小煤窯空巷影響下采煤工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

張學(xué)亮

(北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京 100013)

小煤窯殘留空巷的存在導(dǎo)致巖層的結(jié)構(gòu)和應(yīng)力環(huán)境發(fā)生改變，嚴(yán)重影響工作面布置[1]。殘留空巷被揭露時(shí)易引起瓦斯等有害氣體增多，使礦井通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)一定的技術(shù)難題[2-4]。針對(duì)小煤窯無(wú)序開(kāi)采形成的空巷給工作面推進(jìn)帶來(lái)的各種問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了許多富有成效的研究[5-8]。柏建彪等[9]針對(duì)工作面過(guò)殘存遺棄空巷時(shí)頂板與支架阻力關(guān)系進(jìn)行一定探索，建立了工作面過(guò)空巷過(guò)程中頂板來(lái)壓的計(jì)算力學(xué)模型，并提出了使用充填高水材料過(guò)空巷的技術(shù)措施；吳士良等[10]以神東礦區(qū)工作面過(guò)空巷的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和方法為基礎(chǔ)，提出了“小煤柱等壓”過(guò)空巷技術(shù)，確定了揭露空巷前的最佳位置，從而達(dá)到避開(kāi)高應(yīng)力釋放的時(shí)間節(jié)點(diǎn)；謝生榮等[11]針對(duì)綜放工作面過(guò)空巷頂板穩(wěn)定性問(wèn)題，提出“跨空巷長(zhǎng)關(guān)鍵塊體”理論。

以崔家寨礦1號(hào)煤層E13103工作面為工程研究背景，從理論和實(shí)測(cè)兩個(gè)方面分析了過(guò)空巷時(shí)的頂板破斷特征、礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，為工作面安全高效地通過(guò)小煤窯空巷提供理論依據(jù)。

1 工程背景與空巷影響

1.1 工作面概況

E13103工作面屬1號(hào)煤層，位于東三采區(qū)，北部為E13105工作面，南部為E13101工作面(已設(shè)計(jì))，西為東三1號(hào)煤層集中進(jìn)、回風(fēng)巷，東部為井田邊界，上覆為E13501工作面(已回采)和E13501北部連采區(qū)(已回采)。

該工作面煤層厚度范圍0.8～4.4m，平均4.24m。煤層傾角0°～21°，平均7°?；卷敽穸葹?.5m、煤層埋深為320m、巖層內(nèi)摩擦角23°、直接頂厚度為1.35m、巖層容重為25kN/m3。煤層質(zhì)軟，極易碎，節(jié)理發(fā)育，頂部0.4m為塊煤，煤層由西向東逐漸變薄，至切眼區(qū)域煤厚變薄至0.8m。工作面設(shè)計(jì)走向?yàn)?086.5m，傾斜長(zhǎng)110m，如圖1所示。

圖1 工作面概況

1.2 殘留空巷影響

E13103工作面內(nèi)存在4條與工作面大致平行的空巷，與工作面夾角約為6°，從工作面兩條區(qū)段巷道揭露的情況看，4條空巷中相鄰兩條空巷間距在70m至80m之間。根據(jù)礦井設(shè)計(jì)的工作面接替順序，E13105工作面先進(jìn)行回采，當(dāng)推過(guò)橫穿于工作面的平行空巷時(shí)，出現(xiàn)了頂板大面積冒落的事故，致使工作面停產(chǎn)整修，嚴(yán)重影響礦井的安全生產(chǎn)。

小煤窯無(wú)序開(kāi)采殘留的各個(gè)老空巷，使工作面應(yīng)力分布狀態(tài)非常復(fù)雜，為有效控制殘留老空巷的破壞，對(duì)空巷周圍應(yīng)力分布進(jìn)行了深入研究，進(jìn)而對(duì)整個(gè)空巷存在區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了分區(qū)。老空巷的應(yīng)力分布狀態(tài)表明：殘余空巷周圍應(yīng)力明顯增大，應(yīng)力集中系數(shù)在1.4～1.7，其分布的區(qū)域范圍在傾向上位于老空巷前后6～12m，在走向上貫穿整個(gè)工作面，多個(gè)殘留的老空巷使工作面推進(jìn)的難度大大增加。

2 工作面過(guò)空巷頂板破斷規(guī)律

2.1 頂板破斷力學(xué)結(jié)構(gòu)

工作面前方無(wú)空巷時(shí)或工作面距離空巷較遠(yuǎn)時(shí)(遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于臨界煤柱的寬度)頂板破斷后形成穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)[12]，該結(jié)構(gòu)周期性失穩(wěn)對(duì)支架造成壓力作用形成周期來(lái)壓，工作面形成的力學(xué)結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 正常頂板破斷結(jié)構(gòu)

隨著工作面不斷推進(jìn)殘余老空巷與工作面間的距離逐漸減小，即兩者之間的煤體逐漸減少進(jìn)而形成煤柱，煤柱應(yīng)力分布隨著工作面推進(jìn)先后經(jīng)歷馬鞍型、雙峰型、單峰型。導(dǎo)致工作面在接近空巷時(shí)的頂板壓力遠(yuǎn)不同于工作面正常回采過(guò)程的頂板壓力[13，14]。

2.2 支架平衡的工作阻力測(cè)算

當(dāng)工作面與空巷間的煤柱寬度小于臨界寬度時(shí)，煤柱失穩(wěn)造成工作面上方的頂板跨空巷超前斷裂，形成過(guò)空巷的頂板破斷力學(xué)結(jié)構(gòu)模型如圖3所示，此時(shí)基本頂破斷結(jié)構(gòu)受力分析如圖4所示。

圖3 存在空巷頂板破斷結(jié)構(gòu)模型

圖4 頂板結(jié)構(gòu)受力

當(dāng)工作面推進(jìn)到與空巷間距小于臨界寬度時(shí)，懸臂長(zhǎng)度達(dá)到頂板的周期破斷距，頂板發(fā)生超前破斷[15，16]。梁在固支端斷裂的懸臂長(zhǎng)度為空巷寬度A、煤柱寬度B′與工作面基本頂上一次破斷的周期斷裂線Lx之和，由此可以確定頂板懸臂破斷的長(zhǎng)度。即為關(guān)鍵塊體②的長(zhǎng)度：

Lc=A+B′+Lx

(1)

砌體梁結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵塊體②與關(guān)鍵塊體③形成相互咬合的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)決定了整個(gè)砌體梁的穩(wěn)定性?？紤]到直接頂冒落后的松散系數(shù)Kp和直接頂厚度，則關(guān)鍵塊體②的下沉量W1為：

W1=M-∑h(Kp-1)

(2)

巖塊回轉(zhuǎn)的幾何關(guān)系：

關(guān)鍵塊體間的力矩的平衡關(guān)系：

式中，a為關(guān)鍵塊體間的咬合接觸長(zhǎng)度，m；M為煤層開(kāi)采厚度，m；h為基本頂巖層厚度，m；θ1為關(guān)鍵塊體的回轉(zhuǎn)角度，°；T為關(guān)鍵塊體間的水平推擠力，kN；Lc為超前破斷的關(guān)鍵塊體②的長(zhǎng)度，m；L′為工作面支架在頂板上的作用點(diǎn)與煤壁間的距離，m；R1為工作面支架通過(guò)直接頂作用在基本頂上的力，kN；P1為關(guān)鍵塊體②的自重及作用在其上方的載荷重量之和，kN；A為空巷寬度，m；B′為煤柱的臨界寬度，m；φ為破斷塊體接觸面的內(nèi)摩擦角。

此力學(xué)平衡結(jié)構(gòu)中最大的剪應(yīng)力Q2-3發(fā)生在關(guān)鍵塊體②③之間，為防止結(jié)構(gòu)在②③咬合接觸面發(fā)生滑落失穩(wěn)，則必須滿足以下條件：

Ttanφ≥Q2-3

(5)

Q2-3=P1-R1

(6)

聯(lián)立式(4)—(6)可得工作面支架通過(guò)直接頂作用在基本頂上的最低阻力應(yīng)為：

則支架的最低工作阻力應(yīng)為：

Pmin=R1+γhzLX

(8)

根據(jù)崔家寨礦的相關(guān)參數(shù)：基本頂厚度h為6.5m、煤層埋深H為320m、巖層內(nèi)摩擦角23°、煤層厚度4m、直接頂厚度hz為1.35m、巖層容重γ為25kN/m3、最大空巷寬度A為4m、煤柱臨界寬度B′為9.6m、基本頂巖層周期破斷距LT為14.9m、基本頂巖層破斷的關(guān)鍵塊上方的均布載荷q取0.17MPa。

代入式(8)得支架過(guò)空巷時(shí)應(yīng)具備的最低工作阻力Pmin為6300kN。

3 工作面過(guò)空巷的數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)崔家寨礦E13103工作面的布置情況，沿工作面布置方向設(shè)置200m，沿工作面推進(jìn)方向設(shè)置300m，高100m的三維計(jì)算模型。模型尺寸300m×200m×100m，模型劃分了92000個(gè)塊體、108158個(gè)節(jié)點(diǎn)。通過(guò)FLAC3D軟件內(nèi)嵌fix命令限制模型底部的水平位移和垂直位移，同時(shí)限制模型四周平面的水平位移，并且通過(guò)在模型頂部施加與上覆巖層重量等效的自重應(yīng)力，模型的巖石力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 煤巖層頂?shù)装辶W(xué)參數(shù)

3.2 工作面過(guò)空巷應(yīng)力規(guī)律

隨著工作面不斷向前推進(jìn)，距開(kāi)切眼439m的位置揭露第一條空巷，以后每推進(jìn)70m到80m便會(huì)揭露第二條、第三條、第四條空巷。工作面揭露第一條空巷過(guò)程應(yīng)用數(shù)值模擬記錄了工作面支承壓力變化情況如圖5所示，并繪制了工作面推進(jìn)至距空巷70m、50m、30m、20m、10m、5m時(shí)工作面前方支承壓力分布曲線，如圖6所示。

圖5 工作面應(yīng)力的分布情況

圖6 工作面前方支承壓力的分布曲線

數(shù)值模擬結(jié)果表明：工作面超前支承壓力影響范圍在40m至45m，工作面距空巷50m以上時(shí)，峰值點(diǎn)在煤壁4m至5m之間，支承壓力峰值在19MPa以下，支承壓力未影響到空巷。工作面距空巷50m以下時(shí)，工作面超前支承壓力與空巷側(cè)所形成的支承壓力開(kāi)始相互疊加，工作面距空巷20m時(shí)，超前支承壓力峰值急劇增加，工作面距空巷10m時(shí)，工作面前方支承壓力峰值達(dá)到最大值。工作面與空巷間距小于10m時(shí)，煤柱將進(jìn)入塑性屈服階段，此時(shí)應(yīng)采取措施加強(qiáng)煤壁的支護(hù)，對(duì)頂板及時(shí)支護(hù)。

4 礦山壓力實(shí)測(cè)研究

過(guò)空巷礦壓顯現(xiàn)選取了工作面15號(hào)支架數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)工作面距第一條空巷前50m到工作面推過(guò)第四條空巷后，即選取工作面推進(jìn)390m至690m之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并作出工作面位置與支架支護(hù)阻力的關(guān)系。工作面內(nèi)先后揭露了4條平行的小煤窯巷道，分別位于工作面距切眼439m、509m、592m、674m處，工作面推進(jìn)距離與支架工作阻力之間的關(guān)系如圖7所示。

圖7 工作面15號(hào)支架平均工作阻力與推進(jìn)距離關(guān)系

統(tǒng)計(jì)分析E13103工作面15號(hào)支架揭露前空巷各參數(shù)，見(jiàn)表2。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：支架推進(jìn)到距離空巷20m處支護(hù)阻力逐漸增加，推進(jìn)至距空巷7到9m時(shí)支架工作阻力出現(xiàn)了峰值區(qū)，約為5800kN，穿過(guò)空巷的過(guò)程當(dāng)中，支架工作阻力維持在一個(gè)較低的水平，平均約為2254kN。推過(guò)空巷之后，隨著頂板懸露長(zhǎng)度的增加，支架工作阻力逐漸上升，并且在推進(jìn)約15m后出現(xiàn)二次壓力峰值，為4200kN。距第二個(gè)空巷約11m至8m處，支架支護(hù)阻力進(jìn)入一個(gè)峰值區(qū)域，最高峰值為6282kN，揭露空巷過(guò)程中支架阻力為2678kN，空巷右側(cè)約15m出現(xiàn)壓力峰值，為4173kN。距第三個(gè)空巷約9m至7m處為出現(xiàn)壓力峰值，為6100kN，揭露空巷過(guò)程中為3168kN，工作面推過(guò)空巷后約10m出現(xiàn)下一個(gè)壓力峰值，為4491kN。距第四個(gè)空巷約8m處出現(xiàn)壓力峰值，為5859kN，揭露空巷過(guò)程中為2342kN。

表2 工作面揭露空巷過(guò)程支護(hù)阻力統(tǒng)計(jì)表

工作面推進(jìn)到距空巷7m至10m時(shí)支架的支護(hù)阻力明顯升高，工作面發(fā)生大面積來(lái)壓。過(guò)空巷的過(guò)程中支架出現(xiàn)較長(zhǎng)距離的高水平壓力，主要原因是上覆關(guān)鍵層在揭露空巷過(guò)程中，空巷與工作面間的煤柱失去穩(wěn)定支撐能力，造成工作面上方的頂板超前破斷，基本頂?shù)捻敯迤茢嗑嗤蝗患哟?，?duì)支架造成沖擊，從而使支架工作阻力大幅增加，造成工作面壓力增大。同時(shí)小煤窯空巷的存在使頂板較為破碎，關(guān)鍵層發(fā)生破斷后的沖擊，導(dǎo)致煤壁前方的頂板發(fā)生一定的擾動(dòng)，給工作面造成一定的壓力。

5 結(jié) 論

1)基于殘余空巷周邊應(yīng)力場(chǎng)分布，對(duì)全工作面的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了有效分區(qū)。在殘余空巷周圍應(yīng)力明顯增大，應(yīng)力集中系數(shù)在1.4～1.7，其分布的區(qū)域范圍在傾向上位于空巷前后6m～12m，在走向上貫穿整個(gè)工作面。

2)根據(jù)正常回采工作面的頂板破斷的梁式破斷力學(xué)模型以及失穩(wěn)與變形失穩(wěn)的機(jī)理和條件，建立了存在空巷頂板來(lái)壓的力學(xué)結(jié)構(gòu)模型，并推導(dǎo)出支架工作阻力的理論計(jì)算公式。

3)工作面超前支承壓力影響范圍在40m至45m之間，工作面距空巷50m以上時(shí)，峰值點(diǎn)在煤壁4至5m之間，支承壓力峰值在19MPa以下，支承壓力未影響到空巷。工作面距空巷20m時(shí)，超前支承壓力峰值急劇增加，工作面距空巷10m時(shí)，工作面前方支承壓力峰值達(dá)到最大值。工作面與空巷間距小于10m時(shí)，煤柱將進(jìn)入塑性屈服階段。

4)實(shí)測(cè)過(guò)空巷工作面的礦壓顯現(xiàn)結(jié)果表明，工作面在揭露空巷前的支護(hù)阻力最大，位置在工作面揭露空巷前7m到10m區(qū)間，有效確定了支護(hù)加強(qiáng)的位置，保障了工作面安全高效生產(chǎn)。