急斜煤层综放工作面顶板变形特征范文

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《采矿与安全工程学报杂志》2015年第六期

急倾斜特厚煤层综放开采中，顶板的破断方式、矿压显现与缓斜水平煤层区别很大，研究急倾斜煤层综放工作面顶板的变形特征，对工作面的顶板治理、强制放顶、靠顶板侧巷道的支护设计、动力灾害的预报有重要意义。屠洪盛等利用弹性薄板理论，建立了薄板力学模型，得出急倾斜工作面采用充填法的顶板变形挠度方程以及上部顶板和中下部冒落矸石接触处首先出现拉伸破坏或剪切破坏的结论；王港盛等运用梁式理论对采空区充填后的顶板进行分析，并给出顶板挠曲线计算公式；张嘉凡等应用Kirchhoff薄板理论，运用能量法得到顶板挠度的解析表达式，分析了煤层倾角、水平分段高度和基本顶厚度对顶板挠曲变形的影响；鞠文君等通过对急倾斜特厚煤层综放开采的基本顶破坏特点分析，建立了悬臂梁式基本顶力学模型，推导出基本顶岩层悬臂梁能量表达式。上述学者对急倾斜煤层顶板的变形特征进行了较充分的分析研究，但较少考虑顶板与工作面上部残留煤体的相互作用。本文以乌东煤矿北采区45#煤层为背景，以理论分析为主和数值模拟、现场监测为辅的研究方法，建立工作面顶板梁结构力学模型，得出顶板的挠度计算公式，最后结合工程实例，对工作面顶板进行分析计算，得到顶板变形特征以及在不同工作面顶板倾斜长度下的顶板变形特征。

1工程背景

乌东矿区分为南北采区，其中北采区位于八道湾向斜北翼(七道湾背斜南翼)，基本构造形态呈一向南倾斜的单斜构造。煤层走向北东67°，倾向南东157°，煤层倾角平均45°。煤层顶板为块状粉砂岩夹有少量细砂岩，硬度较大、稳定性好，煤层直接底为厚达7.0~10.0m的泥岩段。主采煤层水平宽度为20.0~50.0m。由于煤层和顶板的倾角接近自然安息角，使顶板与煤体自然垮落难度增加，水平分段综放开采是该矿区采煤方法的主导，放顶煤工作面割煤高度3.0m，水平分段高度在15.0~30.0m，乌东煤矿井田剖面如图1所示。

2工作面覆岩受力结构分析

2.1工作面覆岩结构模型倾角45°~90°的煤层为急倾斜煤层，急倾斜煤层的综放开采和赋存环境加剧了工作面采场结构与应力演化的复杂性。与缓斜煤层不同，急倾斜特厚煤层综放开采的工作面长度为煤层水平宽度，由于综放开采是按照一定的采放比开采的，就存在部分顶煤弱化不充分加之在开采时会留一部分顶煤不进行爆破弱化，因此有部分顶煤不会被充分放出，此顶煤阻碍了上一阶段的残留煤体以及矸石(顶板垮落和地表回填)沿底板倾斜方向的滑落，使“顶板-残留煤体-底板”形成一个空间，其工作面赋存环境如图2a所示。在小变形的前提下，为简化计算，将顶板底端简化为固定端约束；不考虑顶板与顶煤之间的相对运动，将顶板与顶煤连接点简化为固接，作用在顶板上的地应力简化成垂直作用在顶板上的均布载荷q1，最终，在底板与残留煤体形成稳定铰接结构且不考虑滑落煤矸对顶板支撑作用的前提下，可简化成顶板与工作面上方残留煤体的梁结构力学模型(图2b)。残留煤体刚度为E2I2，长度为煤层水平宽度l2，受到均布荷载q2的作用。顶板刚度为E1I1，l1为顶板倾斜长度，煤层倾角为α，受到均布荷载q1的作用。在小变形的条件下，图2b由叠加原理分解为如图3a所示残留煤体受均布荷载q2作用和顶板只受q1作用的情况。残留煤体受均布荷载q2作用下，解除底板给残留煤体的约束并用广义力x1和x2代替得到如图3b所示的基本体系。

2.2顶板变形参数计算乌东煤矿北采区+575水平工作面的埋深为H1，取145.0m；α为煤层倾角，取45°；垂直作用于顶板的q1在考虑构造应力的情况下q1=γH1(cosα+λsinα)，γ为上覆岩层平均容重，取20kN/m3；λ为侧压力系数，取0.3；由现场经验可知残留煤体平均厚度为3.0~5.0m，则E2I2取2.25×104MPa•m3；E1I1取9.0×104MPa•m3；煤层厚度l2取35.0m；顶板的倾斜长度l1取35.0m；k取4；垂直作用于残留煤体的q2=0.2γH2；H2=H1-l1sinα。将以上力学参数代入方程(8)可得到乌东煤矿北采区顶板变形曲线如图4a所示。如图4a，顶板的最大变形位于顶板沿倾斜方向的中上部，当倾斜长度l1大于20.0m时曲线的增速明显变大；工作面顶板倾斜长度为35.0m时，最大的变形出现在20.0m左右，最大变形量约为600.0mm。为得到顶板的倾斜长度对工作面顶板变形的影响，在煤层倾角为45°的条件下，将顶板倾斜长度为25.0，30.0，35.0m依次代入式(8)得不同顶板倾斜长度下顶板变形曲线，如图4b，倾斜长度为25.0，30.0，35.0m时的最大变形量分别为220.0，350.0，600.0mm；随顶板倾斜长度增加，顶板变形量增大，顶板变形曲线增速依次增大，最大变形位置沿顶板倾斜方向向上移动，并保持在中部偏上。

3顶板变形特征验证

3.1数值模型计算根据乌东煤矿45°煤层+620水平西翼工作面的开采布置，设计了FLAC3D的数值计算模型。模型中水平方向代表工作面倾向，垂直方向代表埋藏深度。为便于较好地表示开采范围，将+620水平和+630水平特别用颜色表示区分出来，开采时将这两部分的煤层挖去并计算模拟煤层的开采。图5反映了开采前后顶板岩层的变形特征。分析表明：随工作面推进，顶板悬空面积逐渐增大，在高阶段放顶煤的开采扰动下，工作面上部煤岩体的运动演化愈加剧烈。在覆岩载荷的作用下，顶板与残留煤体间相互固接，形成“顶板-残留煤体-底板”的梁结构。由于顶板的垂直应力分布呈现出由中部向两端递减的特征，顶板沿倾斜方向的下沉位移变形量随时间推移不断增大；工作面顶板发生了倒“拱形”的挠曲变形，工作面顶板中上部变形量最大；变形区域从顶板中部向外部扩展，在靠近梁结构支点处的顶板变形则相对较小。当围岩的承载能力达到极限时，梁结构将发生失稳。

3.2现场监测实证地质雷达是利用高频电磁波在地下介质中的传播差异性揭示地下介质特征和结构的地球物理方法。由于覆岩载荷的作用，顶板发生变形，使顶板岩层裂隙发育明显，故雷达所发射的高频电磁波在受载荷岩层中传播遇到裂隙等目标体时，因其与周围岩体存在电性差异而产生反射波被接收形成雷达探测图像，从而确定覆岩变形区域，最终根据介质的电性和物性差异实现对所测区域的立体探测。本文采用美国进口的SIR-20专业型地质雷达，对乌东煤矿北采区+575水平南巷工作面顶板塑性区进行监测，来反演顶板变形情况。监测方案如图6所示，监测参数见表1。从图7a可看出在倾向0~3.0m范围内扫描图颜色已发生明显变化，波形出现紊乱，表明该区域内顶板发生明显变形，即该区域内岩体裂隙相对较发育；在3.0~14.0m范围内扫描图颜色变化不像0~3.0m局部变化那么明显，但整体比较混乱，表明在该范围内顶板变形整体比0~3.0m范围内的大；20.0~40.0m范围内颜色变化较小，波形整体变化较小，则此范围内顶板变形较小；在14.0~20.0m范围内(橙色范围)局部颜色变化非常明显，反射率较强，存在明显的波形变化分界面且波形整体发生较大的紊乱，判断此范围内顶板变形比0~14.0m以及20.0~40.0m范围内的变形大；从图7b也可看出在14.0~20.0m范围内(橙色范围)顶板变形比其他区域的变形都大。分析表明，顶板中部偏上区域的变形比其他区域较大，即与理论分析和数值模拟结果基本一致。

4结论

1)基于急倾斜特厚煤层水平分段综放开采的特征，建立了顶板力学模型，得出急倾斜特厚煤层综放工作面顶板挠曲变形方程，方程表明顶板变形随刚度以及倾角增大而减小。2)分析表明乌东煤矿北采区工作面顶板倾斜长度为35.0m时，最大的变形出现在20.0m左右，最大变形量约为600.0mm；随顶板倾斜长度的增加，顶板最大变形量增大，顶板变形曲线的增速依次增大。3)顶板的垂直应力分布呈现出由中部向两端递减的特征，变形区域从顶板中部向外部扩展；工作面顶板中上部变形量最大，在靠近梁结构支点处的顶板变形相对较小。

作者：来兴平 李云鹏 王宁波 刘永红 闫鹏佳 单位：西安科技大学能源学院 教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室 中国矿业大学矿业工程学院