1试验工作面的工程地质条件
7816工作面位于邢台矿东翼八采区,走向长1000m,倾向长40~70m,工作面基岩柱厚17~51m(见图1),绝大部分覆岩厚30~40m。受古风化影响煤层顶板风化严重,强度低,均属于软弱一极软弱型顶板;工作面下部为F10-1断层,落差25m,上部为F21边界断层,工作面位于F10-1断层的下盘。由于两断层的存在,岩层被切割成一块独立的岩体,使工作面处于地质断裂构造抬升部位,造成7816工作面顶板压力过大,给采掘造成极大困难;其所采煤层是2#煤层,为一复杂结构的稳定厚煤层,倾角40~180。
2试验内容
对7816工作面采用综放开采,“两带”高度不能应用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采的规程》分层开采的预计方法来评价;由于该矿露头区综放开采试验工作面冲积层厚达300m以上,作为观测段的基岩厚度又薄,达不到采用传统钻探方法观测“两带”高度的要求,这里采用有限差分法计算和相似材料模型试验对综放开采覆岩破坏“两带”高度进行试验研究。
2.1 工作面采动破坏与有限差分法模拟分析
应用数值模拟软件对邢台矿7816综放工作面在采高2.6m、放煤高度3.8m时,顶煤顶板垮落状态进行模拟分析,分别按照工作面推进距离为16、32、48、56、64、72、80和88m时进行分析计算,得出裂隙发育区域顶端距离煤层底板的距离。其跨落高度和裂隙发展高度见表1,模型建立及破坏后的形态见图2。
从表1可以看出,根据目前关于工作面顶板垮落带和裂隙带高度的计算规定,可以得到邢台矿2#煤层综采工作面顶板垮落带高约20.5m,而裂隙带高约36m。
2.2相似材料模拟试验
为了取得开采后覆岩破坏产生的“两带”高度,针对邢台矿7816工作面的采矿地质条件,采用平面应力模型架,模拟采深290m,其中岩柱高74m、松散层高216m、煤厚6.4m。模型的几何尺寸为2.4m×0.4m×2m,按照1:100比例系数进行模拟,见图3。相似模拟试验结果分析:
——煤层上覆岩层破坏特征及导水裂隙带的最大高度。下分层(采高2.6m)开采后,当工作面采至距切眼22m时,直接顶开始冒落,冒高2m,裂高4m。随着工作面推进顶板冒高及裂高逐渐增大;采至距切眼42m,老顶开始初次垮落,此时冒高9.5m,裂高22 m;待采至距切眼54m时,老顶开始__次周期来压;采至距切眼66m时,老顶第二次周期来压,老顶周期来压步距为12m。之后老顶每隔12m左右垮落一次。下分层采后间隔一天开始放顶煤,放煤高3.8m,累计采厚6.4m。工作面开采20m后开始首次放顶;采至40m时老顶垮落,冒高13.5m;采至60m时冒高21.3m,裂高36.3m。裂高随工作面推进距离的关系见图4~7。
——煤层上覆岩层位移变化规律。位于切眼外煤柱上方顶板内部的位移随着工作面开采变化量很小,最大位移量为47m。同样具有距煤层往上越远位移量越小,越靠近煤柱内部位移量越小的规律。
顶板上部不同位置上顶板的最大下沉系数见表2。
——顶板应力变化规律:1)位于煤柱区的顶板应力一直处于逐渐增压的状态下;2)位于切眼处的顶板压力一直处于逐渐降压的状态下;3)位于下沉推进状态下的顶板应力处于采前增压、采后降压及逐渐恢复状。
3类比法分析
兴隆庄矿在巨厚含水砂层下进行综采覆岩破坏高度观测研究,分析得出了中硬覆岩条件下综采工作面分层开采的覆岩破坏高度,其顶分层的冒采比和裂采比分别为3.6~6和9.5~12.8,而邢台矿7816工作面顶板为软弱覆岩,按前述方法计算,7816工作面冒采比应分别为2.3~3.8和4.7~6.4,工作面回采率按80%计算,即最大冒落高度19.38m,最大裂隙高32.64m。
4覆岩“两带”高度结果分析
露头区防砂防塌煤柱综放开采后,通过理论分析计算、相似模拟试验和类比法得出覆岩破坏所产生的冒落带、导水裂隙带的高度值,结果见表3。
综上所述3种方法,7816综放工作面最大冒落高度范围19.4~21.3m,最大裂隙高34.5~36.3m。由此确定综放开采条件下防水、防砂、防塌煤柱高度,制定了分阶段阶梯式限厚放顶煤开采方案,决定在基岩厚>25m的块段采用全厚放顶煤开采,基岩柱厚15~25m的块段限厚放顶煤开采,确保了7816综放工作面的试采成功。
5结语
通过对综放开采露头区防砂防塌煤柱覆岩破坏高度的有限差分模拟、相似模拟试验和类比法分析,确定了该复杂地质条件下覆岩“两带”的高度,并作如下结论:
——露头区防砂防塌煤柱综放开采后,覆岩的“两带”高度不遵循“三下”《规程》中“两带”高度的计算方法;——采用有限差分模拟、相似模拟试验和类比分析相结合的分析方法,可确定出该条件下覆岩“两带”的破坏高度范围,最大冒落高度范围19.4~21.3m,最大裂隙高度34.5~36.3m;——确定了综放开采条件下防水、防砂、防塌煤柱高度,制定了分阶段阶梯式限厚放顶煤开采方案,以确保7816综放工作面的试采成功,对类似工程地质条件下的其它矿区也有一定的借鉴作用。