屯兰矿12509工作面顶板岩层破断角测定分析

张雄海

(山西煤炭规划设计院(集团)有限公司,山西 太原 030000)

煤层开采后直接顶岩层破断呈“梯形台体”结构,“梯形台体”的形状由岩层的破断角决定[1],而直接顶破断形成的“梯形台体”的结构不同又造就了矿山压力的不同[2-3],因此煤层开采后直接顶破断角的大小不仅决定直接顶岩层破断形态,而且决定工作面液压支架的工作阻力[4-5],因此在矿井的生产过程中,为准确评价矿山压力的大小,合理选择液压支架,需要对煤层顶板直接顶岩层的破断角进行测定。屯兰矿12507工作面开采时出现了因液压支架支撑力不足而导致支架损坏的事故,为了分析煤层顶板岩层破断形态,进而分析顶板压力的大小,本文在屯兰矿12509工作面辅运巷进行了煤层顶板破断角的测定,为分析顶板破断形态和岩层压力以及工作面液压支架选型提供依据。

1 工作面概况

屯兰矿12509工作面位于矿井的+750 m水平南五盘区,工作面走向长1 635～1 668 m,倾向长219 m,面积361 678 m2,主采二叠系下统山西组的2号和3号煤层,其中2号煤层厚度平均为2.96 m,3号煤层厚度平均为0.63 m,2号煤层和3号煤层中间矸石厚度为0.4～0.8 m,平均为0.5 m,工作面采用大采高一次采全高的采煤方法,采高为4.1 m;12509工作面标高为煤层顶板+651～705 m,12509工作面井下四邻的采掘情况如下:工作面东邻12507工作面采空区,西邻12511工作面,南邻土地沟断层,北接南五盘区大巷,应地表位置西为东大岭村,东为富开洗煤厂,南为高升村,北为白草塔回风立井,地面标高为+1 155～+1 296 m,工作面盖山厚度523～549 m.12509工作面所在区域地表以山地地形为主,沟谷纵横,主要沟谷肚肚沟为季节性流水沟谷,区内有云龙线550 kV、博洪500 kVⅠ线、Ⅱ线3条高压线,其中云龙线550 kV的55号、56号线塔位于工作面内,博洪500 kVⅡ线的8号线塔位于工作面南侧距离运输巷53 m,工作面顶底板岩性如图1所示。

图1 12509工作面顶底板岩层柱状示意

2 煤层顶板岩层破断角探测

2.1 顶板破断形态理论分析

根据岩体弹性力学理论,取煤层顶板岩层中任一微小单元,其受力如图2所示。

图2 单元体受力状态示意

图中,σx为水平主应力,σy为垂向主应力,τxy为单元体表面的剪应力,假设在与垂向应力夹角为α的平面上的最大主应力为σ1,则σ1和σx的夹角为:

(1)

根据许斌等学者推导的关键层岩梁应力解,代入关键层的岩梁极限跨度L(单位为m)和关键层岩梁的厚度h(单位为m),可以得到:

(2)

通常情况下,对于浅埋煤层来说,L近似等于工作面开采期间的周期来压步距,L/h可近似认为是关键块体的块度,通常情况下,关键块体的块度i为0.8～1.4,则:

(3)

由此可得θ1的值为33.7°～38.3°之间,即33.7°<θ1<38.3°.根据mohr-coulomb强度准则,若岩层的内摩擦角为φ0,则岩体破坏面与最大主应力方向σ1的夹角β0为:

(4)

经过以上分析可以得出,岩石的破裂面与水平面的夹角为:

(5)

根据矿井勘探报告中的实测数据,2号煤层顶板岩层的内摩擦角为28°～45°,关键层厚度平均为16.8 m,根据相邻的15207工作面的开采情况,工作面的平均周期来压步距为14 m,将上述关于12509工作面破断角计算的参数代入式(5)可以计算得出煤层顶板岩层的破断角为56.2°～69.3°.

2.2 顶板破断角探测钻孔设计

根据上述对于顶板岩层破断角的理论分析,预测煤层顶板破断角为56.2°～69.3°之间,因此设计探测的钻孔角度需要小于56.2°.由于12509工作面辅助运输巷(简称辅运巷)与运输巷之间存在15 m煤柱,工作面煤层开采后辅助运输巷具备施工煤层顶板探查钻孔的条件,因此在辅运巷中距离切眼38 m(Ⅰ观测站),68 m(Ⅱ观测站)和98 m(Ⅲ观测站)处布置3个钻场,每个钻场施工3个钻孔,按照破断角最小为56.2°计算,钻孔至少应该探测至工作面内部的距离为30/tan56.2°=20.08 m,考虑到运输巷宽度为6 m,因此按照钻孔终孔位置位于运输巷内帮20 m,垂向上施工至煤层顶板上方10 m、20 m和30 m处的位置布置钻孔,如图3所示。根据在钻孔中观测到的煤层顶板岩层破断的深度,将其标注在剖面图上,然后将对应的破断位置连接,即可得到煤层顶板岩层的破断角。

图3 探测钻孔布置图(单位:m)

2.3 顶板破断角观测

顶板破断角观测选用的窥视仪器为ZKXG100矿用钻孔成像仪,其是一款能够对钻孔进行全面检测的高科技设备,产品集钻孔拍照、窥视(录像)、成像等功能于一体,包含1台主机、1个Φ40探头、1个深度编码器、1套矿用电缆线及线架、推杆若干、主机充电器、USB数据传输线,如图4所示。

图4 ZKXG100矿用钻孔成像仪

ZKXG100矿用钻孔成像仪的探头内置高清摄像头,摄像头采集钻孔孔壁图像数据,定位设备的深度计数器记录观测的深度,最终的观测结果数据存储于主机中,在主机中进行深度和图像数据文件的合并,图像中的右下角可以直接显示钻孔的深度。

当工作面开采至76 m时,即超前第Ⅰ观测站38 m时,认为观测站对应位置处采空区顶板处于相对稳定状态,对其进行了钻孔窥视,窥视结果如图5和图6所示。

图5 D1孔孔深17.48 m处影像

图6 F1孔孔深27.0 m处影像

按照第Ⅰ观测站处D1钻孔的倾角为16°,计算得到煤层顶板破断位置距离孔口的水平距离为16.8 m,垂直距离为5.1 m,由此可以得出,煤层顶板以上10～20 m处的基岩破断角平均为70.5°,按照F1钻孔的倾角为37°,计算得到煤层顶板破断位置距离孔口的水平距离为21.8 m,垂直距离为15.8 m,由此可以得出,煤层顶板以上10～30 m处的基岩破断角平均为66.7°.

当工作面开采106 m时,即超前第Ⅱ观测站38 m时,在第Ⅱ观测站对应位置处采空区顶板进行了窥视,窥视结果如图7和图8所示,当工作面开采138 m时,即超前第Ⅲ观测站40 m时,在第Ⅲ观测站对应位置处采空区顶板进行了窥视,窥视结果如图7～图10所示。

图7 D2孔孔深21.84 m处影像

图8 F2孔孔深31.06 m处影像

图9 D3孔孔深17.66 m处影像

图10 F3孔孔深27.17 m处影像

按照第Ⅱ观测站处D2钻孔的倾角为16°,由观测结果计算得到煤层顶板破断位置距离孔口的水平距离为21 m,垂直距离为6 m,由此可以得出,煤层顶板以上10～20 m处的基岩破断角平均为45°,按照F2钻孔的倾角为37°,由观测结果计算得到,煤层顶板破断位置距离孔口的水平距离为24.5 m,垂直距离为18.5 m,由此可以得出,煤层顶板以上10～30 m处的基岩破断角平均为62.8°.按照第Ⅲ观测站处D3钻孔的倾角为16°,由观测结果计算得到,煤层顶板破断位置距离孔口的水平距离为17 m,垂直距离为4.8 m,由此可以得出,煤层顶板以上10～30 m处的基岩破断角平均为67.4°,按照F3钻孔的倾角为37°,由观测结果计算得到,煤层顶板破断位置距离孔口的水平距离为24 m,垂直距离为17 m,由此可以得出煤层顶板以上10～30 m处的基岩破断角平均为62.2°.

2.4 破断角探测结果

经过前述分析,第Ⅰ、第Ⅱ和第Ⅲ观测站的观测结果中10～20 m的基岩破断角依次为70.5°、45°和67.4°,10～30 m的基岩破断角依次为66.7°、62.8°和62.2°,分析第Ⅱ观测站10～20 m基岩的观测结果,明显比其余值偏小,分析原因可能是由于工作面回采时其距离工作面来压的位置较近造成的失真值,固不将其作为参考,最终得到煤层顶板10～20 m的基岩破断角平均为68.9°,10～30 m的基岩破断角平均为63.9°.

3 结 语

结合屯兰矿12509工作面的地质条件,建立了弹性理论模型,分析了煤层顶板岩层破断角发育的关系,带入相邻已经回采结束工作面的参数,得到12509工作面煤层顶板岩层的破断角在56.2°～69.3°之间,在此基础上,在12509工作面的辅运巷布置了3个观测站,共计布置了9个钻孔,对顶板岩层破断角进行了探查,最终得出煤层顶板10～20 m的基岩破断角平均为68.9°,10～30 m的基岩破断角平均为63.9°.