大采高偽斜綜采工作面基本頂初次來壓規(guī)律研究

高 升，魏立科，張宏杰，單 川

(1.中煤科工能源投資有限公司，北京 100013；2.應(yīng)急管理部信息研究院，北京 100029；3.山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048021)

對于厚煤層開采，大采高一次采全高綜采技術(shù)具有產(chǎn)能大、回采率高和經(jīng)濟(jì)效益好等顯著優(yōu)越性，技術(shù)與裝備取得了快速發(fā)展。但大采高工作面覆巖結(jié)構(gòu)破斷擾動范圍隨著采高的增加而增大，容易引發(fā)煤壁片幫、煤巖體冒漏、支架失穩(wěn)等嚴(yán)重礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，尤其是煤層傾角大及受斷層切割等復(fù)雜地質(zhì)條件，進(jìn)一步加劇了礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度和影響范圍[1，2]。因此，研究復(fù)雜地質(zhì)條件下大采高采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，尤其是基本頂初次來壓規(guī)律，是保障大采高綜采面“支架—圍巖”系統(tǒng)穩(wěn)定與安全生產(chǎn)的必要條件。

1 工作面概況

擔(dān)水溝煤礦4101工作面煤層厚度3.58～5.52m，平均4.55m，煤層傾角18°～28°，平均23°，屬全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。工作面無直接頂，局部區(qū)域有0.03m厚的炭質(zhì)泥巖偽頂，極易垮落；基本頂為中粗砂巖，平均厚度16.4m，巖性較堅硬，屬于Ⅲ級頂板，來壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈；直接底為泥巖，局部為細(xì)砂巖，平均厚度5.05m；工作面內(nèi)被多條落差約1.1m的小斷層切割。該工作面采用一次采全高偽斜綜采工藝，走向長度967m，傾向長度250m，下端頭超前上端頭回采約35m，頂板控制采用全部垮落法；工作面中部基本支架為ZY9200/22/46型支撐掩護(hù)式液壓支架，中部支架139架，兩端過渡支架采用ZYG9200/22/46型支撐掩護(hù)式液壓支架，共5架，排頭2架，排尾3架，整個工作面共布置144架，自下端頭向上端頭依次排列。工作面布置運輸巷道和回風(fēng)巷道兩條回采巷道，兩巷超前支護(hù)距離30m，支護(hù)方式為單體支柱配合一字鉸接梁超前支護(hù)。

2 工作面“支架—圍巖”穩(wěn)定性分析

通過現(xiàn)場調(diào)研4101綜采面地質(zhì)生產(chǎn)條件，結(jié)合前期理論研究，分析得出4101綜采面“支架—圍巖”系統(tǒng)穩(wěn)定性控制難點。

2.1 大采高工作面“支架—圍巖”穩(wěn)定性分析

大采高工作面“支架—圍巖”穩(wěn)定性控制主要呈現(xiàn)以下特點：一是采高增大使上覆巖層斷裂步距和破斷擾動范圍變大，礦壓顯現(xiàn)更為明顯，基本頂來壓強(qiáng)度可增大1—2個級別，表現(xiàn)為來壓期間支架載荷和基本頂動載系數(shù)的增大；二是采高增大使煤壁臨空面積增大，煤壁穩(wěn)定性差，易引起片幫和端面煤巖體冒漏、支架受力不均、構(gòu)件損壞等現(xiàn)象，引發(fā)嚴(yán)重頂板事故，威脅礦井安全正常生產(chǎn)[3-6]。

4101工作面屬典型的大采高工作面，基本頂初次來壓期間，工作面煤巖體冒漏范圍較小，煤壁片幫現(xiàn)象相對嚴(yán)重，支架液壓值較高，其中，工作面基本頂初次來壓時，90#支架液壓值平均39.6MPa，85#架處煤壁最大片深達(dá)0.84m，直接影響著工作面的安全高效回采。

2.2 偽斜工作面“支架—圍巖”穩(wěn)定性分析

何富連教授等研究得出梯形邊界的偽斜工作面回采過程中基本頂呈反“D”形分區(qū)域斷裂，工作面初次來壓呈現(xiàn)多次性和疊加性分段來壓現(xiàn)象[7]。張益東教授等研究得出俯偽斜采煤法與真傾斜回采相比基本頂來壓強(qiáng)度相對減小、沿工作面傾斜方向礦壓顯現(xiàn)有明顯的不均勻性、采高大小及采面幾何形狀對礦壓顯現(xiàn)的影響規(guī)律等[8]。偽斜綜采面還面臨著工作面支架與采煤機(jī)耦合下滑、支架歪斜及架間擠咬等難題，“支架—圍巖”支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性成為頂板控制的重點[9]。

4101工作面屬于傾斜工作面開采，為了減小煤層傾斜對工作面的影響，采用開切眼斜交于回采巷道的偽斜回采工藝，工作面下端頭超前上端頭開采約35m回采，隨著工作面的推進(jìn)逐漸形成梯形狀采空區(qū)，工作面極易出現(xiàn)支架滑架、擠架和輸送機(jī)滑移現(xiàn)象。

2.3 小斷層切割工作面“支架—圍巖”穩(wěn)定性分析

采場基本頂被斷層切割成兩個或多個板塊，隨著板塊邊界條件和組合關(guān)系的變化，基本頂板結(jié)構(gòu)的破斷垮落和來壓過程也不盡相同，當(dāng)小斷層邊界為自由支撐型邊界條件時，斷層兩側(cè)基本頂往往不能同步初次來壓。受小斷層切割頂板結(jié)構(gòu)連續(xù)性的影響，斷層附近區(qū)域基本頂易出現(xiàn)應(yīng)力集中，頂板下沉速度加快，頂板極易發(fā)生突然垮落事故[7，10，11]。

4101工作面初采期間，在距上端頭80m處賦存F1正斷層，斷層落差1.3m，傾角為50°，在傾向上斷層頂板結(jié)構(gòu)被F1斷層切割成兩塊，工作面初次來壓期間，斷層附近區(qū)域支架壓力明顯高于其它支架，且端面煤壁片幫嚴(yán)重。

3 基本頂初次來壓規(guī)律UDEC模擬研究

通過UDEC離散元數(shù)值模擬軟件對沿工作面傾向基本頂初次來壓過程進(jìn)行模擬計算，得到4101工作面初次來壓時基本頂沿傾向垮冒的宏觀顯現(xiàn)、頂板下沉位移變化、頂板應(yīng)力分布等礦壓顯現(xiàn)信息，總結(jié)得出大采高偽斜工作面沿傾向基本頂初次來壓規(guī)律。

3.1 模型主要參數(shù)的選取

通過對4101工作面采集煤巖樣進(jìn)行力學(xué)實驗，4101工作面基本頂中粗砂巖抗壓強(qiáng)度59.6MPa，彈性模量18.4MPa，泊松比0.21；煤體抗壓強(qiáng)度21.3MPa，彈性模量5.6MPa，泊松比0.33。工作面下端頭超前上端頭35m回采。

3.2 數(shù)值模型的建立

根據(jù)4101工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件，以水平方向為X軸，以豎直方向為Y軸，基本底和直接底厚度均取為4m，煤層取平均厚度5m，頂板厚度為15m，建立350m×160m的計算模型。結(jié)構(gòu)單元按照對采場礦壓不同影響程度劃分為不同大小，距離工作面較遠(yuǎn)的底板和上覆巖層塊度為20m×10m，基本底塊度為10m×4m，直接底塊度建為5m×2m，煤層塊度建為1m×1m。為了計算分析方便，將基本頂分為上下兩層，下層基本頂厚5m，塊度為1m×1m，上層基本頂厚10m，塊度為5m×2m。圍巖本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫侖模型，模型上邊界為應(yīng)力邊界條件，其它三個邊界則簡化為位移邊界條件。數(shù)值模型巖層分布如圖1所示。

圖1 數(shù)值計算模型巖層分布

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.3.1 沿工作面傾向基本頂垮落來壓顯現(xiàn)情況

隨著模型工作面的回采，工作面傾向上方基本頂逐漸產(chǎn)生破斷現(xiàn)象，通過分析傾向各區(qū)域基本頂初次垮落情況判斷來壓時間順序。通過數(shù)值模擬計算分析可知：當(dāng)運算至6000步時，模型中工作面下端頭和F1斷層上部區(qū)域頂板單元體結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)破斷和垮落，說明此區(qū)域基本頂初次來壓；當(dāng)運算至8000步時，模型中工作面上端頭及中下部區(qū)域頂板單元體結(jié)構(gòu)也開始出現(xiàn)破斷和垮落，說明此區(qū)域基本頂初次來壓；當(dāng)繼續(xù)運算至達(dá)10000步時，模型中F1斷層下部區(qū)域頂板單元體結(jié)構(gòu)也最終垮落，此時整個工作面基本頂全部垮落，基本頂初次來壓完畢。數(shù)值模擬計算結(jié)果如圖2所示。

圖2 工作面基本頂垮落來壓的數(shù)值模擬

數(shù)值模擬結(jié)果表明：沿工作面傾向，基本頂初次來壓表現(xiàn)出明顯的分段來壓特征，各區(qū)域頂板初次來壓不同步，來壓順序依次為：工作面下端頭和F1斷層上部區(qū)域、工作面上端頭和中下部區(qū)域基本頂初次來壓、F1斷層下部區(qū)域。

3.3.2 沿工作面傾向基本頂下沉位移變化過程

為了便于分析基本頂結(jié)構(gòu)的下沉位移變化過程，在模型中沿工作面傾向，分別煤層頂板8m和18m處設(shè)置兩條位移觀測線，通過分析各測線下沉量的大小判斷該區(qū)域基本頂初次破斷時間。當(dāng)模型分別運算至6000步、8000步和10000步時，繪制兩條測線所記錄的頂板鉛垂位移變化曲線如圖3所示。

圖3 工作面基本頂垂直位移變化曲線

由圖3可知：當(dāng)模型運算至6000步時，工作面下端頭(0～50m)和斷層上部(170～220m)區(qū)域頂板開始出現(xiàn)明顯下沉，說明此區(qū)域頂板初次來壓；當(dāng)模型計算至8000步時，工作面中下部(50～130m)和上端頭(220～250m)區(qū)域頂板位移量由運算至6000步時的400mm急劇增大至1000mm，頂板下沉，說明此區(qū)域頂板初次來壓；當(dāng)模型運算至8000步時，工作面斷層下部(130～170m)區(qū)域頂板位移量由運算至8000步時的500mm增大至1400mm，說明此區(qū)域頂板初次來壓。工作面基本頂下沉位移數(shù)值模擬結(jié)果也表明了基本頂呈現(xiàn)分段初次來壓特征。

3.3.3 沿工作面傾向頂板應(yīng)力分布變化特征

通過數(shù)值模擬計算至6000步時，基本頂應(yīng)力分布狀況如圖4所示。由圖4可知：工作面下端頭支承煤體及其上方頂板出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，這是由于工作面傾角較大，工作面上部頂板重力沿傾向方向施加給下端頭支承煤體及上方頂板連續(xù)載荷，引起此區(qū)域基本頂出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，使得下端頭區(qū)域基本頂初次來壓早于上端頭；受F1小斷層影響，斷層上部即圖中斷層右側(cè)頂板出現(xiàn)一定程度的應(yīng)力集中，斷層下部頂板應(yīng)力分布則較為緩和，故而工作面斷層兩側(cè)的基本頂初次來壓不同步。工作面下端頭和斷層上部區(qū)域頂板受應(yīng)力集中影響區(qū)域，支架液壓值相對較高，且端面易出現(xiàn)煤壁片幫和煤巖體冒漏現(xiàn)象，應(yīng)注重加強(qiáng)此區(qū)域頂板的控制。

圖4 運算至6000步時工作面基本頂應(yīng)力分布狀況

4 初次來壓礦壓顯現(xiàn)實測分析

4.1 基本頂初次來壓礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)場實測

基本頂初次來壓期間，支架液壓值將普遍增大，煤壁片幫及煤巖體冒漏現(xiàn)象相對嚴(yán)重。4101工作面初采期間的礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)場實測主要收集各支架液壓值、端面煤壁片幫及煤巖體冒漏等宏觀顯現(xiàn)情況，并據(jù)此判斷基本頂初次來壓情況。

現(xiàn)場礦壓顯現(xiàn)實測得出4101綜采面基本頂初次來壓規(guī)律如圖5所示。首先，當(dāng)工作面推進(jìn)至30.4m時，工作面下部1#—32#支架區(qū)域基本頂初次破斷來壓；其次，當(dāng)工作面推進(jìn)至34.6m時，工作面F1斷層上部95#—144#支架區(qū)域基本頂開始初次破斷來壓；最后，隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，當(dāng)工作面推進(jìn)至39.9～51.5m時，工作面斷層下部33#—94#支架區(qū)域基本頂初次破斷來壓。此外，4101工作面煤壁的片幫相對于煤巖體冒漏現(xiàn)象更為嚴(yán)重，工作面片深達(dá)到0.5m以上的占6%，主要集中在工作面下端頭和F1斷層區(qū)域。

因此，4101工作面不同區(qū)域基本頂初次來壓步距不同，全工作初次來壓持續(xù)4d，在工作面下端頭和斷層區(qū)域端面煤壁片幫相對較強(qiáng)烈，工作面推進(jìn)時應(yīng)加強(qiáng)此區(qū)域端面煤壁片幫的控制。

圖5 4101綜采面基本頂初次來壓步距圖

4.2 偽斜開采工作面基本頂分段初次來壓理論分析

我國煤礦現(xiàn)場生產(chǎn)實踐與實驗室研究表明：當(dāng)梯形采空區(qū)基本頂初次來壓步距A與工作面長度b之比A/b<1/3～1/2時，則基本頂板結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生明顯的分段來壓現(xiàn)象；當(dāng)A/b>1/3～1/2，則基本頂板結(jié)構(gòu)分段來壓現(xiàn)象不明顯[5]。現(xiàn)場實測整個4101工作面基本頂初次來壓步距平均為37.6m，工作面斜長為250m，梯形采空區(qū)基本頂初次來壓步距A與工作面長度b之比為0.15且小于1/3～1/2。因此，理論上4101大采高偽斜綜采面基本頂也將出現(xiàn)分段初次來壓現(xiàn)象。

5 結(jié) 語

通過對4101大采高偽斜綜采面礦壓顯現(xiàn)分析，偽斜開采工作面基本頂初次來壓呈現(xiàn)分段來壓特征，即首先工作面下端頭及斷層上部附近基本頂來壓，其次上端頭及中下部基本頂來壓，最后斷層下部區(qū)域基本頂來壓，基本頂分段來壓減緩了整個工作面頂板同時破斷垮落產(chǎn)生的大范圍來壓影響，但工作面下端頭和斷層附近煤壁片幫現(xiàn)象嚴(yán)重，礦壓顯現(xiàn)較強(qiáng)烈，工作面回采時應(yīng)著重加強(qiáng)此區(qū)域支架的管理和片幫控制。