工作面坚硬顶板围岩力学特性及来压特征
2021-02-24
(东华理工大学 土木与建筑工程学院 江西 330013)
坚硬顶板条件在矿区开采中普遍存在,随着回采工作面的不断推进,采空区坚硬顶板悬露面积逐渐增大,当达到极限时发生大面积冒落,其极大的冲击力不仅会影响回采工作面的支护设施,而且会将采空区内的空气瞬间排出,威胁井下工作人员及设备安全,严重时还会影响附近的回采巷道[1-4]。因此,有必要对工作面坚硬顶板的物理力学特性开展研究,本文采用室内试验与实际压力数据观测相结合的方法,分析了坚硬顶板围岩力学特性及来压规律,以指导工作面的正常和安全生产,并为以后其它工作面的生产规程和措施的制定提供坚实的依据。
1.工程背景
山西省某矿坚硬顶板工作面走向长度148m,倾斜长度86m,煤层倾角4°~6°,面积约10400m2,煤厚度1.0~1.4m,平均厚度1.2m,采高为全高。该工作面煤层顶底板岩性如表1所示。工作面瓦斯浓度低,无瓦斯突出危险。地温16~17℃,地压无异常,煤的普氏系数2~3,较硬。
表1 煤层顶底板岩性
图1 试验试件
采集该工作面直接顶(K2石灰岩)岩样,取直径为50mm,分别加工成高为50mm和100mm两种试件并编号,试验试件如图1所示。
2.灰岩力学特性及水理性质
(1)力学特性
采用压缩试验分别获取试件的单轴压缩和三轴压缩强度,采用劈裂法试验来间接测试岩块的抗拉强度,操作时在试件直径方向上,施加一对线性荷载,使试件沿传递线性荷载的垫条所对应的直径方向破坏。并根据弹性力学推导的公式近似计算抗拉强度Rt:
式中:P-试样破坏时的荷载,KN;D-试样直径,mm;L-试样高度,mm。
图2为灰岩压缩和拉伸部分试验曲线,试验结果表明:K2灰岩在不同层位中的抗压强度也存在较大差别,其单轴抗压强度在86.854~169.303MPa,平均值为125.396Mpa;三轴抗压强度最大达203.1Mpa,弹性模量为47.967Gpa;围岩硬度系数最大达16.9,顶板为极坚硬顶板;单轴抗拉强度在5.990~8.831MPa,平均值为7.607Mpa。
图2 灰岩力学特性试验曲线
(2)水理性质
研究岩石在水作用下软化性能,对于坚硬顶板的软化控制具有重要意义[5-6]。岩石在水溶液的侵蚀作用下力学性能会出现降低,该损伤比力学因素造成的损伤更为严重,称为化学腐蚀。
试验在大气压力和室温条件下进行,测试时先将岩样烘干,称量干质量,然后再浸水。从试验结果图3中可以看出,岩样的吸水率随着浸水时间的增加而增大,但增速逐渐降低。刚浸水时,吸水率快速增加,在最初的24小时内吸水最多,两天基本达到了饱和,岩样重量也不再变化。试样的吸水率2.9%~3.1%,平均吸水率为3.0%。
在上述试验基础上,将所取的岩样分成三组,每组三个,第一组为天然岩样浸水0天(编号1组),第二组为浸水1天(编号2组),第三组为浸水4天(编号3组),含水率分别为1.7、2.9、3.1,进行单轴抗压试验,试验结果如图4所示。
图3 浸水时间与吸水率关系
图4 不同含水率应力-应变曲线
由图4可以看出,随着浸水时间的增加,岩样含水率增加,且同一应力情况下应变增大;浸水时间0天、1天、4天时的平均抗压强度分别为125.30MPa、119.52MPa、116.30MPa,试样单轴抗压强度随着试样含水率增加而减小,围岩软化系数为0.70左右。随着浸水时间增加,岩样峰值强度降低,岩样脆性降低、呈现塑性破坏趋势增强。
3.来压特征分析
工作面采用DW12-300/100型单体液压支柱支护,实行三、四排管理,排距1.1m,柱距1.2m,工作面最小控顶距3m,放顶距1m。工作面第二排部分单体支柱工作阻力监测结果如图5所示,由图可知:
(1)2019年3月26日之前,所测单体阻力无论是初撑力还是末阻力,都比较小,很多单体在初撑时未达到额定初撑阻力。工作面采用点柱支撑,施工时因初撑力太大使单体顶端爪手刺穿木块直接抓破顶板,给支护造成困难,此时的末阻力并没有达到最大额定阻力。
(2)2019年3月26日至28日,由于条件限制初撑力依然比较小,但是末阻力普遍较大。说明在此期间顶板压力变大,但是此阶段最大工作阻力只达到支架额定最大工作阻力的53%,有很大富裕。
(3)2019年3月28日工作面压力值变化最大,单体增阻很快,支架末阻力普遍达到峰值,其中第二排2-3单体峰值达到35Mpa,矿压显现较明显,采空区悬空直接顶板从采空区中部开始大面积冒落,老顶下沉量变大,工作面压力普遍增大。28日工作面推进距离为28.3m,可以初步判断直接顶初次垮落步距为28.3m。
(4)通过工作面回采过程中宏观观察,采空区顶板随着工作面的开采呈缓慢下沉、随采随冒。在工作面回柱放顶时发生阶梯状垮落,由于该面采高1.2m,垮落矸石很快填充采空区,老顶周期来压不明显。
工作面支柱受力特征总体表明:工作面发生周期较小的直接顶垮落,支架初撑力偏低,最大阻力仅为最大额定工作阻力的87%,未超过支架额定工作阻力,支架可以安全支护顶板,直接顶上层周期垮落不会影响工作面生产,故综合考量下[7-9]得知该工作面支护选型是合理的。
图5 支柱初末阻力曲线
4.结论
本文采用室内试验与现场实测相结合的研究方法,对山西某矿工作面坚硬顶板进行了研究,结论如下:
(1)通过试验室研究得到了该工作面顶板围岩力学参数:其弹性模量为47.967Gpa,变形模量为20.739Gpa,容重单轴抗压强度平均值为125.396Mpa,单轴抗拉强度平均值为7.607Mpa,充分体现了顶板的坚硬性,为工作面的管理提供了依据。
(2)通过试验室研究得到了岩样的吸水率为2.9%~3.1%,平均吸水率为3.0%。随着浸水时间增加,岩样峰值强度降低,岩样脆性降低、呈现塑性破坏趋势增强,软化系数为0.70。为工作面顶板软化提供了参考依据。
(3)通过现场实测单体支柱的压力,对工作面单体支护进行了适应性分析。得出支架初撑力偏低,最大阻力仅为最大额定工作阻力的87%。工作面直接顶初次垮落步距为28.3m,采空区顶板随采随冒,老顶周期来压不明显。综合考量下得知该工作面支护选型是合理的。
(4)工作面选取的支护承载力足够,设计合理,工作面顶板虽为坚硬顶板,但随采随冒、呈缓慢下沉,无需采取高压注水等方法弱化顶板。