特厚煤层综放面支承压力影响范围分析

2018-08-20黄庆国

陕西煤炭 2018年4期

黄庆国

(山西大同大学煤炭工程学院，山西大同 037003)

0 引言

在煤炭生产过程中，特厚煤层综采放顶煤开采工作面，采煤高度和普通综采没有太大区别，放顶煤高度一般大于采煤高度，因此采煤工作面矿压显现与普通综采存在较大差别，也与厚煤层一次采全高工作面明显不同。研究垮落带、裂隙带的发育高度，采面支承压力分布范围，对工作面设备选型、巷道布置，停采线位置布置具有一定的帮助作用。

1 采煤工作面支承压力的演变概述

从采面由开切眼回采开始到采面煤壁的承载能力发生变化前，伴随采面工作面的回采工作，老顶岩梁处于相对稳定阶段，老顶岩梁对煤层的作用力逐渐加大。此时，煤层没有破坏，仍然处于弹性受力状态，在煤壁前方的煤体中受力依然没有到达煤体的极限应力，支承压力分布曲线是单调下降的，应力峰值在煤壁处。

煤体承载能力发生改变直至直接顶上部的老顶岩梁端部断裂。在这个阶段，煤层顶板施加在煤壁上的应力变大，支承压力的最大峰值应力超越了煤体的极限应力，煤体受力达到其极限值而发生破裂，煤体的承载能力下降，煤体上方的支承压力分布分裂为2个区域，分别为塑性区和弹性区。在塑性区内部，煤体上的支承压力单调上升；与塑性区内相反，弹性区内支承压力单调下降，支承压力的最大峰值作用在塑性区和弹性区接合部。

煤层上方老顶岩层之中位于低位的岩梁在其端部产生断裂开始，直至老顶下位岩梁中部触矸。在老顶岩梁端部产生断裂之前，支承压力会在岩梁断裂线的位置产生应力集中；煤层上方老顶岩梁端部断裂后，以断裂线为界支承压力分为内应力场、外应力场，从采面工作面煤壁到顶板断裂线之间称为内应力场，其中支承压力的值由应力拱内的岩梁的重力决定；断裂线的外部属于外应力场，支承压力的值由上覆岩层的全部自重产生。

煤层上方老顶岩梁的下位岩梁中部触矸开始，发展到煤层上方老顶岩梁的上位岩梁断裂、触矸，一直推进到采面的推进长度与采煤工作面长度相同，也就是采空区见方位置。随着采煤工作面向前回采，煤层上覆岩梁由初次断裂后，而后进入周期性断裂的状态。这个过程中，伴随着采煤工作面的向前回采，内外应力场的范围会逐渐扩展，当采面推进致使采空区范围扩展到见方时，2个应力场范围最大。

从采煤工作面回采到采空区见方位置时开始，直至采煤工作面到达停采线的位置。因为采煤工作面长度恒定，围岩运动所形成的断裂拱的高度和范围将维持不变。随着采煤工作面回采工作的持续进行，煤层上方老顶岩梁的断裂将周期性地发生，在这个阶段，采煤工作面煤壁前方不断前移2个应力场、支承压力的峰值压力作用位置亦会以相对稳定的状态呈现，这一阶段叫做煤层上方支承压力的稳定发展状态。

2 综采放顶煤采煤工作面顶板结构

综采放顶煤开采技术起源于国外，成熟发展于国内。综放开采现场生产的实践表明，煤层采放厚度增加势必会导致煤层顶板的冒落厚度增加，在远离综采放顶煤采面的部位，存在传递岩梁结构。在煤层的垂直方向，老顶形成的各个传递岩梁有其不同的稳定特性，下位岩梁垮落呈现不规则状态，上位岩梁则是规则排列，煤层上方直接顶冒落后岩块随其冒落高度的增大而成正比的增加，随后直接顶岩层的运动空间也会逐步逐渐降低。因此，以采空区冒落岩石为拱脚，以采面工作面上部岩层为拱顶的半拱式结构产生，综采放顶煤采面顶板结构如图1所示。

图1 综采放顶煤采面顶板结构

在综采放顶煤回采过程中，半拱式结构与传递岩梁相结合，两者的共同作用形成了采场上覆岩层的结构形式，2种上覆岩层结构形式随着采煤工作面推进会产生结构失稳，导致了直接顶和老顶分别发生了初次来压和周期来压。

3 支承压力分布分析

3.1 塑性区范围支承压力

依据采场矿压理论，开采后采煤工作面煤壁前方形成极限平衡区，极限平衡区内，依据弹性力学原理，取一微元体，如图2所示。

由于平衡关系，根据∑fx=0，有

(1)

图2 极限平衡区受力

(2)

式中：Rc—煤体单轴抗压强度，MPa；φ—煤层内摩擦角，(°)。

(3)

带入∑fx=0的平衡方程中，可得

(4)

当x=0，σy=N0时，C=lnN0

式中：N0—煤壁的支撑能力，MPa。

(5)

(6)

(7)

式中：f—接触面摩擦系数；M—煤层采厚，m；x—任一点到煤壁的距离，m。

(8)

式中：K—应力集中系数，一般情况下为2～6；γ—容重，kg/m3；H—采深，m。

峰值位置距离煤壁x0，则

(9)

由式(7)可以看出，塑性区范围内，煤体内支承压力与煤壁距离呈指数函数关系递增，随着与煤壁距离增大，支承压力峰值逐步增大直至达到其峰值。

由式(9)可以看出，在φ的影响下，x0的数值会发生一定的范围变化；与此同时，由于采厚度M增大，x0总体上是增大的。由此得出结论，综采放顶煤采场超前支承压力峰值位置会随着煤层开采厚度的加大向煤体深处移动。

3.2 弹性区范围内支承压力

设x1为弹性区范围，x=x0+x1时，得

(10)

在煤壁前方煤体弹性区范围内，支承压力与煤壁距离呈负指数函数关系递减，随着与煤壁距离的增加煤体内的支承压力逐渐降低到原岩应力γH，并且综采放顶煤采面前方支承压力范围随煤层开采厚度的增加而增大。

4 综采放顶煤工作面支承压力分布计算

塔山煤矿8105综采放顶煤工作面长230 m，煤层埋深505 m，煤层平均厚度14.81 m，煤层倾角平均4°。直接顶岩性复杂，平均厚度4.49 m，f值在6.0～6.5之间。老顶岩性为深灰色粉砂岩，平均厚度22.93 m，f值在5.0～6.0之间。

根据该综放面的煤层赋存情况，结合该矿条件类似采面的相关设计计算参数，选择8105综采放顶煤采面的支承压力分布计算参数，见表1。

表1 8105采面支承压力分布范围计算参数

把表1中的采面支承压力分布计算参数代入式(9)，支承压力峰值点与煤壁的距离。当煤层开采厚度为5 m时，x0=18 m；当煤层开采厚度为10 m时，x0=36 m；当煤层开采厚度为15 m时，x0=54 m。

将表1参数x0计算结果代入式(10)中，得到8105综采放顶煤工作面煤壁前方弹性区内支承压力分布范围。当煤层开采厚度为5 m时，x1=31 m；当煤层开采厚度为10 m时，x1=62 m；当煤层开采厚度为15 m时，x1=94 m，见表2，由此可以得到塔山煤矿8105综采放顶煤工作面煤壁前方支承压力的影响范围，如图3所示。