近距離煤層重復(fù)采動(dòng)下堅(jiān)硬頂板破斷規(guī)律

張文宣

(陜煤集團(tuán)神木張家峁礦業(yè)有限公司，陜西 神木 719300)

0 引言

我國(guó)相當(dāng)一部分煤礦開采均采用全部垮落法管理頂板，隨著工作面向前推進(jìn)采空區(qū)空間不斷增大，同時(shí)頂板懸露面積增大直至垮落。對(duì)于堅(jiān)硬頂板而言，頂板懸露面積過大，垮落后往往會(huì)帶來工作面巨大沖擊力和明顯動(dòng)載現(xiàn)象，易使工作面致災(zāi)，造成巨大的人員傷亡和設(shè)備損壞[1-5]。近些年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)堅(jiān)硬頂板破斷規(guī)律的研究取得了眾多成果。李青鋒等[6]利用威震和支架礦壓監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，通過分析確定了工作面周期來壓步距。楊敬軒等[7]綜合利用理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，對(duì)堅(jiān)硬厚頂板來壓特征進(jìn)行分析，明確堅(jiān)硬厚頂板拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的分布情況，確定了頂板初次來壓和周期來壓步距。王開等[8]對(duì)于堅(jiān)硬頂板對(duì)采場(chǎng)危害的特征，研究了工作面頂板的3種控制放頂方式和頂板周期破斷的合理長(zhǎng)度。鞠金峰等[9]對(duì)大柳塔淺埋煤層大采高工作面關(guān)鍵層“懸臂梁”結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)綜合采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論分析和模擬實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行研究，闡述了斷面冒頂機(jī)理及其控制對(duì)策。頊建新[10]基于堅(jiān)硬頂板綜采工作面，研究了其覆巖應(yīng)力分布規(guī)律、覆巖破壞規(guī)律，并對(duì)頂板初次來壓和周期來壓進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。王子升[11]綜合運(yùn)用數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的手段，對(duì)大采高工作面礦壓規(guī)律分析，推斷覆巖來壓步距、來壓強(qiáng)度，為工作面回采做好預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。李立杰等[12]對(duì)淺埋煤層大采高工作面礦壓規(guī)律進(jìn)行研究，說明“懸臂梁”和“砌體梁”結(jié)構(gòu)的破斷特征。CHEN Y等[13]對(duì)軟媒、堅(jiān)硬頂板以及變化的地質(zhì)條件下，采用數(shù)值模擬和理論分析的方法研究煤層和頂板變形破壞特征，發(fā)現(xiàn)巖層破壞具有明顯的分區(qū)。PAN C等[14]對(duì)特厚煤層開采中高位堅(jiān)硬頂板引起的地面壓力行為分析，提出了一種豎井分層壓裂控制技術(shù)管理頂板。并建立了“coal wall-hydraulic support-gangue”支撐系統(tǒng)的力學(xué)模型，推導(dǎo)采場(chǎng)周期來壓老頂破壞跨度。王海洋等[15]為揭示裂縫對(duì)堅(jiān)硬頂板的破壞特征，對(duì)裂縫堅(jiān)硬頂板破斷步距進(jìn)行理論分析，并結(jié)合數(shù)值模擬研究堅(jiān)硬頂板破壞區(qū)域分布和破壞特征。

以上學(xué)者的研究，綜合運(yùn)用數(shù)值模擬、物理實(shí)驗(yàn)、理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，研究了堅(jiān)硬頂板破斷特征和頂板來壓規(guī)律。基于此，以張家峁煤礦15210工作面為例，在工作面回采過程中，上下端頭采空區(qū)存在懸頂面積過大，現(xiàn)為預(yù)防回采工作面兩端頭采空區(qū)頂板懸頂面積大垮落而產(chǎn)生沖擊力，造成工作面設(shè)備損壞和人員傷亡。為此，綜合運(yùn)用數(shù)值模擬(UDEC)和理論分析的方法，研究重復(fù)采動(dòng)大采高堅(jiān)硬頂板破斷規(guī)律，以期為現(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)與分析提供依據(jù)。

1 工程概況

張家峁煤礦15210回采工作面位于5-2煤層，煤層厚度5.9～6.1 m，平均厚度6 m。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傾角約為1.06°，垂直節(jié)理、裂隙發(fā)育，工作面推進(jìn)長(zhǎng)度1 857.21 m，切眼長(zhǎng)度296.95 m。工作面無直接頂，基本頂為粉砂巖，厚度15.45 m，頂板巖石飽和抗壓強(qiáng)度平均30 MPa，為較穩(wěn)定頂板，工作面具體煤巖層如圖1所示。

圖1 煤巖層柱狀圖

2 數(shù)值模擬

為得到大采高工作面堅(jiān)硬頂板垮落規(guī)律，現(xiàn)以張家峁煤礦15210工作面為工程背景，采用UDEC數(shù)值模擬軟件再現(xiàn)煤層開采后頂板破壞全過程。

2.1 模型建立

基于UDEC數(shù)值軟件，根據(jù)張家峁煤礦15210工作面煤巖體物理參數(shù)(表1)和節(jié)理物理力學(xué)參數(shù)(表2)，建立數(shù)值模型(圖2)，模型尺寸160 m×65 m(長(zhǎng)×高)。為消除邊界效應(yīng)，模型兩邊各留設(shè)40 m寬的煤柱，模擬工作面推進(jìn)80 m，模型上方施加4.25 MPa的垂直應(yīng)力以表示上方覆巖載荷。

表1 煤巖體力學(xué)參數(shù)

表2 節(jié)理物理力學(xué)參數(shù)

圖2 數(shù)值模型

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 4-4煤層開采

如圖3所示，當(dāng)4-4煤層充分開采后，底板塑性破壞范圍約9 m，圖中可以看出該煤層開采圍巖破壞范圍并不會(huì)影響到下位5-2煤層及其頂板。

圖3 4-4煤層開采圍巖塑性區(qū)分布

2.2.2 5-2煤層開采

開采5-2煤層時(shí)，由于該煤層無偽頂和直接頂，因此隨著煤層向前推進(jìn)直接面臨的是基本頂(粉砂巖)的斷裂破壞，整個(gè)破壞過程如圖4所示。

圖4 5-2煤層頂板破斷特征

如圖4(a)所示，當(dāng)工作面推進(jìn)45 m時(shí)，頂板出現(xiàn)下沉，但未發(fā)生破壞。如圖4(b)所示，當(dāng)工作面推進(jìn)50 m時(shí)，頂板發(fā)生斷裂破壞，工作面基本頂初次來壓，來壓步距約50 m，同時(shí)開始形成砌體梁結(jié)構(gòu)，覆巖產(chǎn)生較大的垂直位移量，且下沉明顯。如圖4(c)所示，當(dāng)工作面推進(jìn)55 m時(shí)，頂板持續(xù)下沉，并且在煤壁前方形成跨距約7 m的頂板懸露。如圖4(d)所示，當(dāng)工作面推進(jìn)60 m時(shí)，砌體梁結(jié)構(gòu)繼續(xù)保持穩(wěn)定，并且在煤壁前方形成跨距約12 m的頂板懸露。如圖4(e)所示，當(dāng)工作面推進(jìn)65 m時(shí)，砌體梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，工作面基本頂?shù)?次周期來壓，來壓步距約17 m，此時(shí)頂板垮落至采空區(qū)形成“八字形”破壞，并且工作面后方覆巖受充分采動(dòng)影響，已經(jīng)開始穩(wěn)定，減緩以至不再下沉。如圖4(f)所示，當(dāng)工作面推進(jìn)70 m時(shí)，基本頂裂隙不斷發(fā)育，并且形成約8 m的直接頂懸露。如圖4(g)所示，當(dāng)工作面推進(jìn)75 m時(shí)，基本頂不斷破壞，形成約12 m的頂板懸露。如圖4(h)所示，當(dāng)工作面推進(jìn)80 m時(shí)，基本頂破斷加劇，并且全部斷裂，此時(shí)工作面出現(xiàn)二次周期來壓，來壓步距約15 m。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

在工作面回采過程中，通過對(duì)液壓支架動(dòng)態(tài)載荷阻力檢測(cè)來判斷工作面周期來壓，并確定來壓步距。如圖5所示。

圖5 2020年6月工作面周期來壓步距

結(jié)合圖5工作面周期來壓步距，6月份工作面周期來壓步距最大在6月19日，可達(dá)22.75 m；其次在6月22日，工作面周期來壓步距可達(dá)20 m；而且來壓步距大多保持在10 m以上，來壓步距大，來壓頻繁。

4 結(jié)論

(1)近距離煤層間由于有堅(jiān)硬巖層(粉砂巖)存在，因此上位煤層開采底板塑性區(qū)破壞范圍不會(huì)波及到下位煤層。

(2)在開采5-2煤層時(shí)，由于煤層頂板為基本頂(粉砂巖堅(jiān)硬頂板)，通過UDEC數(shù)值模擬計(jì)算基本頂初次來壓步距約50 m，第1次周期來壓步距約17 m，第2次周期來壓步距約15 m。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，周期來壓步距保持在3～22.75 m范圍內(nèi)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確性，因此，通過該數(shù)值模擬可作為堅(jiān)硬頂板周期來壓步距的預(yù)測(cè)。

(3)根據(jù)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果分析，可以得出工作面堅(jiān)硬頂板具有來壓步距大，來壓頻繁，頂板懸頂時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)。