浅埋煤层采场上覆岩层运动分析及支架阻力研究

浅埋煤层采场上覆岩层运动分析及支架阻力研究依托导师国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2013CB227903),结合

我国能源中长期发展战略规划预测了中国煤炭产量的发展趋势和科学产量,2025年前煤炭资源依然占据着能源生产结构中的主体地位,合理煤炭产量为33～50

亿吨,科学煤炭产量2020年控制在40亿吨煤左右,2030年控制在45亿吨,其中

大部煤炭产量来自西部的浅埋煤层。同时高密度人口城市将面临“立体”发展模式,对地下空间的开发和充分利用,逐步成为衡量城市现代化的重要标志。未来十年是浅埋煤层开采和地铁建设的黄金时期。根据岩体的性能特征提出了地下岩层可能存在的结构形式和优先级别,论述移动下沉场和移动应力场的形成过程和空间分布。

拟合得到地表下沉盆地的发育过程和地表下沉计算公式,分析了采场开采过程中顶板岩层的不平衡力、位移、支承压力、速率场和主应力场的形成变化过程。得到采场上覆岩层结构的空间分布特征,找到采场压力的主要来源,推进过程中

的危险时期和危险区域,以便科学合理计算采场压力和利用矿山压力为我们服务。对比不同材料承重结构的应力、挠度和弯矩变形特性发现不同结构形式所具备的性能特征不同,地下岩层结构自然环境下蜕变路径为壳→拱、板→梁,由高级向低级蜕变。若要充分发挥材料自身的稳定性能,我们需要对其做功(支护),使材料的结构逆向发展路径为梁→拱、板→壳。

地下岩层抗压不抗拉,在工作面推进过程存在着壳→拱、板→梁结构或它们的组成形式,结构形式随工作面的推进而不断发展和变化。根据地表下沉盆地分布特征规律和采场压力变化特征提出地表移动下沉场和移动应力场两种结构模型。地表移动下沉盆地和移动应力场是一个逐渐形成的过程,在工作面推进π分之四倍埋深(4H/π)时形成。根据凉水井煤矿地质资料建立长×宽×高500m×400m× 120m三维大尺寸数值模型。

模拟采场自开切眼到地表充分采动过程中的地表下沉,对采场上覆岩层作主视、侧视、俯视剖面,再现开采过程中岩层位移场、速率场和应力场的形成和动态变化规律。地表下沉盆地俯视呈椭圆形分布,主视剖面(推进方向)下沉曲线形成过程可分为微变阶段、加速阶段、衰减阶段和充分采动四个阶段,分别得出不同推进距时的地表下沉量计算公式。移动下沉场在推进4H/π时形成,在开挖边

界前方实体煤一侧的影响范围H/π,采空区一侧的影响范围2H/π,形成的下沉盆地平底宽度为推进长度L-4H/π。地表下沉曲线的拐点起始位置均在实体煤一侧十倍采高(10M)以外,随工作面推进拐点向采空区一侧转移。

采空区侧向地表下沉拐点迅速向采空区一侧转移,在推进距H/π时偏移到

采空区一侧最大值8M,随后拐点偏移距逐渐回移最终稳定在采空区一侧3M。采空区前方和后方地表下沉曲线拐点偏移距在采场初次来压之前呈线性向采空区一侧转移,推进距为4H/π时后侧拐点徘徊在采空区一侧,偏移距等于采高M。地表前侧下沉曲线始终受到采动影响,拐点偏移距在采空区一侧5M～12M之间波动。对工作面走向下沉曲线拐点位置变化分析得工作面不同推进距离的计算公式,采空区后方拐点位置与推进距表现出指数函数关系,前侧拐点与推进距离表现出乘幂函数关系。

根据采场上方各层位岩层下沉形态和下沉曲线特征,结合工作面推进距L和采场埋深H的比值关系将采场上方岩层运动过程分为微变(≤H/π)、突变(H/π～3H/4)、过渡(3H/4～4H/π)、稳定(≥4H/π)四个变化区间。浅埋煤层顶板岩层表现出同步变形,微变阶段顶板变形量小,少量离层发育,岩层的位移和应力主要局限在直接顶区域。突变阶段顶板岩层位移开始表现出拱→梁→椭圆曲线的结构形式,空间分布为椭圆包裹的上拱下梁结构。过渡阶段不同层位岩层中的位移拱不同,越靠近煤层下沉值越大,拱高越低,矢跨比越小,称为扁拱或抛物线拱。

层位越高岩层位移值越低,拱的矢跨比越大,称为圆弧拱。岩层自下而上的拱结构形式为扁拱→抛物线拱→圆弧拱,当圆弧拱发育地表后,破断成椭圆曲线。工作面前方煤体移动支承压力在波动中上升,压力系数在1.5～3.4之间,峰值在煤壁前方0-35m之间来回波动。工作面中部压力普遍高于端部,与端部相比峰值压力和位置时而同步变化,时而相背离运动,表现出工作面来压显现的多样性。

超前支承压力的影响范围约等于埋深H,影响明显的区域为煤壁前方40m。工作面推进H/3-H/2时发生初次来压,推进πH/2中部压力达到最大值,推进距L∈(H,W)是工作面中部重点关注时期。端部位置工作面推进πH/4出现了局部最大值,即推进距πH/4和见方(L=W)时是工作面端部区域重点关注时期。移动速率场是由速率梁和速率拱组成,通常为下梁上拱结构。

梁长30m-45m,梁体内部的速率呈拱形分布,中部速率高于前后方。不同矢跨

比的速率拱作用在速率梁的位置不同,离层的存在使得速率梁远大于上方岩层的速率拱,速率拱-梁效应更加明显,进而对采场压力的作用程度不同。岩层速率自下而上不断递减,主视剖面呈椭圆分布,可近似看成倒梯形分布,底边长度(H/3～

2H/3),上边界地表长度(2H/π～4H/π),随工作面推进不断前移。对采场压力有速率影响的岩层范围为采空区后方H/2,采空区后侧3H/4以外的岩层速率已衰减为零。

直接顶岩层形成移动速率梁,梁长在23m-38m之间变化,速率大小随工作面

推进发生周期性波动,波动进度区间10～25m,步距平均17.5m。工作面实际生产中周期来压步距平均16m,周期来压明显,模拟结果和实际相符。移动主应力场和速率场的分布范围和变化规律较为相似,影响范围为煤壁前方35m,约等于H/π,在采空区一侧影响范围80m,约等于2H/π。主应力场和速率场在主视剖面呈椭圆、立体呈椭球状分布在采场上方,随工作面推进不断前移。

移动速率场拱口向上,而主应力场拱口向下,二者结合组成了移动应力场。根据10个浅埋煤层工作面的钻孔柱状图和开采技术条件,采用岩层的强度和厚度

与煤层的强度和采高比值大小,将浅埋采场上覆岩层划分为软薄岩层-Weak and Laminated Strata (WL)、软厚岩层-Weak and Massive Strata (WM)、硬薄岩层-Strong and Laminated Strata(SL)、硬厚岩层-Strong and Massive Strata(SM)四类结构岩层。然后采用采高(M)、采场埋深(H)、工作面长度(W)、(WL)、(WM)、(SL)、 (SM)7个影响因子对采场压力进行主成分分析和共线性分析,得知采场埋深H与(WL)、(WM)、(SL)、(SM)四种影响因子出现严重共线性重合,进而将7个影响因子分成采高、采场埋深、工作面长度模型1和采高、工作面长度、(WL)、(WM)、 (SL)、(SM)模型2两组因子模型。以采场支架压力为目标函数,分别对模型1和模型2进行多元回归分析得计算公式1和公式2,公式表明采场压力与采高、工作面长度和埋深表现出正相关,采高的权重大于工作面长度大于采场埋深。

应用分析表明公式1和2在浅埋深(H<400m)时可以得到较好地应用,公式1计算精度高于公式2。但是公式1局限于浅埋煤层使用,公式2可广泛应用于不同深度采场支架压力的计算。对采场压力计算公式采用VB程序编程得到液压支架阻力计算软件,绘出了支架压力与埋深、工作面长度和采高的对应关系。