急傾斜煤層端面頂板穩(wěn)定性分析

王 楠，鄭上上，李珊珊，孔德中

（貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025）

近年來(lái)，急傾斜煤層年產(chǎn)量已占我國(guó)煤炭總量的8%～10%，并呈逐年增加的趨勢(shì)。但急傾斜頂板礦壓顯現(xiàn)規(guī)律復(fù)雜，并且急傾斜煤層在形成過(guò)程中由于受到構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈擠壓，煤層及其頂?shù)装逯泄?jié)理、裂隙等軟弱面比較發(fā)育，易失穩(wěn)垮落，支護(hù)不當(dāng)時(shí)易發(fā)生片幫與冒頂事故。因此，有必要對(duì)急傾斜煤層端面頂板進(jìn)行系統(tǒng)研究，提高圍巖控制水平，最大限度的回收煤炭資源，實(shí)現(xiàn)礦井的安全高效開(kāi)采[1-3]。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者專(zhuān)家對(duì)急傾斜煤層開(kāi)采過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究工作。屠洪盛等以薄板理論為基礎(chǔ)，建立了急傾斜工作面頂板的受力力學(xué)模型，研究了頂板在上覆巖層和下方充填矸石作用下頂板撓曲變形特征[4-5]；喬元棟利用UDEC數(shù)值模擬軟件將主應(yīng)力軌跡線連接形成應(yīng)力卸壓拱，卸壓拱拱高和拱角均隨工作面推進(jìn)呈增大趨勢(shì)，其形狀隨工作面推進(jìn)由對(duì)稱拱—非對(duì)稱拱—平頂拱轉(zhuǎn)變，卸壓拱形態(tài)反映出覆巖不同巖層間的應(yīng)力傳遞關(guān)系，與覆巖的離層位置密切相關(guān)[6]；楊帆首次提出了急傾斜煤層巖層移動(dòng)的“廠”型移動(dòng)拱結(jié)構(gòu)模式，并且建立了“廠”型移動(dòng)拱上位巖層下沉的計(jì)算公式[7-8]；吳紹倩指出，冒矸的沿底板下滑充填限制了頂板的撓曲變形和下部頂板的運(yùn)動(dòng)，并指出上、中、下部巖塊運(yùn)動(dòng)條件不同是造成沿傾向來(lái)壓顯現(xiàn)不同的主要原因；應(yīng)用彈性基礎(chǔ)墻假說(shuō)提出急傾斜煤層頂板斷裂沿傾斜可能形成非對(duì)稱的三鉸拱平衡結(jié)構(gòu)；石平五等建立了急傾斜煤層開(kāi)采的“跨層拱”結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，同時(shí)，對(duì)于“跨層拱”結(jié)構(gòu)的滑落失穩(wěn)、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)及其對(duì)工作面礦山壓力顯現(xiàn)的影響進(jìn)行了分析[9-12]；李柱指出急傾斜大采高開(kāi)采采場(chǎng)的圍巖的力學(xué)特征具有不對(duì)稱性，具體表現(xiàn)為頂板沿工作面傾向的中上部應(yīng)力釋放范圍大于下部應(yīng)力釋放范圍，中上部的頂板應(yīng)力小于下部區(qū)域頂板應(yīng)力，底板反之，支承壓力的峰值上部區(qū)域最小，中部區(qū)域較大，下部區(qū)域最大[13-14]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)急傾斜煤層開(kāi)采過(guò)程中頂板破壞規(guī)律、力學(xué)結(jié)構(gòu)等問(wèn)題取得了一定的研究成果，但都只是對(duì)急傾斜工作面端面頂板破碎現(xiàn)象的分析，對(duì)控制急傾斜端面頂板的冒落作用效果不明顯，且之前的學(xué)者很少有在進(jìn)行頂板觀測(cè)研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行頂板穩(wěn)定性分析，因此還需在前人的理論基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究。為此通過(guò)對(duì)急傾斜煤層工作面進(jìn)行頂板孔觀測(cè)，分析了端面頂板破碎的原由，在頂板孔觀測(cè)的基礎(chǔ)上，針對(duì)急傾斜煤層端面頂板破斷特征規(guī)律，建立了急傾斜煤層采場(chǎng)的物理模型，進(jìn)行理論分析，并且利用FLAC3D軟件對(duì)急傾斜煤層的采動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，進(jìn)一步分析了急傾斜煤層端面頂板穩(wěn)定性，為相似礦井提供參考數(shù)據(jù)，保證急傾斜煤層安全高效生產(chǎn)。

1 工程背景

3402工作面長(zhǎng)180 m，推進(jìn)長(zhǎng)度884.8 m，附近無(wú)其他采掘活動(dòng)。煤層厚度為 0.6～4.5 m，平均 3.0 m，煤層普氏硬度系數(shù) f＜1，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傾角在 35°～53°之間，平均45°，煤質(zhì)松軟，裂隙發(fā)育較多。直接頂平均厚1.9 m，巖性為泥巖，強(qiáng)度較低，且節(jié)理、裂隙較發(fā)育?；卷敒榉凵皫r，平均厚度5.0 m。采用綜采一次采全高采煤工藝。全部垮落法處理采空區(qū)頂板。該工作面存在煤壁片幫等諸多問(wèn)題，工作面推進(jìn)非常困難（自開(kāi)切眼推進(jìn)不足10 m）。片幫形式以壓剪為主。

2 頂板孔觀測(cè)

2.1 超前支承壓力區(qū)頂板穩(wěn)定性觀測(cè)

為觀測(cè)陳蠻莊井田3402工作面端面頂板的穩(wěn)定性、頂板的裂隙發(fā)育程度，應(yīng)用鉆孔成像儀在3402工作面軌道巷對(duì)工作面超前支承壓力區(qū)頂板進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果用于推測(cè)分析端面頂板穩(wěn)定性。鉆孔位置從工作面外10 m開(kāi)始布置，每隔10 m布置1個(gè)鉆孔，共計(jì)6個(gè)鉆孔，鉆孔深度為10 m；3402工作面觀測(cè)鉆孔布置俯視圖如圖1。

圖1 3402工作面觀測(cè)鉆孔布置俯視圖

2.2 頂板孔觀測(cè)結(jié)果

根據(jù)鉆孔窺視結(jié)果可知，超前支承壓力頂板上方2 m內(nèi)巖層破碎明顯，裂隙極為發(fā)育，2～5.4 m內(nèi)裂隙較為發(fā)育，巖層有少量破碎，存在少量橫向裂隙，5.4 m以上由于巖層本身的強(qiáng)度較強(qiáng)，且受工作面采動(dòng)的影響相對(duì)較小，因此巖層比較完整，未發(fā)現(xiàn)大型裂隙，頂板裂隙窺視圖如圖2。

由此可見(jiàn)，由于該工作面頂板巖層本身強(qiáng)度不大；且煤層構(gòu)造比較發(fā)育，斷層較多；再加上急傾斜煤層的特殊性，頂板受采動(dòng)影響比較嚴(yán)重。在以上多種因素的影響下，導(dǎo)致了該工作面頂板比較破碎，易造成頂板垮落事故，影響液壓支架的支護(hù)能力，進(jìn)而引起頻繁的煤壁片幫，造成安全事故，危及礦山安全生產(chǎn)。

3 端面頂板變形破斷特征

通過(guò)以上分析，可以知道急傾斜煤層工作面開(kāi)采頂板受采動(dòng)影響比較嚴(yán)重，下位基本頂容易出現(xiàn)滑落失穩(wěn)，下位基本頂?shù)氖Х€(wěn)會(huì)引起更高層位巖層的切落，從而造成頂板垮落事故，影響液壓支架的支護(hù)能力，進(jìn)而引起頻繁的煤壁片幫。

圖2 頂板裂隙窺視圖

因此，為有效控制頂板和煤壁，降低急傾斜煤層工作面頂板垮落事故，保證生產(chǎn)的安全性，必須對(duì)急傾斜煤層端面頂板進(jìn)行合理分析。為工作面支架選型等提供合理的參考數(shù)據(jù)。

3.1 端面頂板物理模型建立

分析可知，3402工作面端面頂板主要受上覆巖層作用、煤層支撐力和液壓支架的支撐力作用而產(chǎn)生變形，構(gòu)建的急傾斜煤層采場(chǎng)的物理模型如圖3。

圖3 采場(chǎng)物理模型圖

從圖3可以看出：基本頂及其上覆巖層與密實(shí)充填的矸石是1種協(xié)調(diào)作用系統(tǒng)。在破斷之前，基本頂有1個(gè)較小的彎曲下沉，碎脹的矸石會(huì)隨著頂板的下沉而逐漸密實(shí)，對(duì)上覆載荷的支承作用也隨之增大。由于矸石的可壓縮高度遠(yuǎn)大于基本頂破斷所需的彎曲下沉量，可認(rèn)為基本頂必然發(fā)生破斷。

3.2 端面頂板受力分析

按固支梁條件對(duì)急傾斜煤層端面頂板進(jìn)行受力分析，采場(chǎng)頂板受力模型圖如圖4。

圖4 采場(chǎng)頂板受力模型圖

對(duì)圖4采場(chǎng)受力模型進(jìn)行受力分析得到：

式中：L為頂板初次來(lái)壓步距；R為巖塊間的摩擦力，R=μT；μ 為摩擦因數(shù)，0.7～1；T 為巖塊間的水平推力；q為基本頂及其上方頂板載荷集度，q=ρgh=1.35 MPa；h為基本頂?shù)暮穸?；M 為彎矩。

聯(lián)立上述方程可求得上位基本頂失穩(wěn)時(shí)頂板初次來(lái)壓步距L：

根據(jù)固支梁的計(jì)算，最大彎矩發(fā)生在梁的兩端。因此，該處的最大拉應(yīng)力為σmax為：

可 得 初 次 來(lái) 壓 步 距 L=17.3 mm 時(shí) ，σmax=7.5 MPa＞抗壓強(qiáng)度RT=3.17 MPa。急傾斜煤層端面頂板受采動(dòng)影響較為嚴(yán)重，所受最大拉應(yīng)力遠(yuǎn)大于頂板本身的抗拉強(qiáng)度，從而導(dǎo)致煤層頂板較為破碎。

4 數(shù)值模擬

4.1 計(jì)算模型

為了更形象具體的研究急傾斜煤層端面頂板的穩(wěn)定性，以3402工作面為工程背景建立數(shù)值模型。模型傾斜長(zhǎng)度200 m，走向長(zhǎng)度300 m，高300 m，工作面長(zhǎng)80 m，傾角45°，數(shù)值模型圖如圖5。模型四周及底部為固定位移約束，頂部為應(yīng)力邊界，施加20 MPa垂直應(yīng)力模擬未建入數(shù)值模型的地層載荷；煤巖體采用莫爾-庫(kù)倫模型，采空區(qū)垮落矸石采用應(yīng)變硬化模型。煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果

4.2.1 傾斜方向圍巖應(yīng)力演化特征

不同工作面推進(jìn)距離下傾斜方向圍巖應(yīng)力演化規(guī)律如圖6。

圖5 數(shù)值模型圖

表1 煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)

圖6 不同推進(jìn)長(zhǎng)度傾向方向圍巖應(yīng)力圖

1）當(dāng)工作面推進(jìn)到10 m時(shí)，由于工作面推進(jìn)過(guò)程中采動(dòng)影響相對(duì)較小，因而下端頭應(yīng)力峰值均為24 MPa。當(dāng)工作面推進(jìn)到40 m時(shí)，由于采動(dòng)影響上下兩端頭處的應(yīng)力集中程度迅速增大，采空區(qū)覆巖變形垮落比工作面處嚴(yán)重，因此工作面下端頭應(yīng)力峰值為32 MPa，采空區(qū)中部峰值為34 MPa。

2）當(dāng)工作面推進(jìn)到60 m時(shí)工作面處下端頭應(yīng)力峰值為35 MPa，采空區(qū)中部處下端頭應(yīng)力峰值較大，為40 MPa，此時(shí)采空區(qū)垮落矸石仍然沒(méi)有壓實(shí)。當(dāng)工作面推進(jìn)到80 m時(shí)，上下兩端頭處的應(yīng)力集中程度緩慢變大，工作面處最大值為40 MPa。

3）當(dāng)工作面推進(jìn)到100 m時(shí)，上下兩端頭處的應(yīng)力集中程度繼續(xù)增大，工作面處最大值為45 MPa，隨著推進(jìn)距離的增加，覆巖移動(dòng)進(jìn)入充分階段，受采動(dòng)影響的巖層范圍變化不再明顯。工作面推進(jìn)到200 m時(shí)，由于覆巖移動(dòng)充分，應(yīng)力集中程度不在發(fā)生變化，上下兩端頭最大應(yīng)力峰值同工作面推進(jìn)到100 m時(shí)相同，此時(shí)采空區(qū)垮落矸石開(kāi)始?jí)簩?shí)表現(xiàn)出應(yīng)變硬化現(xiàn)象。

4.2.2 超前支承壓力分布規(guī)律

不同工作面推進(jìn)距離下走向方向圍巖應(yīng)力演化規(guī)律如圖7。

圖7 不同推進(jìn)長(zhǎng)度走向方向圍巖應(yīng)力圖

1）隨著工作面的推進(jìn)，超前支承壓力區(qū)呈現(xiàn)出以下規(guī)律：采出空間應(yīng)力降低，工作面前方出現(xiàn)應(yīng)力增高區(qū)，隨著推進(jìn)距離的增大，采空區(qū)卸壓范圍增大，工作面前方超前支承壓力影響范圍及集中程度同樣增加。

2）當(dāng)工作面推進(jìn)到60 m時(shí)，工作面后方仍沒(méi)有應(yīng)力恢復(fù)現(xiàn)象，說(shuō)明覆巖沒(méi)有充分移動(dòng)，垮落矸石沒(méi)有壓實(shí)，工作面前方支承壓力峰值仍隨著工作面推進(jìn)距離的增加呈增大的趨勢(shì)，當(dāng)工作面推進(jìn)到80 m時(shí)，垮落矸石表現(xiàn)出應(yīng)變硬化現(xiàn)象，開(kāi)始承擔(dān)覆巖載荷，覆巖運(yùn)動(dòng)對(duì)支承壓力的影響程度降低，采空區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)應(yīng)力恢復(fù)現(xiàn)象。

3）當(dāng)工作面推進(jìn)到100 m之后，沿傾斜方向中部支承壓力峰值同推進(jìn)到80 m時(shí)相比不變，說(shuō)明采空區(qū)首先被壓實(shí)，垮落矸石表現(xiàn)出應(yīng)變硬化現(xiàn)象，開(kāi)始承擔(dān)覆巖載荷，覆巖運(yùn)動(dòng)對(duì)支承壓力的影響程度降低，采空區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)應(yīng)力恢復(fù)現(xiàn)象。而工作面上部由于充填不充分，應(yīng)力集中程度仍然隨著工作面推進(jìn)距離的增加而增大。

5 結(jié)論

1）根據(jù)鉆孔窺視結(jié)果可得，由于急傾斜煤層頂板巖層本身強(qiáng)度不大；且煤層構(gòu)造比較發(fā)育，斷層較多；再加上急傾斜煤層的特殊性，頂板受采動(dòng)影響比較嚴(yán)重。在以上多種因素的影響下，導(dǎo)致了急傾斜煤層工作面頂板比較破碎，易造成頂板冒落事故，影響液壓支架的支護(hù)能力，進(jìn)而引起頻繁的煤壁片幫，造成安全事故。

2）針對(duì)急傾斜煤層端面頂板破斷特征規(guī)律，建立了急傾斜煤層采場(chǎng)的物理模型，通過(guò)理論公式計(jì)算可知，頂板初次來(lái)壓步距L=17.33 m時(shí)，最大拉應(yīng)力σmax=7.5 MPa遠(yuǎn)大于頂板本身的抗拉強(qiáng)度，從而導(dǎo)致急傾斜煤層頂板易斷裂，形成較為破碎頂板。

3）急傾斜煤層頂板來(lái)壓頻繁且劇烈，上下兩端頭處的應(yīng)力集中程度較大，工作面處最大可達(dá)到45 MPa。當(dāng)工作面推進(jìn)到100 m之后時(shí)，垮落矸石表現(xiàn)出應(yīng)變硬化現(xiàn)象，開(kāi)始承擔(dān)覆巖載荷，覆巖運(yùn)動(dòng)對(duì)支承壓力的影響程度降低，采空區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)應(yīng)力恢復(fù)現(xiàn)象。工作面上部由于充填不充分，應(yīng)力集中程度仍然隨著工作面推進(jìn)距離的增加而增大。造成急傾斜煤層端面頂板破壞程度較嚴(yán)重。