大采高綜采面回撤前壓架冒頂事故分析

題正義，張 峰，潘 進，田 臣

(1.遼寧工程技術大學礦業(yè)學院，遼寧 阜新 123000；2.神華神東煤炭集團有限責任公司柳塔煤礦,陜西 榆林 719315)

0 引言

綜采工作面推至停采線后，需將工作面所有設備通過回撤通道搬至下一個工作面，為了提高回撤巷道的支護質量，縮短工作面設備搬家時長，現(xiàn)階段常用的搬家方法是預掘回撤通道。但是，如果支護不合理，末采期間預掘的回撤通道會在設備回撤前發(fā)生壓架冒頂事故，造成預掘回撤通道撤離設備方案失敗，增加工作面搬家時長，縮減保護煤柱尺寸，給礦井末采安全帶來重大的安全隱患[1-3]。

近年來，許多學者對大采高設備回撤期間出現(xiàn)壓架冒頂?shù)膯栴}進行了大量研究[4-7]，其中影響較為深遠的是羅文[8]以工作面出現(xiàn)端面冒頂和壓架事故的實際情況為著眼點，提出了解決冒頂、壓架事故的技術措施，并在現(xiàn)場成功實踐。高浩然等[9]利用數(shù)值模擬軟件分析了回撤階段調節(jié)巷的適用條件，但未對回撤階段端面冒頂和壓架的機理與防范安全技術措施進行分析。鞠金峰等[10-11]、錢鳴高[12]發(fā)現(xiàn)了端面漏冒與關鍵層斷裂運動之間的密切關系，但無法解釋回撤階段端面頂板加固處理后，依然出現(xiàn)端面漏冒的原因所在。因此，研究大采高綜采面回撤階段工作面端面漏冒和壓架現(xiàn)象的發(fā)生機理，找出潛藏的安全隱患、順利回撤設備是大采高綜采面回撤階段亟需解決的首要問題。本文以大柳塔礦52304綜采面為研究對象，運用FLAC3D模擬回撤階段調節(jié)巷對直接頂穩(wěn)定性的影響和誘發(fā)端面冒頂時的煤體應力變化，并利用覆巖關鍵層形成“懸臂梁”結構的演化過程，對端面如何產生壓架冒頂現(xiàn)象進行詳細解析，找出回撤階段出現(xiàn)壓架冒頂事故的原因所在，為大采高綜采面設備安全回撤方案的制定提供了技術支撐和參考價值。

1 工作面概況

52304工作面走向推進長度4 547.6 m，工作面采用“刀把面”的布置形式。開始推進時的工作面傾向長度147.5 m，走向長度148.7 m，推完148.7 m后工作面的傾向長度變?yōu)?01 m，走向長度變?yōu)? 389.1 m。煤厚6.6～7.3 m，埋深265 m，采用傾斜長壁全部垮落、一次采全高的采煤方法，煤層頂?shù)装寰曰疑凵皫r為主，末采期間，采用預掘回撤通道進行設備搬運，回撤通道高寬為4.5 m×6 m，頂板和兩幫均采用全錨索加鋼帶加金屬網(wǎng)聯(lián)合支護，錨索選用Φ22 mm×4 000 mm，間排距為1 m×1 m，兩幫的頂?shù)啄_錨索距頂?shù)装寰嚯x均為0.25 m，頂板兩側的錨索距兩幫距離均為0.5 m。

2 回撤通道調節(jié)巷對直接頂穩(wěn)定性及端面冒頂?shù)挠绊?/h2>

利用FLAC3D模擬回撤通道中有無調節(jié)巷對工作面開采過程中圍巖應力場變化進行對比分析，探明調節(jié)巷是否對直接頂?shù)姆€(wěn)定性和端面漏冒產生影響。

2.1 數(shù)值模擬模型的建立

模型長300 m×寬200 m×高120 m，上覆施加均布載荷0.362 5 MPa。模擬所需的各力學參數(shù)見表1。模擬實驗共設置兩個方案(圖1)。

方案一：設置調節(jié)巷。在工作面上每隔40 m留設一個高寬為4.5 m×5 m的調節(jié)巷，巷道沿走向長度為20 m，共計4個。

方案二：不設調節(jié)巷，除此以外各因素與方案一保持一致。

為了消除邊界及其它影響因素，重點突出調節(jié)巷對工作面回撤的影響，選擇在300 m處開切眼。為了更加充分的體現(xiàn)出采空區(qū)上覆巖層回轉運動對煤體應力場的應力變化強度的影響，在此將193～300 m進行一次挖完，并運行至平衡狀態(tài)，再設置開挖步距5 m，在煤層4.5 m處作水平剖面觀察煤體應力分布云圖。

圖1 模擬方案Fig.1 Simulation scheme

2.2 模擬結果分析

通過模擬工作面開采過程中采空區(qū)上覆巖層回轉運動對煤體應力場的應力變化強度，判斷工作面回撤過程中出現(xiàn)壓架冒頂現(xiàn)象是否受到調節(jié)巷的影響。

分析回撤通道20 m范圍內的圍巖應力場，并對距離回撤通道10 m時的圍巖應力場進行細致分析。

當工作面推進至距離回撤通道20 m處時，在煤層4.5 m處作水平剖面，得到此處煤體應力分布云圖(圖2)。

表1 模型中各巖層力學參數(shù)Table 1 Mechanical-parameters of strata

圖2 推進至20 m時煤層4.5 m水平剖面垂直應力分布Fig.2 Coal seam section 4.5 m vertical stress distribution when advance to 20 m

從圖2中可以看出，在不留設調節(jié)巷的情況下，尚未回采的煤體應力場變化特征為：由煤體外邊緣向煤體中央逐漸增大，最大垂直應力值為14 MPa(原巖應力6.825 MPa)。在留設調節(jié)巷的情況下，尚未回采的煤體中央最大應力值也為14 MPa，但是在調節(jié)巷的四個邊角處，有明顯的應力集中現(xiàn)象，最大垂直應力值為18 MPa。由此看出，留設調節(jié)巷時，在距回撤通道20 m時，在調節(jié)巷邊角處煤體會形成應力集中區(qū)域。

當工作面距離回撤通道15 m、10 m、5 m時，在煤層4.5 m處設置水平剖面，應力云圖如圖3所示。

圖3 不同推進距離的應力云圖Fig.3 Stress maps with different advanced distance

由圖3(a)中可知，當工作面距離回撤通道15 m時，留設調節(jié)巷的煤體四個邊角處依然存在著應力集中，最大垂直應力值為18 MPa。不留設調節(jié)巷時最大垂直應力值為14 MPa，與距回撤通道20 m時垂直應力特征基本相同。

由圖3(b)可知當工作面繼續(xù)向前推進，距離回撤通道10 m時，留設調節(jié)巷煤體四個邊界處存在的應力集中區(qū)域逐漸向上下兩側轉移。

由圖3(c)可知當工作面推進至回撤通道5 m時，留設調節(jié)巷煤體的上下兩側應力突然降至為0，與為留設調節(jié)巷煤體應力分布相同。

將圖3(b)中的端部放大至圖4可知，留設調節(jié)巷情況下最大垂直應力為22 MPa，應力集中在煤體中央；而不留設調節(jié)巷情況下最大應力為16 MPa，應力平均分布。

圖4 推進至10 m時垂直應力局部放大圖Fig.4 Partial enlargement of vertical stress with a advanced distance of 10 m

由以上模擬實驗分析結果可以看出，設置調節(jié)巷，在臨近回撤階段時工作面與調節(jié)巷相互貫通，調節(jié)巷的四個邊角處出現(xiàn)應力集中區(qū)域，工作面受采動影響時四個邊角處煤體應力值降至為0，煤壁發(fā)生片幫、冒頂現(xiàn)象，頂板也出現(xiàn)破碎、冒落，并誘發(fā)端面隨之漏冒。

3 覆巖關鍵層“懸臂梁”結構運動對壓架冒頂?shù)挠绊懛治?/h2>

在大采高綜采面回撤階段，隨著工作面的推進，工作面支架后部采空區(qū)自由空間足夠大，處于松散狀態(tài)的頂板會直接垮落，給首個關鍵層破斷提供支撐點，靠近支架頂部的首個關鍵層會在支架尾部生成“懸臂梁”結構，該結構形成過程與普通采高的關鍵層在支架尾部緩慢下沉形成的“砌體梁”結構的巖體移動過程大相徑庭。該結構的形成同時滿足文獻[10]所述的關鍵層“懸臂梁”結構構成的一切條件。圖5所示為支架頂板上覆首個關鍵層形成“懸臂梁”結構的變化過程。

初始階段關鍵層懸露長度較小，當工作面推進一定距離后，關鍵層因懸露長度不斷增大而發(fā)生斷裂，但由于煤壁前方煤巖體的限制作用，處于初始斷裂階段滑移的關鍵層塊體只出現(xiàn)了小角度的回轉變化，最終處于臨時穩(wěn)定狀態(tài)。在關鍵層形成懸臂結構的過程中，工作面近端處直接頂受到懸臂巖塊垂直方向的拉伸，遠端處直接頂受懸臂巖體回轉運動帶來的走向方向上擠壓，兩種外力共同作用下，使得工作面端面處的直接頂上部出現(xiàn)拉斷區(qū)，下部出現(xiàn)壓縮變形區(qū)(圖5(a))。

伴隨著工作面繼續(xù)向前推移，初始斷裂階段滑移的塊體發(fā)生回轉的角度慢慢增大，初始階段直接頂上部形成的拉斷區(qū)和下部形成的壓縮變形區(qū)范圍也在逐步擴大(圖5(b))。當工作面推過斷裂線位置時，工作面支架后方已斷裂的塊體A，在側向上將會不受到破斷塊B的約束作用，直接垮落至采空區(qū)，同時破斷塊B在回轉變化過程中也將出現(xiàn)垮落、滑移現(xiàn)象，但不能以自我穩(wěn)定的承載結構形式存在。

在工作面繼續(xù)向前推進的過程中，如果移動液壓支架時上覆巖層移動給斷裂塊B施加的載荷過大，造成支架初撐力不達標，支架立柱行程難以上升時，斷裂塊B將會在端面處的斷裂線位置失穩(wěn)下滑，引起拉斷區(qū)和壓縮變形區(qū)相互貫通，支架上方發(fā)生穿透式漏頂現(xiàn)象(圖5(c))。隨著頂板巖層的繼續(xù)下沉，支架上覆載荷急劇增大，超過其最大載荷后，支架液壓控制系統(tǒng)的安全閥將會打開，支架立柱行程下降，開始泄壓，最終造成支架處于壓死狀態(tài)。

圖5 關鍵層“懸臂梁”結構運動對直接頂?shù)淖饔眠^程Fig.5 Influence of “Cantilever beam” movement on the immediate roof

由此得出，大采高綜采工作面開采過程中，煤層上覆首個關鍵層斷裂滑移形成的“懸臂梁”結構是造成工作面壓架冒頂事故的主要原因。

4 結 論

(1)利用FLAC3D模擬調節(jié)巷對頂板巖層應力分布及其穩(wěn)定性的影響，得出調節(jié)巷的存在是造成回撤階段壓架冒頂事故發(fā)生的誘因。

(2)從大采高綜采面煤層上覆首個關鍵層斷裂演化過程分析得出：關鍵層斷裂形成的“懸臂梁”結構是造成壓架冒頂事故的根本原因；“懸臂梁”破斷、塊體失穩(wěn)錯動、拉斷區(qū)與壓縮變形區(qū)相互貫通是造成壓架和加劇端面冒頂?shù)闹苯釉颉?/p>

(3)通過對52304工作面回采過程中發(fā)生的壓架冒頂機理的分析，為特大采高綜采面在回撤階段做好安全防治措施提供理論基礎和借鑒意義。