綜采工作面過(guò)斷層頂板破壞機(jī)理及控制技術(shù)

韋慶亮，李彥斌，谷 攀，張 博

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

在各種誘發(fā)頂板和煤壁事故的因素中，斷層構(gòu)造在其中占據(jù)較高比例，且斷層極易引發(fā)冒頂和煤壁片幫事故[1-3]。針對(duì)這些問(wèn)題，目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)工作面過(guò)斷層方面做了大量研究：王兆會(huì)，楊敬虎等人分析了大采高工作面斷層結(jié)構(gòu)處煤壁破壞機(jī)理，穩(wěn)定性影響因素并提出了適應(yīng)于特殊斷層背景下的綜合過(guò)斷層控制措施[4-7]；孫健，邢存恩通過(guò)研究斷層下工作面頂板的破斷規(guī)律及礦壓分布特征，闡釋了工作面注漿加固后煤體彈性模量對(duì)頂板下沉量的影響[8，9]；王琦，李術(shù)才等人通過(guò)建立正、逆斷層彈性深梁力學(xué)模型，分析了不同頂板壓力、支護(hù)強(qiáng)度、跨高比等因素下煤巷頂板破斷機(jī)理[10-15]。然而，現(xiàn)有研究主要針對(duì)垂直于煤層走向的斷層對(duì)工作面經(jīng)過(guò)時(shí)造成的影響，對(duì)于斷層垂直于煤層傾向時(shí)造成的影響卻鮮有研究。

本文針對(duì)麻家梁礦綜采工作面過(guò)斷層帶出現(xiàn)的頂板垮落現(xiàn)象進(jìn)行破壞機(jī)理分析，利用數(shù)值模擬對(duì)提出的深淺分帶剛?cè)狁詈献{方案進(jìn)行可行性判定，并結(jié)合工程實(shí)踐進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，取得良好的控制效果。

1 工程概況

麻家梁礦煤層埋深610m，煤層厚度3.5m，以暗煤為主，內(nèi)含成分主要為高嶺巖、高嶺質(zhì)泥巖和炭質(zhì)泥巖的夾矸1～7層，厚度平均0.3m。老頂厚度為11.5m粉砂巖，直接頂為4.5m厚的泥巖，直接底為1.5m厚的高嶺質(zhì)泥巖，老底為粗砂巖，厚度為2m。14207綜采工作面沿走向布置，工作面寬度207.5m，長(zhǎng)度1972.3m。工作面掘進(jìn)過(guò)程中揭露三條垂直于煤層傾向的正斷層，落差分別為1.6m、1m、1.1m。斷層分布示意圖如圖1所示。

圖1 工作面斷層分布情況

工作面在過(guò)斷層時(shí)，原方案采用注漿支護(hù)。工作面長(zhǎng)16m，高3.5m。注漿材料選用高分子聚亞胺膠脂(品名：固安特)。注漿孔布置方式如圖2所示。在距頂板1.5m處，斜向上75°角沿工作面走向布置一排，孔徑Φ25mm，孔間距3m，孔深5m。但當(dāng)工作面掘進(jìn)到斷層區(qū)域附近時(shí)，受斷層擾動(dòng)的影響，頂板圍巖裂隙、節(jié)理極度發(fā)育，斷層區(qū)域出現(xiàn)嚴(yán)重的冒頂和煤壁片幫現(xiàn)象，現(xiàn)有支護(hù)方案已無(wú)法滿(mǎn)足工作面正常推進(jìn)的要求。

圖2 注漿示意圖

2 頂板破壞機(jī)理分析

2.1 力學(xué)模型的建立

14207工作面的頂板為泥巖，并伴有少量的粉砂巖或細(xì)砂巖。當(dāng)工作面推進(jìn)到斷層區(qū)域時(shí)，由于斷層的存在，地質(zhì)條件發(fā)生急劇變化，工作面頂板裂隙發(fā)育帶高度增加。原有的支護(hù)方式難以對(duì)工作面上方軟弱頂板的變形起到控制，形成了軟弱頂板的懸臂梁結(jié)構(gòu)，最終因懸臂梁的破斷發(fā)生斷層區(qū)域大面積失穩(wěn)，引發(fā)冒頂事故[7]。

通過(guò)建立正斷層力學(xué)模型對(duì)發(fā)生的這一現(xiàn)象進(jìn)行研究：①為便于研究將該區(qū)域三條正斷層簡(jiǎn)化為一條正斷層；②斷層走向與煤層走向一致，且煤巖是均質(zhì)連續(xù)彈性體。正斷層簡(jiǎn)化模型如圖3所示；③將工作面直接頂看作厚度為h的整體連續(xù)梁，外端為固定端約束；把直接頂作為研究對(duì)象，按平面應(yīng)力問(wèn)題近似求解；④為便于研究，將該工作面老頂作用力P1和直接頂自重ρgh簡(jiǎn)化為均布載荷P，即P=P1+ρgh；將支護(hù)抗力F1、圍巖的自載能力F2和工作面上方垮落面對(duì)垮落體的作用力F3之和簡(jiǎn)化為q均布在下表面，建立如圖4所示的力學(xué)模型。

圖3 正斷層簡(jiǎn)化示意圖

圖4 彈性深梁力學(xué)模型

2.2 力學(xué)模型求解

針對(duì)正斷層力學(xué)模型，計(jì)算其應(yīng)力分量及最大有效剪應(yīng)力。

A部分(x>0)應(yīng)力分量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)式(1)—(3)：

B部分(x<0)應(yīng)力分量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)式(4)—(6)：

式(1)—式(6)均為頂板的表觀應(yīng)力，根據(jù)彈性模量法可引入連續(xù)性因子ψ求得頂板的有效應(yīng)力。

則頂板的有效應(yīng)力為：

將式(8)代入最大有效剪應(yīng)力公式可得頂板的最大有效剪應(yīng)力分布：

2.3 破斷依據(jù)的判定

根據(jù)摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則，頂板破壞的形式為剪切破壞。則頂板內(nèi)某一點(diǎn)的極限剪應(yīng)力和有效極限剪應(yīng)力為：

式中，φ為內(nèi)摩擦角，(°)；c為煤體黏聚力，MPa。

頂圍巖表觀單向抗壓強(qiáng)度Rc為：

Rc=2ccosφ/(1-sinφ)

(12)

將式(1)—(6)及式(12)代入式(11)得：

式中，K為極限剪應(yīng)力影響因子。

式(13)中集中體現(xiàn)了變量x、y、q、p等因素對(duì)K的影響。

A部分，此時(shí)x>0。

B部分，此時(shí)x<0。

頂板發(fā)生破斷條件為：

3 頂板控制技術(shù)研究

3.1 深淺分帶剛?cè)狁詈献{技術(shù)

基于以上對(duì)正斷層破斷機(jī)制的分析，結(jié)合麻家梁礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，提出一種新型的深淺分帶剛?cè)狁詈献{技術(shù)，分層注漿支護(hù)方案如圖5所示。該技術(shù)核心在于將工作面頂板斷層帶圍巖的淺部裂隙發(fā)育帶與深部微裂隙帶中注入剛度不同的漿液，剛性漿液將頂板淺部破裂帶膠結(jié)形成高強(qiáng)度支撐層，將淺部載荷體圍巖轉(zhuǎn)化為承載體圍巖，充分調(diào)動(dòng)淺部巖體的承載能力；在深部巖體中注入漿液顆粒較小的柔性發(fā)泡漿材，把深部微裂隙帶原位改性形成柔性減壓層，深部柔性減壓層在高應(yīng)力作用下擠密注漿結(jié)石體內(nèi)孔洞空間達(dá)到深層原位釋放壓力的效果，維持圍巖長(zhǎng)期穩(wěn)定性。該方案可以有效減小頂板有效極限剪應(yīng)力。既能充分發(fā)揮支護(hù)系統(tǒng)的作用，又能充分發(fā)揮圍巖的自載能力。

圖5 分層注漿支護(hù)方案示意圖

1)在工作面頂板斷層區(qū)域表面通過(guò)鋼筋網(wǎng)噴射混凝土構(gòu)建工作面頂板強(qiáng)韌封層。強(qiáng)韌封層可以及時(shí)填平工作面頂板斷層區(qū)域裂隙，使其受力均勻，形成一個(gè)保護(hù)層，防止注漿時(shí)漿液的泄露。

2)向工作面頂板深部微裂隙帶中注入有機(jī)柔性發(fā)泡漿液，將深部圍巖進(jìn)行原位改性形成一定厚度柔性減壓支護(hù)層，在深部高應(yīng)力作用時(shí)可及時(shí)釋放高能量，維持塑性硬化承載區(qū)在工作面頂板斷層帶淺部附近，恢復(fù)圍巖完整性且提高工作面頂板自承能力。

3)通過(guò)在淺部圍巖中注入無(wú)機(jī)剛性漿材，對(duì)淺部破碎圍巖體進(jìn)行恢復(fù)性加固，形成的注漿體具有高強(qiáng)高剛較高抵抗變形的能力，有利于淺部巖體形成厚錨固板承載結(jié)構(gòu)。

4)工作面頂板圍巖體中形成了深淺剛?cè)岵煌瑤ё{層，淺部注漿層形成高強(qiáng)度板狀承載結(jié)構(gòu)，深部注漿層原位改性為柔性減壓層，深淺雙支承結(jié)構(gòu)耦合支護(hù)，增強(qiáng)了工作面圍巖的完整性，維持工作面頂板的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)頂板窺視發(fā)現(xiàn)：斷層帶區(qū)域淺部破碎帶巖體主要集中于 0～2m范圍內(nèi)，微裂隙帶巖體主要集中于2.5～5.6m范圍內(nèi)，根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)圍巖破碎帶與裂隙帶范圍有進(jìn)一步擴(kuò)大的可能性，結(jié)合工程實(shí)際條件，采用深淺孔交錯(cuò)布置方案，深部注漿孔6m，淺部注漿孔2.4m，淺孔注漿壓力為2.5MPa，深孔注漿壓力5MPa，從而實(shí)現(xiàn)了一種在斷層區(qū)域頂板破碎的工作面的深淺分帶剛?cè)狁詈献{支護(hù)方案。

3.2 注漿材料

注漿材料分為剛性無(wú)機(jī)材料和柔性有機(jī)材料。剛性材料具有快凝，早強(qiáng)，不干縮的特點(diǎn)；柔性材料具有快凝、膨脹率大、可壓縮的特點(diǎn)，其工藝參數(shù)見(jiàn)表1、表2。

表1 剛性注漿工藝參數(shù)

表2 柔性注漿工藝參數(shù)

4 數(shù)值模擬分析

4.1 建立數(shù)值模型

由于FLAC3D數(shù)值模擬軟件在含有斷層帶的復(fù)雜地質(zhì)條件的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分存在問(wèn)題，故依據(jù)麻家梁礦14207工作面的地質(zhì)條件通過(guò)AutoCAD-ANSYS-FLAC3D建立數(shù)值模型進(jìn)行模擬。用AutoCAD繪制含斷層的二維平面圖，將斷層附件的煤巖分層劃分為若干個(gè)組，為保證后續(xù)開(kāi)挖工作面網(wǎng)格劃分的完整性，對(duì)需開(kāi)挖的工作面單獨(dú)劃分成一個(gè)組；將其導(dǎo)入ANSYS，定義單元和材料屬性，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分并拉伸成體，如圖6所示；最后將其轉(zhuǎn)化為FLAC3D數(shù)值模擬軟件可識(shí)別的文件，并用FLAC3D對(duì)其進(jìn)行重新分組以及參數(shù)添加和數(shù)值模擬。選用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，模型長(zhǎng)寬高為40m×44.5m×10m，共計(jì)71860個(gè)單元，76629個(gè)節(jié)點(diǎn)。工作面沿著y軸方向推進(jìn)。在x=0m、x=40m、y=0m、y=10m面約束水平位移，在z=44.5m面上均勻施加等于上覆巖層質(zhì)量的垂直應(yīng)力。數(shù)值模型圖如圖6所示。分別對(duì)采用原方案以及深淺分帶剛?cè)狁詈献{支護(hù)方案進(jìn)行模擬。采用剛?cè)狁詈献{后的圍巖可分別采用剛性和柔性注漿體的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行模擬，具體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

4.2 模擬結(jié)果分析

深淺分帶剛?cè)狁詈献{對(duì)14207工作面的實(shí)際支護(hù)效果主要體現(xiàn)在注漿后工作面塑性區(qū)破壞深度和位移的大小，通過(guò)對(duì)比得出以下結(jié)論：

圖6 數(shù)值計(jì)算模型

表3 注漿體的力學(xué)參數(shù)

1)塑性區(qū)范圍顯著下降。采用不同注漿方案的工作面塑性區(qū)范圍如圖7所示。采用不同注漿支護(hù)方案后，頂板和煤壁的塑性區(qū)得到了不同程度的控制。采用原方案注漿后僅將頂板和煤壁的破壞深度分別控制住5.5m、4.5m，而采用深淺分帶剛?cè)狁詈献{后破壞深度穩(wěn)定在1m、1.5m左右，有效的控制了工作面頂板和煤壁前方的塑性區(qū)破壞深度。

圖7 工作面塑性區(qū)

2)頂板的下沉量顯著減少。不同注漿方案的頂板位移如圖8所示。采用深淺分帶剛?cè)狁詈献{后，頂板位移量控制在6.8cm，是原方案38cm的18%。優(yōu)化方案通過(guò)原位改變工作面頂板圍巖的性質(zhì)，有效的釋放了深部圍巖的高應(yīng)力，消除了淺部的高應(yīng)力，保證了整個(gè)工作面的穩(wěn)定性，為后續(xù)綜采工作的進(jìn)行提供了安全保障。

圖8 工作面頂板位移

通過(guò)以上分析，與原方案相比，優(yōu)化方案的頂板下沉量與煤壁片幫程度均得到有效控制，工作面收斂得到改善。麻家梁礦14207工作面采用優(yōu)化支護(hù)方案后可實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面的穩(wěn)定控制。

5 工程實(shí)踐效果

根據(jù)深淺分帶剛?cè)狁詈献{方案對(duì)14207工作面進(jìn)行支護(hù)，并設(shè)置綜合礦壓觀測(cè)站，對(duì)工作面頂板和煤壁位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同原注漿支護(hù)方案的觀測(cè)位移進(jìn)行比較，位移觀測(cè)結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 頂板移近量—時(shí)間曲線

圖10 煤壁移近量—時(shí)間曲線

工作面頂板移近量—時(shí)間曲線如圖9所示。由圖9可以看出，在27d后，頂板移近量逐漸穩(wěn)定。采用深淺分帶剛?cè)狁詈献{將頂板移近量大幅度降低。由原方案的369mm減少為62mm，減少了307mm。

工作面煤壁移近量—時(shí)間曲線如圖10所示。由圖10可以看出，在注漿30d后，煤壁移近量趨于穩(wěn)定。兩種注漿方案的煤壁移近量分別為386mm、56mm，采用優(yōu)化方案使得煤壁位移量減少了85.5%，與模擬結(jié)果一致。實(shí)踐證明采用深淺分帶剛?cè)狁詈献{方案能夠有效解決工作面斷層區(qū)的冒頂和片幫問(wèn)題。

6 結(jié) 論

1)在工作面過(guò)斷層時(shí)，若支護(hù)強(qiáng)度不夠，不能有效控制工作面上方軟弱頂板的變形，則極易形成軟弱頂板的懸臂梁結(jié)構(gòu)，最終因懸臂梁的破斷發(fā)生斷層區(qū)域大面積失穩(wěn)，從而引發(fā)冒頂和片幫事故。

2)通過(guò)建立彈性深梁力學(xué)模型，得出斷層區(qū)域頂板破斷機(jī)理。計(jì)算得到工作面頂板內(nèi)某一點(diǎn)的極限剪應(yīng)力和有效極限剪應(yīng)力。發(fā)現(xiàn)工作面頂板破斷主要由有效極限剪應(yīng)力引起的，有效極限剪應(yīng)力越大，極限剪應(yīng)力影響因子越小，頂板越容易發(fā)生冒頂現(xiàn)象。

3)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析表明，深淺分帶剛?cè)狁詈献{支護(hù)技術(shù)能夠有效的控制工作面頂板的變形量，保證了綜采工作的正常推進(jìn)。