首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 工程综合论文 > 矿业工程论文 > 厚煤层采煤工作面“三带”高度的研究及应用

厚煤层采煤工作面“三带”高度的研究及应用

2025-02-09 145 上传者：管理员

摘要：为解决工作面传统“三带”高度理论计算适用性问题，以关键层理论、“S-R”失稳理论为基础，结合岩梁的变形特征，提出了一种新的工作面采空区“三带”高度判断方法，并在北辛窑煤业8406工作面使用。结果表明：8406工作面上覆岩层垮落带、断裂带、弯曲下沉带高度分别为5.03 m、22.72 m、11.31 m,由于工作面断裂带达到K3砂岩断裂含水层，因而8406工作面在回采时，顶板会发生淋水情况，此外，从当前的计算结果看，工作面的开采并未影响到地表。新的计算结果与工作面实测结果相同，研究成果对该工作面的回采具有一定的指导意义。

关键词：
“三带”高度
上覆岩层
工作面回采
断裂带
采煤工作面
加入收藏

工作面回采后,在采空区上方,由下至上,依次会形成“三带”,即垮落带､断裂带､弯曲下沉带,国内外学者对“三带”高度多采用理论研究､数值模拟､现场实测及相似模拟试验等方法进行研究,在实际工作中,理论研究多以经验公式为主,但实践证明[1-2],许多煤矿放顶煤开采的断裂带高度实测结果与《建筑物､水体､铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中预计方法的结果存在较大的差异,经验公式的适用性是值得商榷的｡

关键层理论提出后,为工作面采空区“三带”高度的研究指明了一个新的方向,为此,国内学者们[3-4]做了大量的研究工作,许家林等[5]､伊茂森等[6]提出当关键层与回采煤层距离为7~10倍采高时,导水断裂带高度应达到与工作面距离10倍采高最近的关键层层位,通过与中厚煤层及厚煤层开采实测值的对比,认为基于关键层理论确定导水断裂带高度更接近实测值,但没有给出具体的理论计算方法｡许斌[7]综合采高､开采范围､覆岩力学性质等因素,提出含硬厚岩层覆岩“三带”判别方法,但未涉及复合关键层以及弯曲下沉带的理论计算｡

综上所述,依赖于一次采全高进行导水断裂带高度的传统判断法适用范围受限,且当前采用关键层对工作面“三带”的判断还不完善,本文以关键层理论､“S-R”失稳理论为基础,结合岩梁的变形特征,实现了垮落带､断裂带､弯曲下沉带的高度计算,可适应复杂条件下的“三带”计算｡

1、工作面上覆岩层“三带”判定方法

1.1覆岩关键层位置的判别

工作面上覆岩层中关键层控制着岩层的运动与破坏,关键层对工作面“三带”高度具有重要影响｡根据关键层[8-9]的定义及变形特征,在关键层变形过程中,其所控制上覆岩层随之同步变形,而其下部岩层不与之协调变形,因而它所承受的载荷已不再需要其下部岩层来承担,如图1所示｡

图1工作面采空区“三带”示意

通过式(1)计算出可能的关键层｡

式中:qn+1,qn分别为计算到第n+1层与第n层时,第1层关键层所受的载荷｡在满足式(1)的基础上,上覆岩层若为关键层还应满足下层硬岩层的破断距小于上层硬岩层的破

式中:hi为第i层关键层及其上覆载荷层的厚度,m;m为垮落带中关键层层数;n为垮落带与断裂带中关键层层数总和;k1为垮落带中岩层残余碎胀系数[10],取1.33;k2为断裂带中岩层碎胀系数[10],取1.15;k3为弯曲下沉带中岩层的碎胀系数,取1.05.

根据砌体梁理论,关键块的最大下沉量为:

式中:lj为第j层的破断距,m;k为式(1)确定的硬岩层号｡

同时满足式(1)､式(2)的岩层为工作面的关键层｡

1.2“三带”位置的确定

1)垮落带高度的计算｡将煤层上方所有岩层按1.1中的方法进行计算,确定工作面关键层的位置｡工作面回采后,采空区上覆第一个关键层是否形成垮落带,则需查看该关键层能否满足“S-R”稳定理论的两个条件,如该关键层不满足保持稳定的两个条件,则为垮落带,反之则为断裂带或弯曲下沉带｡

条件1:在不考虑断裂面与垂直面之间的断裂角,结构不发生滑落失稳的条件为:

式中:φ为岩块间的摩擦角,°,一般取38°~45°,tanφ取0.8~1;h为岩块厚度,m;L/2为岩块长度,m.

条件2:由于关键岩块的回转变形是不可阻止的,直至该硬岩触碰到下方垮落岩石,因而结构不发生变形失稳的条件为:

式中:△i为第i层关键层距与下方岩体的距离,m;∧i为关键层i的砌体梁回转岩块保持稳定允许的最大回转高度,m.

根据上覆岩层垂直方向的运动规律,可以将关键层与下方岩体的距离△i划分为3个不同的阶段,各阶段的求解方法如下:

式中:∧i为关键层i的关键块B､关键块C相互咬合处的最大下沉量,m;σc为抗压强度,MPa;σt为抗拉强度,MPa;K为岩块挤压强度与抗压强度比值,一般为1/2~1/3;q为岩块所承受的单位面积载荷(包括自重),kN/m2;K=σp/σc;n=σc/σt;σp为岩块间的挤压强度,MPa.

如果关键层不能同时满足式(3)､式(4),则该关键层为垮落带,同理,可继续向上推导其他关键层是否会发生垮落,则垮落带高度为H1=∑mi=1hi.

2)断裂带高度的计算｡若关键层同时满足式(3)､式(4),且与下方岩体的距离△i满足:

式中:Yi-max为该关键层i的最大挠度,m.

则该关键层i为断裂带,同理,可继续向上推导其他关键层是否会发生断裂,则断裂带高度H2=∑nj=m+1hi.

3)弯曲下沉带高度的计算｡若关键层i与下方岩体的距离△i满足:

则该关键层i为弯曲下沉带,同理,可继续向上推导其他关键层是否会发生弯曲下沉,直至下一关键层距下方岩体距离等于零或出现负值,判断结束｡则弯曲下沉带高度H3=∑ij=n+1hi.

2、工程概况

2.1工作面概况

北辛窑煤业8406工作面地表为丘陵,局部为耕地,其西部有恢河､公路和铁路,已留设恢河1km保护煤柱｡8406工作面主采2号煤层,位于4采区,两条巷道呈近东西方向布置,切眼呈近南北方向布置｡其北部为8405工作面采空区,东部和南部均为实煤区,西部为南翼三条大巷,均已开拓到位｡该工作面埋深230m,倾向长度192m,可采走向长度1380m,煤厚平均7.6m,采用放顶煤开采,采高3.3m,放煤厚度为4.3m,倾角平均12°.直接顶为砂质泥岩,厚层状,厚0.28~7.69m;老顶为中砂岩,中粒砂状结构,厚2.85~12.68m;直接底为砂质泥岩,泥质结构,厚0.75~7.92m;老底为中细砂岩,中细粒砂状结构｡

根据相关地质资料及实际施工情况分析,2号煤顶板砂岩(K3)富水性弱-中等,但孔隙裂隙发育,连通性好,渗流畅通,径流条件较好;另外,工作面南､北邻近位置均有大落差断层发育,断层及其伴生裂隙是很好的导水通道,易沟通煤层顶板K3砂岩和底板砂岩裂隙含水层,造成工作面出水,应引起重视｡

通过确定8406工作面采空区“三带”高度,可分析工作面是否受顶板含水岩层的影响,及时采取相应的措施,同时可得到工作面回采过程中对地表产生的影响｡

2.28406工作面“三带”高度的理论计算

1)工作面关键层分析,2号煤层覆岩载荷计算过程见表1.

表12号煤层覆岩载荷计算过程

通过表1中的计算结果可知,上覆岩层50m范围内有可能成为关键层的硬岩层位置为第1层､第2层､第5层､第6层和第9层｡

按两端固支梁情况,分别计算第1层､第2层､第5层､第6层的破断距,则破断距分别为20.9m､37.2m､34.1m､59.3m.因此,第2层和第5层会出现关键层的复合破断,当产生复合破断的关键层临近开采煤层而成为基本顶时,由于复合破断关键层一般一次破断岩层厚度较厚,作用在“砌体梁[10]”岩块B上载荷较大,容易出现滑落失稳,会引起工作面来压显现的增强｡

由计算结果可知,8406工作面上覆岩层中,同时满足式(1)和式(2)的岩层分别为第1层､第2层､第6层,即8406工作面上覆岩层50m范围内的关键层为第1层､第2层､第6层｡

2)“三带”高度的分析由于该工作面采用垮落法管理顶板,因而第1层泥岩属于垮落带,至于上覆岩层中是否还有岩层属于垮落带,则需对上覆岩层关键层是否满足“S-R”稳定理论的两个条件进行分析｡通过计算可知,第2层中砂岩满足滑落失稳条件,同时,由式(5)计算可得,第1层泥岩垮落后,垮落带与上覆岩层的空隙△2=1.94m.由式(6)计算可得,第1层泥岩垮落后,第2层中砂岩的保持稳定的最大下沉量∧2=5.86m.可以得出∧2>△2,因此,第2层位的中砂岩为该工作面第1亚关键层,属于工作面“三带”中的断裂带,由于第5层位断裂步距小于第2层位,如果第5层位仍可发生断裂,则第2层位的中砂岩与第5层位的泥岩将产生关键层的复合断裂,因而应先判断第5层位岩石是否会发生断裂｡通过岩梁的挠度公式,可计算第5层位岩石断裂时最大挠度为0.0013m,由式(5)可知,第2层中砂岩断裂后,第5层泥岩与下方断裂带的空隙为0.02m,且大于第5层位岩石断裂时最大挠度0.0013m,则第5层岩石为断裂带｡由式(8)计算得到0

因此,通过计算可知,8406工作面上覆岩层中,第1层泥岩发生了垮落,因而垮落带高度H1=5.03m,第2层砂质泥岩及第5层泥岩发生了断裂,因而断裂带高度H2=22.72m,第6层中砂岩形成弯曲下沉带,因而弯曲下沉带高度H3=11.31m.经分析可知,由于第2层中砂岩载荷层中含有K3砂岩断裂含水层,且第2层为断裂带,因而8406工作面在回采时,顶板会发生淋水情况;对于一定地质条件和开采范围而言,覆岩“三带”高度是相对稳定的,因此从当前的计算结果看,工作面的开采影响并未影响到地表｡

3、结语

1)由于一次采高进行导水断裂带高度的传统判断法适用范围受限,因而,基于关键层理论､“SR”失稳理论,结合岩梁的变形特征,提出了一种新的工作面采空区“三带”高度判断方法｡

2)经计算,8406工作面上覆岩层垮落带､断裂带､弯曲下沉带的高度分别为5.03m､22.72m､11.31m.

3)由于第2层中砂岩载荷层中含有K3砂岩断裂含水层,且第2层为断裂带,因而8406工作面在回采时,顶板会发生淋水情况;对于一定地质条件和开采范围而言,覆岩“三带”高度是相对稳定的,因此从当前的计算结果看,工作面的开采并未影响到地表｡

参考文献:

[1]倪兴华,郑远任,谢业良,等.综采放顶煤工作面覆岩冒裂带高度观测研究[J].煤矿开采,1996(S1):53-57.

[2]昝雅玲,吴慧琦.《矿区水文地质工程地质勘探规范》附录F经验公式适用条件的探讨[J].科技情报开发与经济,2010,20(34):220-221.

[3]常西坤.深部开采覆岩形变及地表移动特征基础实验研究[D].青岛:山东科技大学,2010.

[4]张麒,杨博.大采高坚硬顶板综采面覆岩破断规律及强矿压特征[J].煤,2023,32(6):91-94.

[5]许家林,王晓振,刘文涛.覆岩主关键层位置对导水断裂带高度的影响[J].岩石力学与工程学报,2009,28(2):380-385.

[6]伊茂森,朱卫兵,李林,等.补连塔煤矿四盘区顶板突水机理及防治[J].煤炭学报,2008,33(3):241-245.

[7]许斌.巨厚坚硬岩层覆岩结构与采动效应特征研究[D].青岛:山东科技大学,2019.