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厚煤层综放工作面覆岩破断及矿压显现规律分析

2025-02-11 49 上传者：管理员

摘要：为掌握厚煤层综放开采矿压显现规律，以021N2综放工作面为背景，建立基本顶结构力学模型，以最大拉应力为破坏准则，理论计算得到工作面初次来压步距为24.41～39.44 m，周期来压步距为12.37～16.93 m。采用KJ21矿压监测预警系统对支架工作阻力、初撑力、工作阻力分布频率进行动态监测分析可知：工作面呈现大、小周期来压特征，平均周期来压步距分布在10.1～16.0 m，来压动载系数平均为1.71。支架平均末阻力分布在4 034.13～4 896.12 kN，支架初撑力合格率较低，工作阻力频率分布峰值位置位于3 000～4 000 kN，占比为36.26%，支架选型能够满足安全开采的要求。

关键词：
厚煤层
煤炭资源储量
矿压显现
综放开采
覆岩结构
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据统计,在我国已探明煤炭资源储量中,厚煤层占比在50%左右[1]｡随着采矿设备的升级与进步,厚煤层开采也逐渐受到煤炭生产者的广泛关注｡但厚煤层开采由于其一次采出空间较大,开采扰动强度高,极易造成煤壁片帮､压架甚至冲击地压事故[2-4]｡大量研究表明,厚煤层综放开采矿压显现与工作面的推进速度､煤层厚度､顶底板岩性等因素密切相关｡研究人员通过多重手段,综合研究了厚煤层开采矿压显现的时空分布规律､提出针对性的采场矿压控制技术｡张玉军等[5]基于大量实测数据,回归得到了我国厚及特厚煤层高强度开采导水裂缝带高度预计公式｡潘一山等[6]对厚煤层开采过程中的动力灾害进行了深入研究,为预防和控制矿压灾害提供了重要指导｡王家臣等[7-8]通过实验室测试和现场监测,深入分析了岩层变形､破断运动特征及其对矿压显现的影响,为厚煤层开采过程中的矿压控制提供了理论依据｡窦林名等[9-10]通过分析厚煤层开采过程中的应力变化和矿压显现规律,提出了针对性的防治措施,有效降低了冲击矿压的发生概率｡

本文以021N2工作面为研究背景,运用理论分析与在线矿压监测综合研究手段,对工作面回采期间顶板破断规律以及矿压显现规律进行研究,分析了回采期间支架工作阻力､来压动载系数､支架初撑力等数据,为相邻工作面安全高效开采及类似地质背景下的支架选型提供有益参考｡

1、工程概况

021N2工作面位于一采区,南起一采区运输下山,北至F号断层,东为西天煤矿露采境界保护煤柱线,西为021N2运输顺槽｡工作面走向长度1123m,倾向长度平均84.9m,地面标高+476.7~+546.5m,井下标高+317.1~+361m,工作面西侧为021N1采空区,东部为实体煤,工作面布置,如图1所示｡021N2工作面开采煤层为采区北翼1煤层第1分层,煤层结构非常复杂,有夹矸1~11层,煤层层理较发育,夹矸以薄层泥岩为主,中砂岩次之;工作面范围内煤层最小厚度4.19m,最大厚度8.42m,平均厚度6.12m｡煤层倾角11°~21°,平均16°,21N2工作面煤层顶底板情况,如表1所示｡021N2工作面采用综合机械化放顶煤开采,单轮间隔多口放煤,采放比为1∶1.19,放煤步距为0.6m｡工作面配备ZF7600/16.5/32D型低位放顶煤液压支架,ZFG7600/18/31D型过渡液压支架支护顶板,下端头使用ZT10000/17/33A型端头支架支护｡

图1021N2工作面布置图

表1煤层顶底板岩性特征

2、基本顶来压步距理论分析

2.1采场覆岩破断结构特征

工作面回采后,采空区后方在上覆岩层荷载作用下,基本顶产生弯曲下沉,当达到极限跨距时,基本顶产生O-X破断结构,如图2所示｡

图2采场基本顶破断结构

根据关键层理论,厚硬岩层的变形会带动其上覆随动岩层同步运动｡假定厚硬侧向悬顶上部荷载均匀分布,基本顶上覆荷载厚硬悬顶上方上覆岩层的载荷集度

式中hi———厚硬悬顶上方各随动岩层的厚度,i=

2.2基本顶初次破断

基本顶初次破断前,可以将其简化为固支梁结构,基本顶初次破断前力学分析模型,如图3所示｡

图3基本顶固支梁结构模型

由于水平应力分量为拉应力,且岩石材料抗压而不抗拉的力学特性,因此,将基本顶定义为受拉破断｡根据弹性力学相关原理,基本顶固支岩梁任意一点的水平应力分量[11]

根据021N2工作面生产地质条件,利用Mathmatica12.0软件将基本顶水平应力分量绘制应力云图,如图4所示｡

图4基本顶固支梁水平应力云图

由图4可知,基本顶固支梁横截面上水平应力对称分布,在上表面上水平应力最大,可以得到

根据材料力学最大拉应力破坏准则,基本顶固支梁产生破断的极限跨度应满足

式中[σ]———基本顶抗拉强度｡

由式(4)可以得到基本顶初次破断步距

由式(5)可知,基本顶初次破断步距与基本顶岩层厚度h､上覆岩层载荷及基本顶抗拉强度密切相关｡

利用单一控制变量法,对基本顶初次破断步距影响因素进行分析,如图5所示｡

图5基本顶初次破断步距影响因素

由式(5)及图5可知:基本顶初次破断步距与基本顶厚度､基本顶抗拉强度呈正相关,与上覆岩层荷载呈现负相关｡随着基本顶厚度及基本顶抗拉强度的提高,基本顶初次破断极限跨距增大,当采高较大,基本顶下位软弱岩层垮落后不能充满采空区时,基本顶初次破断步距过大时,动载导致冲击危险性高,需提前采取应对措施,弱化基本顶力学性能,促使其能够在工作面煤体采出后及时垮落或减小初次破断步距,保证工作面安全高效生产｡

2.3基本顶周期破断

基本顶初次破断后,随着工作面推进,基本顶呈现周期性破断｡基本顶周期破断前,可以将其简化为工作面前方固支,采空区侧受矸石支撑(悬露)的悬臂梁结构,基本顶周期破断步距力学分析模型,如图6所示｡

图6基本顶周期破断力学模型

根据力学平衡及边界条件,基本顶悬臂岩梁水平应力分量[12]

基本顶周期破断步距满足

对基本顶周期破断步距影响因素进行分析,如图7所示｡

图7基本顶周期破断步距影响因素

由图7可知,基本顶周期破断步距随着基本顶抗拉强度和基本顶厚度的增加而增大,随着基本顶上覆载荷的增大而减小｡

根据021N2工作面生产地质条件,基本顶细砂岩厚度为3.9~6.3m,上覆岩层荷载为0.2MPa;基本顶抗拉强度为6MPa,代入式(5)及式(8)可以得到,021N2工作面初次来压步距为24.41~39.44m,周期来压步距为12.37~16.93m｡

3、矿压显现规律分析

3.1工作面来压判据

根据相关研究成果,定义液压支架的工作阻力平均值与其平均方差之和作为周期来压判定标准,即工作面周期来压判据

其中,液压支架循环末阻力的平均值

监测得到的液压支架工作阻力

3.2矿压显现规律

对021N2工作面2023年3月1日—2023年3月31日正常回采期间的矿压数据进行分析,工作面各支架周期来压判据及平均末阻力分布,如图8所示｡

图8工作面沿倾向方向平均末阻力及来压判据分布

021N2工作面各支架的平均末阻力分布在4034.13~4896.12kN内,平均为4525.97kN;工作面周期来压判据在5529.95~6834.75kN内,平均为6048.86kN｡

结合工作面推进度,对工作面各支架周期来压步距和动载系数进行了统计,如表2所示｡

表2工作面各支架来压步距统计

各支架平均周期来压步距分布在10.1~16.0m,工作面整体周期来压平均为11.9m;工作面周期来压步距整体较短,主要分布在5~15m内｡支架平均动载系数为1.64~1.84,整个工作面平均动载系数为1.71｡

3.3支架初撑力分布特征

支架的初撑力直接影响到支架的支护效果,合理的初撑力对防止顶板离层､工作面煤壁的片帮起着重要作用｡根据021N2工作面支架选型,支架前柱初撑力应不低于25.2MPa,支架后柱初撑力应不低于18MPa,据此统计工作面支架初撑力合格情况｡

图9工作面支架初撑力分布图

支架前柱初撑力合格率分布在44.03%~64.29%,平均为54.73%,工作面支架后柱初撑力合格率分布在13.16%~29.67%,平均为19.77%,工作面支架初撑力合格率较低,工作面需要进一步加强支架初撑力管理｡

3.4支架工作阻力分布特征

支架工作阻力频率分布能够很好地反映支架的工作状态是否在合理的工作区间,进而判断支架的适应性｡选取021N2工作面2023年3月1日—2023年3月31日的支架工作阻力数据进行统计各支架工作阻力频率分布特征,如图10所示｡

图10工作面支架整体工作阻力频率分布直方图

由图10可知,工作阻力在3000~8000kN内,所占百分比为94.18%;位于3000~4000kN,占比平均为36.26%,峰值大小约为额定工作阻力(7600kN)的52%;支架工作阻力在7000kN以上高工作阻力区间的占比平均为4.80%;工作面支架工作阻力频率分布整体呈现非正态分布,频率分布合理,支架额定工作阻力具有一定富裕系数,支架具有较好的适应性,支架选型合理｡

4、结语

(1)建立基本顶破断力学模型,理论计算得到021N2工作面初次来压步距为24.41~39.44m,周期来压步距为12.37~16.93m｡

(2)根据监测结果,021N2工作面各支架的平均末阻力分布在4034.13~4896.12kN,各支架平均周期来压步距分布在10.1~16.0m,工作面支架初撑力合格率较低,需加强管理｡

(3)工作面工作阻力频率分布峰值位置位于3000~4000kN,占比平均36.26%,低工作阻力区间占比较高,高工作阻力区间占比较低,支架额定工作阻力仍具有一定富裕系数,支架选型能够满足安全生产要求｡

参考文献:

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