润东煤业长壁放顶煤坚硬顶板破坏模式及稳定性控制研究.pdf
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1、Jinneng Holding Science and Technology28第3 期(总1 9 1 期)2023年6 月晋控科学技术润东煤业长壁放顶煤坚硬顶板破坏模式及稳定性控制研究靳海华(山西晋煤集团阳城晋圣润东煤业有限公司,山西晋城0 4 8 0 0 6)摘要:通过相似模拟、理论分析和现场实践研究了长壁放顶煤坚硬顶板的破裂形态和矿压显现特征,分析了坚硬顶板破坏特征对工作面的影响。随着长壁工作面的推进,坚硬顶板破裂引起的应力变化呈现周期叠加效应,采用水压致裂技术对顶板进行预裂,减小上覆岩层复合结构失稳引起的动荷载作用。关键词:坚硬顶板;放顶煤;破坏模式;覆岩稳定中图分类号:TD327.2
2、文献标识码:A文章编号:1 0 0 0-4 8 6 6(2 0 2 3)0 3-0 0 2 8-0 4D0I:10.19413/ki.14-1117.2023.03.007顶板破裂过程、应力分布和上覆岩层稳定性一直是长壁放顶煤开采研究的重点和热点。长壁放顶煤工作面上覆岩层的运动呈现新的特征。由于煤层厚度及采高的影响,工作面开采后上覆岩层影响和移动范围较大。研究表明,覆岩破坏范围随着开采煤层厚度的增加而增大,在2 0 m厚煤层开采期间,覆岩破坏区大于3 0 0 m。结合长壁放顶煤开采的特征及特点,研究长壁放顶煤坚硬顶板破坏模式和复合结构压裂技术有重要意义 2-3 。O1工程地质山西晋煤集团阳城晋
3、圣润东煤业有限公司(简称“润东煤业”)主采3 号煤层位于北部的一盘区,1 3 0 4工作面倾斜长度1 9 8 m,走向长度1 8 0 0 m,采高3.9 m,循环切割步长0.8 m,一次切割,一次垮落。煤层和顶板结构较为复杂,煤层和顶板岩层性质见表1 和表2。岩性是一般高岭土岩石、砂质泥岩和碳质泥岩、粉砂岩或细砂岩,煤研石的总厚度是2.7 5 m,煤层厚度为6.2 9m。煤层倾角为1 5,顶板主要由中砂岩、细砂岩、粗砂岩、砂砾岩等硬岩层组成,厚度较大。1304工作面位于煤层采空区之下,左侧为已采工作面,右侧为实体煤,支架采用ZFG12000/24/38过渡支架、ZT26000/25/38端部支
4、架,顶板按直接垮落法处理。随着长壁工作面推进,坚硬顶板断裂导致帮部破坏,支架压力增加。表1煤层顶底板情况表顶底板名称岩石名称厚度/m岩性特征浅灰色,岩芯多呈柱状,粉砂岩2.44岩芯完整,夹薄层砂质泥岩。浅灰色,岩芯呈柱状及块状,老顶砂质泥岩2.07夹薄层砂质泥岩。灰白色,岩芯多呈柱状,局部高角度裂中粒砂岩7.17隙发育,岩芯呈块状,下部垂直裂隙分岩芯为两半。直接顶泥岩1.57深灰色,夹薄层砂质泥岩,含植物化石。深灰-灰黑色,含植物化石,直接底砂质泥岩7.25夹薄层泥岩及浅灰色粉砂岩。浅灰色,岩芯呈短柱状,老底粉砂岩1.15夹薄层深灰色砂质泥岩表2煤岩层力学参数弹性抗拉容重泊内聚力摩擦角岩性模量
5、强度/(g.cm)松比/MPa/()/CPa/MPa粉砂岩2.4223.160.22.8538.881.28砂质泥岩2.3627.020.192.938.651.44中粒砂岩2.3819.180.212.2435.491.333煤1.339.520.261.0335.410.98泥岩2.402.450.32.3242.20砂质泥岩2.3627.020.192.938.651.44粉砂岩2.4223.160.22.8538.881.412坚硬顶板破裂模式为研究工作面坚硬顶板破裂模式,采用二维相似模拟试验,试验平台尺寸为长宽高=1 5 0 0 mm200靳海华:润东煤业天壁放顶煤坚硬顶板破坏模式及
6、稳定性控制研究2023年第3 期29mm1200mm,采用平面应力模型。根据相似模拟原理,计算模型铺设高度为1 1 0 0 mm,地质模型与相似模型的几何相似比为2 0 0:1。砂、水泥、石膏等相似材料的混合密度比为1.8:1。模型与地质原型对应的速度、加速度、运动时间均按一定比例设计。将相似材料均匀混合,手工压实,在岩层之间加人云母粉,使模型中岩层相互分层。为了观察顶板的裂隙变化和岩层状态,在模型铺设约5 d后,在模型顶板上布置监测点。利用高清摄像机连续观测顶板的裂隙变化和岩层运动状态。为了消除模型边界的影响,在模型两侧留3 0 cm的边界煤柱。图1顶板破裂模式随长壁工作面推进随着长壁工作面
7、的推进,直接顶垮塌,不同推进距离的顶板裂隙结构如图2 所示。当工作面推进距离为75m时,直接顶首先垮落。当推进距离为1 1 0 m时,顶板发生大面积跨塌。在开采过程中,产生多条顶板破碎线,顶板破碎线位置随推进距离发生显著变化,对支架产生明显影响。随着长壁工作面推进,顶板裂缝不断延伸,顶板裂缝结构和断裂位置发生变化。当顶板断裂在支架正上方或正前方时,采空区顶板断裂结构对支架的破坏最为严重。当岩层达到极限跨度形成失稳结构时,支架仅承受下部岩层重量,上部岩层结构不会同时断裂。与悬臂梁结构相比,下部拱梁结构是相互铰接的岩块结构。采空区下部岩块的压缩形成长距离的载荷传递,对长壁工作面造成严重的破坏。当悬
8、臂梁为单个大块体时,远离采空区的块体被挤压,载荷传递较弱,压力较小。当上部拱梁结构断裂时,上部岩层结构会带动下部岩层结构同时断裂,造成严重的冲击显现。当断裂位于支架前方时,上覆岩层出现大面积跨落,坚硬顶板的断裂位置决定了围岩的破坏位置和应力的大小,为复合坚硬顶板的控制提供理论依据。3复合顶板结构稳定性分析如图2 所示,当顶板刚好在支架上方或前方断裂时,悬臂梁不可避免地发生断裂失稳,在支架的反复运动下,悬臂梁将发生旋转失稳。如果仅悬臂梁失稳,支架仅承担顶煤、直接顶、悬臂梁的重量和失稳载荷4。忽略关键层间的作用力,支架静载荷计算公式如下:(1)式中:Q.为静荷载;c为支撑作用点到煤壁的距离,m;P
9、为下部关键层第i块岩石的重量和荷载,kN;l.和h;为下部关键层厚度和长度,m;为岩石的断裂角度;La、h.和h.为支架、顶煤厚度、顶板直接厚度的控制距离,m;和为顶煤和顶板直接体积重,kN/m主关键层亚关键层煤层图2岩层静态失稳示意图上关键层下关键层煤三图3岩层动态失稳情况JinnengndTechnology2023年第3 期30晋控科学技术当顶板断裂位置位于支架上方或前方时,下部梁上部梁结构失稳引起冲击显现。由于岩块之间的摩擦挤压作用,坚硬顶板关键层破碎形成拱梁结构。如图3 所示,如果中下部梁结构产生裂缝,上部关键层块体不作用于下部梁结构,下部梁结构的极限裂缝跨度较小。忽略关键层间的相互
10、作用力,可计算出岩层对支架动荷载为:Q,=K,B(ZP(2-4L,tan(:-.)+L.hama+L.h.y.)(2)2(h,-8.)=1式中:Q。为动荷载;8.为下部拱梁结构关键层中铰合岩块B1的下沉量,m;:为下部关键层第i层铰接块体之间的摩擦角;,为岩石的断裂角度悬臂梁结构压裂后,采空区后方有更大的旋转空间,其自由端破碎块体不受约束。下部悬臂梁结构的极限断裂跨度大于或等于上部悬臂梁宽度,由于荷载系数的大小,两者都可能产生严重的冲击现象,下部悬臂梁结构失稳的冲击荷载将远远大于上部悬臂梁。4复合结构的水力压裂技术工作面顶板冒落带高度为3 5 m左右,砂质泥岩直接充填极为困难。上覆岩层较为坚硬
11、,上覆岩层断裂对工作面矿压显现产生影响。如果上覆岩层的组合结构突然断裂失稳作用在支架上方或支架前方,则容易产生严重的冲击地压事故。水力压裂孔水力压裂水力压裂汇C老顶底板图4水力压裂示意图根据自重应力原理,压裂水压设为4 0 MPa,试验区长度为2 0 0 m,走向和倾斜的距离均为2 0 m,每排设计1 0 个钻孔。每隔1 0 m布置一组钻孔,每组钻孔包括三个钻孔,分别为孔A、孔B、孔C。孔A和孔B主要用来压裂端头悬顶,呈三花布置,孔B和孔C主要用来压裂煤柱上方顶板,呈扇形布置。其中,孔B同时兼顾端头悬顶和巷道压裂的作用。钻孔A贴左帮平行巷道向采空区方向施工,开孔位置距离巷帮3 0 0 mm,仰
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