高度为16～22m，裂缝带发育高度约59m，裂采比13.72。该观测结论为理论分析结果提供对比验证依据。

4“两带”发育高度多参量公式的修正与应用

对比“两带”高度电法实测结论以及理论计算结果，垮落带高度16～22m与理论计算存在一定的偏差，但基本反映了覆岩垮落破坏的特征；而裂缝带下位岩层厚度10m约占裂缝区总高度的1/4。鉴于覆岩“两带”观测工程量大，人工与设备费用高，3号煤层后续工作面的“两带”高度可以参照理论公式进行估算。为了使理论计算更接近于现场实际，需要对计算公式进行必要的修正。

4.1垮落带高度多参量公式的修正

将公式(1)反解，并考虑理论计算与实测结果的差值，将垮落带高度计算公式修正为：

(8)

4.2裂缝带高度多参量公式的修正

裂缝带发育高度上限值包括垮落带高度以及裂缝区高度。裂缝带下位岩层厚度公式可依据公式(6)反算推出，其约占裂缝区总高度的1/4。结合垮落带高度的修正公式，得到裂缝带高度上限值修正公式为：

Hli=Hm+4HLx=tanθ[2η(Lkd-La)Pz/Q-(Lkd+Lx)]+4Lctanφ/(1.5-PLη/Q)+4SA+5

(9)

式中各符号意义同前。

4.3实践应用

赵庄矿1307工作面首次采用高抽巷治理瓦斯，将该工作面相关参数代入“两带”高度多参量修正公式中，得到垮落带高度为18.5m，裂缝带高度为58.2m。按照高抽巷处于裂缝区中部考虑，确定高抽巷的合理层位距煤层顶板38.5m。

现场高抽巷布置在煤层上方约40m处，现场实际应用表明，该矿瓦斯难以预抽问题不再成为制约工作面的生产进度的因素，工作面推进速度明显加快，由原来3～5刀/d增加到6～8刀/d，高抽巷抽放纯量均值达到36.9m3/min，日抽放量达53133.9m3，占工作面日总抽放量的70.5%～73.9%，实现了工作面瓦斯的零超限。

5结论

通过现场实测及理论分析的方法，研究了赵庄煤矿大采高综采覆岩“两带”发育高度，得到以下主要结论：

(1)矿压监测分析得出基本顶周期来压步距为3.5～13.2m，平均7.5m，来压时动载系数为1.69，工作面非来压期间，支架平均工作阻力为5500kN。

(2)采用电法实测得出赵庄煤矿大采高综采面垮落带高度为16～22m，裂缝带高度为59m，裂采比为13.72。

(3)理论解析得出了覆岩“两带”发育高度多参量公式，并结合实测结果进行了修正，由该公式确定的高抽巷层位在实践应用中效果良好。

[参考文献]

[1]任艳芳，宁宇，齐庆新.浅埋深长壁工作面覆岩破断特征相似模拟[J].煤炭学报，2013，38(1)：61-66.

[2]潘俊锋，齐庆新，毛德兵，等.冲击性顶板运动及其应力演化特征的3DEC模拟研究[J].岩石力学与工程学报，2007，26(S1)：3546-3552.

[3]闫少宏，尹希文，许红杰，等.大采高综采顶板短悬臂梁-铰接岩梁结构与支架工作阻力的确定[J].煤炭学报，2011，36(11)：1816-1820.

[4]杜峰，白海波.薄基岩综放采场直接顶结构力学模型分析[J].煤炭学报，2013，38(8)：1331-1337.

[5]何富连，钱鸣高.综采面直接顶滑落冒顶的机理与控制[J].中国矿业大学学报，1995，24(3)：30-34.

[6]刘长友，钱鸣高，曹胜根，等.采场直接顶的结构力学特性及其刚度[J].中国矿业大学学报，1997，26(2)：20-23.

[7]何国清.矿山开采沉陷学[M].徐州：中国矿业大学出版社，1994.

[8]钱鸣高，缪协兴，何富连.采场“砌体梁”结构的关键块分析[J].煤炭学报，1994，19(6)：557-563.

[9]钱鸣高，缪协兴.采场上覆岩层结构的形态与受力分析[J].岩石力学与工程学报，1995，14(2)：97-106.

[10]钱鸣高，刘听成.矿山压力及其控制[M].北京：煤炭工业出版社，2009.

[11]钱鸣高，石平五，许家林.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社有限责任公司，2010.

[12]杨镜明，魏周政，高晓伟.高密度电阻率法和瞬变电磁法在煤田采空区勘查及注浆检测中的应用[J].地球物理学进展，2014，29(1)：362-369.

[13]刘盛东，吴荣新，张平松，等.高密度电阻率法观测煤层上覆岩层破坏[J].煤炭科学技术，2001，29(4)：18-22.

[14]王冬青.高密度电阻率成像法在断裂带探测中的应用研究[D].南京：南京大学，2009：42-47.

[15]吴小平，汪彤彤.电阻率三维反演方法研究进展[J].地球物理学进展，2002，17(1)：156-162.

[16]杨发杰，巨妙兰，刘全德.高密度电阻率探测方法及其应用[J].矿产与地质，2004，18(4)：356-360.

[责任编辑：潘俊锋]

Determination of ‘Two Belts’ Height of Overlying Strata with Large Mining Height Fully Mechanized Face in Zhaozhuang Coal Mine

LI Zheng-jie1，LOU Jin-fu1，GAO Jian-ming2，LI Jin-bin2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；2.Zhaozhuang Mine Company of Shanxi Jin Mine Corporation Co.，Ltd.,Jincheng 048000，China)

Abstract：In order to confirmed ‘ two belts’ height of overlying strata with large mining height fully mechanized mining in soft coal seam，it taking fully mechanized mining working face in Zhaozhuang coal mine as studying objects，then mine pressure rules of large mining height working face was analyzed，and ‘two belts’ development height was tested in filed by electrical monitoring technique.On the basis of filed testing conclusions，modifier formula of ‘ two belts’ development height was put forward by mechanical analysis，it provided guidance for layer confirmation of high level drainage roadway，the practical results showed the formula satisfied for filed practical and application effect was good.

Key words：fully mechanized mining with large mining height；overlying strata ‘ two belts’ height，modifier formula

[收稿日期]2015-09-22[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.025

[基金项目]国家自然科学青年基金项目(51304118);青年科学基金项目(51504136)

[作者简介]李正杰(1987-)，男，河南永城人，硕士，助理工程师，主要从事矿山压力及岩层控制研究工作。

[中图分类号]TD822.1

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2016)03-0094-04

矿山压力与灾害控制

[引用格式]李正杰，娄金福，郜建明，等.赵庄煤矿大采高综采覆岩“两带”高度确定[J].煤矿开采，2016，21(3)：94-97，121.