急傾斜特厚煤層綜放面頂板運移特征綜合分析*

來興平，雷照源，李　柱

(1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；2.教育部 西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西 西安 710054；3.神華新疆能源有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830027)

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急傾斜特厚煤層綜放面頂板運移特征綜合分析*

來興平1，2，雷照源1，2，李柱3

(1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；2.教育部 西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西 西安 710054；3.神華新疆能源有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830027)

以45°急斜特厚煤層綜放工作面頂板煤巖穩(wěn)定性控制為目標，采用現(xiàn)場調查、數(shù)值計算和現(xiàn)場監(jiān)測等方法，綜合分析了開采擾動影響下頂板應力和運移規(guī)律及演化過程，實施了分段缷壓控制技術措施。研究表明：在開采擾動下，急傾斜煤層頂板巖體與煤層共同變形，相互影響，應力集中區(qū)約為30 m，在頂板傾斜長度30 m附近應力與變形顯著，頂板巖體動態(tài)變形呈現(xiàn)“V”結構，在傾斜長度20 m左右應力釋放不充分，易誘致動力災害?，F(xiàn)場采用了能反映電磁波與巖體破碎特征對應關系的井下智能雷達探測，評價結果表明，分段卸壓技術措施實施后，綜放面頂板巖體破碎連續(xù)，隨工作面推進不會造成頂板大面積懸空，這為現(xiàn)場安全開采提供了科學依據。

急傾斜特厚煤層；水平分段綜放面；分段缷壓；現(xiàn)場監(jiān)測；效果評價

0　引　言

急斜傾特厚煤層水平分段綜放開采中，頂板運移規(guī)律、礦壓顯現(xiàn)與近水平-緩斜煤層差異性較大[1-3]，烏魯木齊礦區(qū)烏東煤礦富集厚度不均(26～50 m)、角度不同(45°～87°)的急傾斜特厚煤層(群)，北采區(qū)45#煤層呈現(xiàn)東厚西薄(均厚約40 m)，傾角范圍43°～46°，平均傾角45°；老頂(10～20 m)與直接頂(5～10 m)均為泥鈣質膠結的粉砂巖，強度較高，節(jié)理裂隙不發(fā)育，直接頂普氏系數(shù)(f)為3.8，不易垮落[4]?，F(xiàn)場采用水平分段綜放開采工藝，其分段高度為25 m左右，采放比1∶6.1，工作面頂板傾斜長度約為35 m.由于傾角過大，水平分段綜放開采中采動煤巖應力與儲能隨時間與開采深度或層位變化不斷釋放與轉移，造成頂板變形或突然斷裂，進而誘致連鎖式動力災害。因此，深入系統(tǒng)地研究揭示急傾斜特厚煤層綜放面頂板運移特征及其演化規(guī)律，對現(xiàn)場安全開采具有現(xiàn)實必要性。

已有學者通過理論分析、現(xiàn)場檢測、數(shù)值計算、相似模擬等方法與手段，從不同方面研究揭示了急傾斜(大傾角)特厚煤層礦壓規(guī)律。王明立等分析巖層受切向力大于法向力、采空區(qū)上山方向端部煤體的抽冒以及采空區(qū)下山方向受滾落矸石的充填等因素的綜合作用下，提出了楔形破壞區(qū)和滑移變形區(qū)的巖層移動分區(qū)模型[5]。解盤石等通過現(xiàn)場實測、數(shù)值模擬與相似材料模擬實驗相結合的方法，認為大傾角采場圍巖運移規(guī)律具有明顯非對稱性[6]。邵小平等通過現(xiàn)場實測認為急斜煤層大段高工作面支架將受到其上方上覆巖層臨時結構的保護作用，支架的工作阻力不會隨著段高與采深的增加而大幅增加，工作面沿走向具有明顯的周期性礦壓顯現(xiàn)[7]。王寧波等采用多手段聯(lián)動方法[8]，認為急斜厚煤層巷道圍巖破碎具有分區(qū)分布特征。筆者[9-10]通過現(xiàn)場實測得出，在采動影響下，頂煤與上覆殘留煤矸復合形成非對稱“拱結構”在演化中形成典型傾斜橢球體結構，其覆層垂向變形演化非對稱趨勢顯著；同時又將“頂板-上覆煤體”簡化為梁結構后，發(fā)現(xiàn)頂板的垂直應力分布呈現(xiàn)出由中部向兩端遞減，且工作面頂板中上部變形量最大。但是，隨開采深度增加與層位變化，急傾斜特厚煤層綜放面頂部煤巖連鎖式沖擊性礦壓破壞現(xiàn)象頻發(fā)，嚴重制約開采安全，非常有必要深入研究。

文中以烏東煤礦45°急傾斜特厚煤層頂板安全控制為目標，基于開采條件調查，建立了FLAC3D數(shù)值計算模型，揭示開采擾動頂板應力分布及變形規(guī)律；利用分段缷壓控制技術和監(jiān)測評估，保障了現(xiàn)場開采安全。

1　急傾斜煤層頂板運移規(guī)律數(shù)值計算

1.1建立數(shù)值計算模型

烏東煤礦北采區(qū)地表平均水平標高為+800水平，現(xiàn)今工作面位置為+575水平45#煤層，如圖1所示。根據45°急斜煤層工作面特點，建立如圖2所示的FLAC3D三維數(shù)值模型，分析45°急斜特厚煤層水平分段綜放面受采動影響下頂板受力與變形特征。

圖1　45#煤層工作面開采布局Fig.1　Mining layout of No.45 coal seam

圖2　FLAC3D計算模型Fig.2　3D-FLAC computational modeling

開挖模型模擬至地表，尺寸為450 m×300 m×325 m，共劃分網格651 180個、節(jié)點664 290個。考慮到巖石的尺寸效應，沿y方向0點位置設留初始邊界60 m，末端設留邊界100 m，模型水平四周及底部約束，上部為自由面；直接頂與老頂按2 m×5 m×2 m劃分。在頂板傾斜方向20，30，40 m處沿工作面推進方向(y軸)依次鋪設61個考查點。設置初始開挖為開切眼(10 m)、剩余每次開挖5 m，共開挖30步。根據具體工程地質資料和相關研究提供的巖石力學試驗結果，模擬計算采用的巖體力學參數(shù)見表1，采用Mohr-Coulomb準則計算。

表1　煤巖力學參數(shù)

1.2采動影響下頂板應力、變形規(guī)律

45°急斜煤層頂板在垂直應力和剪切應力的雙重作用下，經過采動影響，工作面兩端應力重新分布。分別提取數(shù)值模擬第4，10，18，26次開挖應力值，為了直觀反映應力變化規(guī)律，第4，18次開挖與第10，26次開挖各位一組，如圖3所示：受邊界煤柱的影響，頂板應力分布隨著工作面的推進呈現(xiàn)“雙駝峰”曲線，且應力集峰值位于工作面前5 m左右。工作面開挖及頂板位置的不同，第4，10次開挖后，各處應力峰值大致相同；隨著工作面的推進，應力峰值逐漸增加，第18，26次開挖后，頂板傾斜長度30 m處的應力峰值明顯最大。開挖結束后，距工作面后方大約15 m處應力驟降、釋放。

圖3　頂板應力分布規(guī)律Fig.3　Stress regularity of the roof(a)第4，18次開挖　(b)第10，26次開挖

頂板運動伴隨應力釋放，相比較第26次開挖的頂板傾斜長度20 m處應力沒有完全釋放應力較大，故此推測此處頂板存在擠壓現(xiàn)象，如圖3(b)所示。通過4次開挖比較，應力變化由大到小為30，40，20 m；同時頂板20與30 m處應力峰值與釋放的比值分比大約為0.99～0.95，2.4～7之間。

頂板3處位置的不同，采動影響下其應力集中不同，4次開挖后應力集中由大到小是40，30，20 m，其應力集中區(qū)域平均長度分別約為55，40，30 m.

1.3采動影響下頂板運移規(guī)律

受采動影響下，頂板變形呈現(xiàn)“凹”狀態(tài)，如圖4所示，工作面后方3個位置變形量呈現(xiàn)為線性減小。為了直觀反映頂板各處運移變化規(guī)律，分別以第4，18次開挖與第10，26次開挖為一組，如圖4(a)、(b)所示。第4次開挖頂板3處相應位置的變形量基本保持一致；第10次開挖，頂板傾斜長度30 m處變形量大于其他位置；且隨著工作面向前推進，頂板變形量逐漸增大；第18次開挖后，頂板傾斜長度3處的下沉量逐漸不同。3處頂板變形量由大到小依次為：30，40，20 m(與應力變化一致)。第10，18，26次開挖的頂板20 m處的變形量相對最小，其運移情況側面反映出此位置存在擠壓現(xiàn)象。

圖4　頂板位移分布規(guī)律Fig.4　Displacement regularity of the roof(a)第4，18次開挖　(b)第10，26次開挖

沿工作面走向50 m位置開始考察頂板傾斜長度30 m處4次開挖的典型位移變形特征。如圖5所示，頂板受采動影響，其動態(tài)變形呈現(xiàn)類“V”字結構?！癡”形兩側沿工作面推進方向，頂板變形斜率出現(xiàn)“大-小-大”的變化；右側變形斜率基本一致且變形大于左側，4次開挖的最大變形分別約為28.36，41.11，49.2，55 cm.

圖5　頂板“V”形演化特征Fig.5　“V” shape evolutional characteristics of the roof

分析表明：綜放開采頂板傾斜長度為30 m附近的應力變化與變形量最大，頂板應力釋放越多其變形量越大，且頂板變形呈現(xiàn)“V”形狀態(tài)。隨著工作面的推進，受頂板的破碎、擠壓，應力不完全釋放導致頂板傾斜長度20 m處變形量偏??；在20 m附近應力釋放不完全，易增加頂板懸空面積，進而演化為大面積斷裂或動態(tài)失穩(wěn)。

2　急傾斜綜放面頂板分段卸壓

2.1分段卸壓

基于頂板運移演化規(guī)律、應力集中程度和開采時序演化，沿頂板傾斜方向定量布置爆破切頂孔，將頂板沿走向分段缷壓，實現(xiàn)穩(wěn)定性控制。

+575水平45#煤層，由于頂板各位置的應力集中區(qū)域不同，+575水平45#煤層超前工作面大約30 m，從頂板傾斜長度20 m左右處設置切頂孔，以走向60 m左右將頂板分段(板傾斜長度20 m處2倍的應力集中區(qū)長度)，此區(qū)域內將頂板以切頂孔排距又分為若干小分段。

圖6　切頂孔布置剖面Fig.6　Cross-section of the cutting-roof holes

現(xiàn)工作面巷道為沿煤層頂?shù)装宀贾玫拿合?4.8 m×3.2 m)，以上水平分段中部頂板為分界，設計一組切頂孔(1#，2#)。1#，2#孔均沿巷道頂部布置，1#孔起始于距工作面?zhèn)燃s1.2 m，向北78°，向西75°，2#孔設置為距巷道頂部約0.3 m處，向北54°，向西75°，如圖6所示。第一個孔從工作面2 188 m開始，沿工作面走向的一個分段布置10組切頂孔?？着啪?.0 m，孔深35 m，封孔長度10.0 m，孔徑0.1 m，孔間距1.5 m.工作面已推至2 220 m左右，超前工作面30 m進行分段缷壓，缷壓范圍為2 190～2 130 m.

2.2探測方案

井下智能雷達(Penetrating Radar，PR)是利用電磁波對不可見介質或介質內部物質分布規(guī)律的一種智能監(jiān)測方法，通過電性差異性產生反射波的強弱形成智能探測圖像，可以直觀反映煤巖體破碎程度和穩(wěn)定性。經過分段缷壓后，頂板破碎增加或減少分界面；分界面兩側介電差異增大，削弱或增強電磁波信號強度。

在工作面位置前30 m處，采用雷達實施現(xiàn)場探測(圖7)。從工作面約2 190 m處水平移動發(fā)射、接收器至2 145 m左右，2個接收器間距1.5 m，距巷道頂部約2 m.

2.3探測掃描信號分析

PR探測在巷道進行，將其探測深度范圍由巷道、+575頂板區(qū)和+600頂板區(qū)分3個區(qū)域組成；探測深度范圍分別約為在0～3，3～25，25～40 m.頂板經過分段缷壓后，頂板的破碎、巖石運動情況不明，沿走向方向上頂板分界面差異性不同，其掃描探測特征如圖8所示。

圖7　現(xiàn)場智能雷達(PR)探測Fig.7　Field PR detection

提取前0～10 m的探測結果如圖9所示。7 m附近對應的頻譜特征可知：在+575頂板區(qū)內振幅整體偏小(振幅大約±0.2 m振蕩)，正負振蕩頻率較高，說明在原有分段缷壓的基礎上，經過工作面的推進過程中的頂煤-支架耦合運動造成增加了巖體進一步破碎、運動、增加頂板分界面數(shù)量。色彩差異性反映出振幅強度的不同，7 m處測深度為25 m附近能量略微增大(波形以紅、黑色為主)。

在頂板探測區(qū)域掃描中，對比分析了具有典型代表性位置(7，14.5，26，39，44 m)電磁波能量(振幅)特征。掃面圖的顏色變化反映振幅-能量的關系(圖10)，振幅能量由小增大對應的色彩依次是黑、(深)紅、(深)黃、(深)綠、(深)藍、粉紅(紫)、白。從指定點振幅變化可知，接收信號為逆波，靠近巷道測3 m范圍內，振幅振蕩幅度較大，能量較強。分段缷壓后，由于沖擊波壓碎孔壁附近的巖體、應力波進一步破裂巖體、爆生氣體膨脹使巖體中的裂隙貫穿形成碎塊。波形振幅在±0.4～±0.8 m之間。電磁波在破碎巖體之間傳播，受巖體擠壓、破碎、運移影響，吸收大量電磁波，造成接收波能量弱。在+575水平與+600水平頂板連接處，波形振幅相對于其他位置較為穩(wěn)定，基本在±0.35-±0.55 m之間振蕩。

圖8　頂板探測區(qū)域掃描特征Fig.8　Scanning characteristics of partial detection

圖9　工作面頂板前10 m探測區(qū)域及對應頻譜特征Fig.9　10 m Detective area before the caving face and the corresponding spectrum characteristics

圖10　各點振幅頻譜特征Fig.10　Amplitude Spectrum Characteristics of each point

由于分段缷壓致裂頂板后，巖體破碎、運移情況不明，在14.5 m處探測深度為5～19 m左右，振幅振蕩均勻(保持在±0.7 m左右)，推測此處分界面少，削弱雷能量弱，出現(xiàn)連續(xù)貫通裂隙。26 m處在探測深度約為7～22 m范圍內，振幅振蕩均勻(保持在±0.5 m附近)；相對14.5 m處的破碎程度較為完全并出現(xiàn)連續(xù)貫通裂隙。39 m處波形整體比7，14.5，26 m振蕩幅度大；在6～21 m左右探測范圍內，波形振幅振蕩較大且均勻，波形振在±0.8 m左右。44 m處振幅整體基本在±0.4 m左右穩(wěn)定，表明此處頂板破碎情況較均勻。根據5次波形能量對應的振幅、顏色見表2.

表2　各點振幅大小及主要顏色

2.4分析結果

通過上述分析并結合+575頂板區(qū)掃描結果，從圖11可知，上一次分段缷壓前0～10 m探測范圍內的1.8，3.5，6～7，9.7 m左右波形能量小、變化迅速且出現(xiàn)紅黑色區(qū)域，為巖體破碎蹋實現(xiàn)象。10～20 m探測范圍內，波形能量較大，出現(xiàn)綠藍色交替現(xiàn)象且藍色中含有少量紫色；在約11～12，14～16 m范圍內此顏色集中且連續(xù)，為局部空洞現(xiàn)象。20～30 m探測范圍內，波形能量變化較為穩(wěn)定，出現(xiàn)大片連續(xù)綠色區(qū)域，表明巖體內部裂隙貫通、完全破碎。30～40 m探測范圍內，波形能量變化較為穩(wěn)定；只在37～39 m出現(xiàn)明顯變化(呈現(xiàn)綠、紫色)。在40～45 m探測范圍內，波形能量變化較為復雜，探測區(qū)間顏色豐富；在45 m后端一部分紫色區(qū)域集中。

在+575水平頂板區(qū)內，在此次切頂孔之前存在明顯4處紅黑區(qū)域(2，4，6～7.5及9 m)，推測此處為垮落區(qū)域。沿工作面推進方向的10～20 m與38～40 m處出現(xiàn)綠、紫色、粉紅色區(qū)域，此處波形能量大、振幅大，分界面少，推測此處存在完整的小空間結構。在12～36 m區(qū)域內，顏色主要為綠色，其中包含少量的藍、紫、紅色，推測分段缷壓效果增大巖體裂隙，充分釋放巖體應力。

圖11　+575水平45#煤層工作面端前GPR探測結果Fig.11　GPR detective results before +575 horizontal 45# mining caving face

3　結　論

1)采動作用下急傾斜特厚煤層水平分段綜放面頂板巖體與煤體應力不斷釋放和轉移，在其共同變形和相互動態(tài)影響下，頂板巖體變形態(tài)呈現(xiàn)“V”形狀態(tài)。隨工作面推進，易發(fā)生突然垮落并導致頂板整體失穩(wěn)致誘動力災害。

2)綜合確定了分段卸壓工藝與定量參數(shù)。超前工作面約30 m，在頂板傾斜長度20 m附近、約60 m范圍將頂板分段。

3)現(xiàn)場實施與效果探測表明：分段卸壓后，在工作面2 190～2 180 m范圍內，頂板出現(xiàn)局部垮落現(xiàn)象；在10～45 m范圍內，頂板較破碎。開采中隨采隨落，不會造成頂板懸空。這為保障現(xiàn)場開采提供了有效方法與手段。

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Comprehensive analysis of roof migration characteristics of top-caving roof in extremely steep and thick coal seams

LAI Xing-ping1，2，LEI Zhao-yuan1，2，LI Zhu3

(1.CollegeofEnergyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China；2.KeyLaboratoryofWesternMineExplorationandHazardPrevention，MinistryofEducation，Xi’an710054，China；3.ShenhuaXinjiangEnergyCo.,Ltd.，Urumqi，830027，China)

This paper focuses on the stability control of roof at 45°of extremely steep and thick coal seams excavated by fully mechanized top-caving.We adopted a hybrid methodology including in-situ investigation，numerical simulation，and site monitoring.Mechanisms of both stress evolution and roof migration have been totally analyzed under excavated disturbance.Finally，control measurement of segmentation unloading was implemented for roof stabilization.Research results indicate that coal-rock masses of the roof are deformed in common，and Scope of stress concentration zone is 30 m approximately.Particularly，the stress and deformation are both obvious in 30 m inclination direction.Moreover，the deformation of roof presents “V” shape structure and residual stress does not release sufficiently in 20 m inclination direction easily inducing dynamic hazards.With in-situ penetrating radar presenting the relation between electromagnetic wave and broken trait of rock masses，the roof are broken sufficiently without a large-scale roof hanging after segmentation unloading，which would provide scientific basis for safe mining.

steep and thick coal seam；subsection fully mechanized top-coal caving；segmentation unloading；in-situ monitoring；effectiveness evaluation

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0501

1672-9315(2016)05-0609-07

2016-07-10責任編輯：劉潔

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973)前期專項(2014CB260404)；國家自然科學基金(U1361206)；國家自然科學基金(51504184);新疆自治區(qū)科技支撐計劃(NO.201432102)。

來興平(1971-)，男，寧夏平羅縣人，教授，博士生導師，E-mail:laixp@xust.edu.cn

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