煤層開采頂板活動應(yīng)用

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以榆陽煤礦2302工作面的開采實踐為工程背景，總結(jié)了近淺埋煤層條件下開采頂板的活動規(guī)律，并利用“梁”“板”兩種力學(xué)模型對老頂?shù)某醮蝸韷翰骄噙M行了分析，由此確定出適合近淺埋地質(zhì)條件下的力學(xué)模型。同時根據(jù)老頂大面積來壓對工作面安全生產(chǎn)所構(gòu)成的威脅，提出了采用深孔預(yù)裂爆破對堅硬頂板實施強制性放頂，從而保證初采初放期間工作面頂板安全。

1.問題的提出

生產(chǎn)實踐表明，近淺埋煤層長壁工作面開采時，地面局部區(qū)域出現(xiàn)“臺階下沉”現(xiàn)象，工作面支架載荷明顯增大，安全閥不斷啟動，易出現(xiàn)立柱爆裂現(xiàn)象，礦壓顯現(xiàn)劇烈，伴隨有颶風(fēng)。榆陽煤礦井田范圍位于陜北侏羅紀(jì)煤田南緣，3號煤層埋深介于160～220m之間，而2302工作面開采的3號煤層平均埋深為200m左右，屬于典型的近淺埋煤層，其覆巖破壞規(guī)律和工作面的礦壓顯現(xiàn)特征與淺埋煤層的開采差異很大。初次來壓步距大，并產(chǎn)生較大的颶風(fēng)，給安全生產(chǎn)造成較大危害。必須采取切眼內(nèi)強制放頂，以降低颶風(fēng)的發(fā)生，為安全生產(chǎn)保駕護航。

2.工作面頂板活動規(guī)律分析

2.1直接頂?shù)目迓?/p>

榆陽煤礦開采的3號煤層直接頂為淺灰色砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖（其中包含兩層薄煤，均厚0.5m），致密塊狀構(gòu)造，平均厚4.40m，以層狀為主，層向裂隙不太發(fā)育，抗壓強度為30.3～75.9MPa，平均65.3MPa，抗拉強度為1.5MPa。開采時，在推進19～25m時直接頂開始初次垮落，此后隨采隨垮。

2.2老頂?shù)目迓?/p>

（1）老頂?shù)某醮螖嗔巡骄喾治?/p>

2302工作面老頂為淺灰色中細(xì)粒砂巖，致密較堅硬，層向裂隙不發(fā)育，平均厚14.4m，以層狀為主，層向裂隙不發(fā)育，平均抗壓強度為75.9MPa。

對于老頂?shù)臄嗔研问街饕袃煞N觀點：梁式破斷和板式破斷，下面我們將現(xiàn)場實際情況和理論分析結(jié)合起來分析老頂?shù)臄嗔研问健?/p>

由于2302工作面是次采面，南側(cè)有2301采空區(qū)，其余為未采動區(qū)。因此，可按三邊固支梁進行分析。三邊固支來壓特點和四邊固支基本相同

榆陽煤礦2302工作面開采的3號煤層老頂為厚層狀粉砂巖，質(zhì)純，結(jié)構(gòu)單一，泥質(zhì)膠結(jié)，層理裂隙不甚發(fā)育，厚度在12.2m左右，其單向抗壓強度平均為75.9Mpa，抗拉強度為1.86MPa。3號煤頂板巖層巖石力學(xué)性質(zhì)。

老頂初次來壓步距按固支梁公式計算：

（1）

式中：L—初次來壓步距，（m）；h—老頂巖層厚度，（m）；RT—老頂抗拉強度，（MPa）；q—老頂巖層梁承受的載荷，（KPa）。

在式（1）中，關(guān)鍵是確定老頂巖層梁所承受的載荷q，一般老頂上方的巖層由好幾層組成。因此老頂巖梁的極限跨距所應(yīng)考慮載荷的大小，須根據(jù)各層之間的互相影響來定。因為是多層巖層，必然考慮到第1個巖層（老頂巖層）之上究竟承受多少層的載荷問題，根據(jù)組合巖梁的原理，計算老頂巖層承受多少巖層重量的公式如下：

（2）

式中：(qn)1—第n層時作用于老頂巖層上的載荷，（kPa）；E1、En—老頂及上覆各巖層的彈性模量，（MPa）；h1、hn—老頂及上覆各巖層的厚度，（m）；、—老頂及以上各巖層的體積力，（KN/m3）。

當(dāng)計算到（qn+1)1＜（qn）1時，n層作用于老頂巖層上的載荷q即采用（qn)1計算。

第2層對第1層的載荷作用（q2)1為

kPa

第3層對第1層的載荷作用（q3)1為

<

根據(jù)計算結(jié)果，應(yīng)考慮第一、二對第一層（老頂巖層）載荷的影響，

代入相關(guān)參數(shù)計算可得老頂初次來壓步距：

（3）

式中：L—初次來壓步距，（m）；h—老頂巖層厚度，（m）；—老頂抗拉強度，（m）；q—巖層自重及上覆載荷，（m）。

按照“梁”式結(jié)構(gòu)分析得出老頂?shù)某醮慰迓洳骄酁?8.8m。

（2）老頂板式破斷分析

隨著2301工作面的推進，頂板懸空面積增大，老頂巖梁達(dá)到強度極限時，將形成斷裂。由于是首采區(qū)，頂板將會形成四邊固支的板狀結(jié)構(gòu)，板的彎矩絕對值最大是發(fā)生在長邊的中心部位，因而首先將在此形成斷裂，而后在短邊的中央形成裂縫，待四周裂縫貫通而呈“O”形后，板中央的彎矩又達(dá)到最大值，超過強度極限而形成裂縫，最后形成“X”型破壞。此時在板的支承邊四周形成上部張開下部閉合的裂縫，而在“X”型破斷部分則形成上部閉合而下部張開的裂縫。老頂發(fā)生垮落時，巖梁呈豎“O－X”型垮落，兩段巖梁分別以兩端下斷點為軸，以中部上斷點為支點，分別內(nèi)旋，直到中部巖梁觸矸。

對于老頂?shù)某醮蝸韷翰骄嗬妙惐确ㄍ扑?302工作面老頂?shù)某醮蝸韷翰骄唷?301工作面頂板巖性與2302工作面相似，其工作面長度為200m。當(dāng)工作面自開切眼沿走向開采達(dá)到81m時，老頂巖梁達(dá)到極限垮距，開始發(fā)生了初次垮落。由此分析得知老頂?shù)某醮蝸韷翰骄酁?1.0m。2302綜采工作面長度為174m，采空區(qū)幾何形狀系數(shù)、初次來壓步距類比2301工作面計算初次來壓步距。

老頂初次來壓按照板梁處于極限懸露狀態(tài)時，其最大彎矩在采空區(qū)中心處，根據(jù)Marcus修正解可得：

M=

2301工作面老頂?shù)目箯潖姸?/p>

綜采工作面老頂?shù)某醮蝸韷翰骄鄿?zhǔn)數(shù)

Lm=＝＝83.194m

μ----巖層的泊松比

q----巖層自重及其上載荷

h----老頂巖層厚度

σ----老頂巖層抗彎強度

2、用2301工作面老頂?shù)某醮蝸韷翰骄嗤扑?302工作面老頂?shù)某醮蝸韷翰骄?/p>

2301工作面老頂?shù)某醮蝸韷翰骄酁?1m，工作面長度為205m；2302綜采工作面長度為179m，計算工作面長度對初次來壓步距的影響。

（1）四邊固支狀態(tài)下邊長影響系數(shù)：

四邊固支無限長條的極限垮距：

L=m

2302工作面老頂?shù)某醮蝸韷翰骄啵?/p>

＝

＝85.326m

（2）若進行強制放頂，工作面四邊固支狀態(tài)即變?yōu)槿吂讨б贿吅喼В溥呴L影響系數(shù)：

2301工作面老頂?shù)某醮蝸韷翰骄啵?/p>

L=m

2302工作面老頂?shù)某醮蝸韷翰骄啵?/p>

＝

＝84.206m

（3）2302綜采工作面為次采工作面，同時又進行了強制放頂，屬兩邊簡支兩邊固支，其邊長影響系數(shù)：

2301工作面老頂?shù)某醮蝸韷翰骄啵?/p>

L=m

2302工作面老頂?shù)某醮蝸韷翰骄啵?/p>

＝

＝68.659m

因此、從以上分析可知：工作面長度的變化對工作面老頂?shù)某醮蝸韷翰骄嘤绊懖淮螅ぷ髅鎻姺旁斐扇吂讨б贿吅喼Вぷ髅胬享數(shù)某醮蝸韷翰骄嘤绊懸膊淮蟆５珡娭品彭斂梢员苊獬醮蝸韷簩χЪ茉斐删薮蟮臎_擊載荷，破壞頂板的完整性，減緩初次來壓對支架的破壞作用。由于2301和2302區(qū)段煤柱為34m，煤柱相對較大，本條簡支邊影響因素較小，只能一邊簡支三邊固支來考慮，預(yù)計2302初次來壓步距為84m。

根據(jù)2302綜采工作面現(xiàn)場礦壓觀測表明，老頂垮落時工作面機尾距開切眼為83m，工作面機頭距開切眼為73m，平均76m，加上切眼7.5m，合計為83.5m和預(yù)計初次來壓步距84m基本相同，符合實際。

2302綜采工作面初次來壓垮落分為三個階段。4月13日零點班接班時，工作面平均推進距離為76米。1時30分左右，采空區(qū)深處老頂開始垮落共3次，第2次垮落強度較大，有風(fēng)并有煤塵產(chǎn)生；工作面中部有輕微的煤炮聲，但沒有片幫煤產(chǎn)生；工作面支架壓力顯現(xiàn)正常，未見明顯增大現(xiàn)象；采空區(qū)及頂板無涌水、淋水現(xiàn)象。說明老頂在強制放頂后，老頂巖層整體性破壞，分為三個板塊垮落，形成小----大----小的梯次垮落，造成的颶風(fēng)相對較小，未造成較大颶風(fēng)危害。

老頂垮落后破斷形態(tài)如圖1所示。

（2）老頂?shù)闹芷跀嗔巡骄喾治?/p>

老頂?shù)闹芷趤韷翰骄嗑哂胁町愋裕淮嬖诠潭ㄖ担溆幸欢ǖ淖兓瘏^(qū)間，因此我們統(tǒng)計了大量的陜北近淺埋煤層老頂?shù)某醮蝸韷翰骄嗯c周期來壓步距的比值，分析得出該比值的變化區(qū)間為2.2～3.71，據(jù)此分析榆陽煤礦綜采工作面老頂?shù)闹芷趤韷翰骄嘟橛?2.5～38.0m。而根據(jù)現(xiàn)場的礦壓觀測資料分析，榆陽煤礦2302工作面在初次來壓后第一次來壓推進距離為20m（平均推進度96m，不包括切眼7.5m），第二次來壓推進距離為24m（平均推進度120m，不包括切眼7.5m），第三次周期來壓步距27m（平均推進度147m，不包括切眼7.5m），平均24m，據(jù)此2302綜采工作面周期來壓步距應(yīng)為20～27m。

4.強制放頂技術(shù)措施應(yīng)用

榆陽煤礦2301工作面屬于堅硬難垮型頂板，老頂?shù)某醮蝸韷翰骄嚅L達(dá)81m，在采空區(qū)呈大面積垮落，來壓時動壓沖擊較嚴(yán)重，易對工作面支架造成沖擊，大量巖體突然垮落會造成颶風(fēng)，威脅人身和設(shè)備安全。因此，需在來壓前對頂板預(yù)裂爆破，破壞采空區(qū)頂板的完整性，使其盡早垮落，減小初次來壓步距，減緩初次來壓對支架的破壞作用。

目前，對堅硬頂板進行強制性放頂主要是深孔預(yù)裂爆破強制性放頂。以破壞頂板的完整性為前提，對初次來壓期間的頂板實施有效控制，使其盡早垮落；根據(jù)直接頂、老頂?shù)暮穸龋O(shè)計放頂方案，盡可能使其符合頂板巖層斷裂失穩(wěn)運動；充分利用礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，為頂板控制服務(wù)；頂板處理高度的確定，應(yīng)滿足冒落矸石充滿或基本充滿采空區(qū)，對上覆巖層起支撐或墊層作用。同時，破壞老頂?shù)耐暾裕股细矌r層較易垮落，從而減弱了頂板垮落的沖擊強度。

5.結(jié)論

（1）近淺埋煤層工作面的頂板堅硬難垮，在未強制放頂條件下初次來壓步距為81m，周期來壓步距為20～27m，其堅硬頂板在采空區(qū)易形成大面積頂板來壓，一次冒落的面積少則數(shù)千平方米，多則數(shù)萬平方米甚至十幾萬平方米，在極短時間內(nèi)會產(chǎn)生嚴(yán)重的沖擊破壞力，瞬間排除已采空間的空氣造成颶風(fēng)，威脅人身和設(shè)備安全。

（2）榆陽煤礦2301工作面開采實踐表明，老頂初次來壓步距按梁式斷裂計算與實際情況顯然不符，近淺埋煤層地質(zhì)條件下老頂破斷必須按照板式結(jié)構(gòu)分析才能與現(xiàn)場實際情況吻合，。

（3）近淺埋煤層地質(zhì)條件下，在來壓前可采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)措施對頂板實行強制性放頂，用以破壞采空區(qū)頂板的完整性，使其盡早垮落，減小初次來壓步距，減緩初次來壓對支架的破壞作用是十分必要的。

（4）榆陽煤礦在2302綜采工作面實施切眼內(nèi)強制放頂，領(lǐng)導(dǎo)的決策是英明的，措施是得力的，施工質(zhì)量是可靠的，爆破達(dá)到了預(yù)期的效果，基本解決了榆陽煤礦近淺埋深堅硬頂板條件下初采初放的頂板管理問題。