鄰空厚煤層高強(qiáng)度開采工作面煤壁失穩(wěn)機(jī)理

徐英俊，付志鵬

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.核工業(yè)井巷建設(shè)集團(tuán)公司，浙江 湖州 313000)

0 引 言

隨著我國煤炭行業(yè)轉(zhuǎn)型升級，在西部礦區(qū)涌現(xiàn)出一批千萬噸級的高產(chǎn)高效礦井。此類礦井通常具有采高大[1-3]、推進(jìn)速度快[4-6]的特點(diǎn)。高強(qiáng)度開采條件下，工作面出現(xiàn)的礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈、煤壁失穩(wěn)易片幫等新問題，已成為制約當(dāng)前礦井安全開采的關(guān)鍵因素[7-8]。

國內(nèi)學(xué)者對煤壁失穩(wěn)片幫機(jī)理和治理進(jìn)行了大量的研究[9-12]。常聚才等[13]通過理論分析，建立了支承壓力作用的煤體變形破壞及煤壁片幫分析力學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)支承壓力集中系數(shù)增大、機(jī)采高度增加和支架護(hù)幫阻力的減小能夠加重煤壁片幫程度。伍永平等[14]結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測，研究了大傾角軟煤綜放工作面“煤壁片幫→頂煤冒空→支架傾倒→底版滑移”的圍巖災(zāi)變機(jī)制，并提出了相應(yīng)的治理措施。郭衛(wèi)彬等[15]針對仰斜工作面，提出當(dāng)仰采角大于11°時(shí)，工作面易發(fā)生煤壁片幫和頂板下滑。楊勝利等[16]對影響煤壁穩(wěn)定性的因素進(jìn)行了敏感性分析，提出降低采高和提高支護(hù)強(qiáng)度、煤壁注漿加固和防止煤壁片幫的有效措施。楊培舉等[17]提出影響煤壁失穩(wěn)的主要因素為斷面距與砌體梁結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)變形壓力，并采用塑性滑移線確定了煤壁片幫的危險(xiǎn)范圍。

以往的研究多集中在單一工作面開采的情況，針對高強(qiáng)度開采下鄰空工作面的煤壁失穩(wěn)問題研究較為缺乏[18-20]。陜西華電榆橫煤炭有限公司小紀(jì)汗煤礦是年產(chǎn)1 000萬t的高產(chǎn)高效礦井，在其11215工作面回采期間，推進(jìn)至采空區(qū)附近時(shí)工作面動(dòng)壓現(xiàn)象明顯，大面積煤壁片幫產(chǎn)生的大塊煤嚴(yán)重制約了礦井的正常生產(chǎn)工作。筆者以小紀(jì)汗煤礦為研究對象，分析了鄰空高強(qiáng)度開采工作面煤壁失穩(wěn)的形式、機(jī)理和礦壓顯現(xiàn)特征，并提出了相應(yīng)的控制措施。研究成果可為我國西部礦井高強(qiáng)度開采工作面的生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 礦井概況

小紀(jì)汗礦位于陜西省榆林市榆陽區(qū)北西方向約20 km處，井田北面以榆橫礦區(qū)邊界為界，南面與西紅墩井田和紅石峽井田都有部分地區(qū)相鄰，西邊與可可蓋勘查區(qū)接壤，東邊以渝溪河為邊界。井田東西長13.05～23.43 km，南北寬7.88～14.33 km，面積約251.75 km2。11215工作面位于井田北翼東北部的11盤區(qū)，采用走向長壁后退式綜合機(jī)械化開采方式，全部垮落法管理采空區(qū)頂板。工作面走向長度4 888 m，傾斜寬度280 m，平均采高4.56 m，傾角1°～3°，煤層平均埋深350 m，11215工作面布置如圖1所示。

圖1 11215工作面布置

小紀(jì)汗煤礦主采2號煤層，直接頂厚度6.7 m，為灰白色中厚層狀中粒砂巖及薄層狀細(xì)砂巖；基本頂下部為灰綠色中粒砂巖，上部為灰綠色薄層狀粉砂巖，夾有厚2.7 m的灰白色厚層狀粗粒砂巖，緩坡狀層理。底板大部分地段為泥巖，強(qiáng)度較小?，F(xiàn)階段11213工作面已經(jīng)回采結(jié)束，11215工作面回采已經(jīng)進(jìn)入11213工作面開切眼和采空區(qū)位置。

圖1中將工作面分為Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)，其中Ⅰ區(qū)表示未鄰空開采段，Ⅱ區(qū)表示鄰空開采段。11215工作面回采已進(jìn)入Ⅱ區(qū)，其中11213與11215工作面中間留設(shè)有寬20 m的區(qū)段煤柱。進(jìn)入Ⅱ區(qū)，11215工作面靠近11213采空區(qū)的煤壁大面積片幫，嚴(yán)重影響到正常的生產(chǎn)回采。

1.2 工作面煤壁破壞特征

現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，11215工作面推進(jìn)區(qū)域位于Ⅰ區(qū)時(shí)(圖1)，煤壁失穩(wěn)現(xiàn)象很少；進(jìn)入Ⅱ區(qū)后，煤壁失穩(wěn)頻率增加，最大煤塊直徑為2.3 m(圖2)。頂板來壓期間，下端頭頂板破碎嚴(yán)重，出現(xiàn)了不同程度的冒頂，最大冒頂高度達(dá)到3 m。

圖2 11215工作面煤壁失穩(wěn)現(xiàn)場

2 工作面煤壁失穩(wěn)破壞機(jī)制

以11215工作面為研究對象，煤體破壞主要分為2個(gè)階段。

1)未鄰近11213采空區(qū)的11215工作面(圖3)。11215工作面未鄰近11213采空區(qū)時(shí)，工作面前方煤體由原始的三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閮上驊?yīng)力狀態(tài)，兩端頭附近甚至轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗驊?yīng)力狀態(tài)，兩向應(yīng)力狀態(tài)和單向應(yīng)力狀態(tài)的穩(wěn)定性遠(yuǎn)低于三向應(yīng)力狀態(tài)，同時(shí)工作面采動(dòng)引起上覆巖層垮落下沉帶來的來壓作用，使得基本頂垮落過程中的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對直接頂產(chǎn)生的各種拉伸剪切破壞，將很大一部分支承壓力由采空區(qū)上覆巖層轉(zhuǎn)移至煤壁，即11215工作面在回采過程中的煤壁超前支承壓力，對于工作面兩側(cè)也會(huì)形成相應(yīng)的側(cè)向支承壓力。在工作面上下兩端頭，煤壁超前支承壓力和側(cè)向支承壓力相互疊加，形成尖峰支承壓力如圖3中矩形框選部分，但此時(shí)支承壓力并未達(dá)到11215工作面煤體的破壞極限，煤壁失穩(wěn)現(xiàn)象幾乎不發(fā)生。

圖3 未鄰近11213采空區(qū)的11215工作面應(yīng)力分布

2)鄰近11213采空區(qū)的11215工作面(圖4)。在11215工作面開采至鄰近11213工作面的采空區(qū)時(shí)，受鄰近采空區(qū)殘余支承壓力與本工作面采動(dòng)支承壓力的疊加影響，11213工作面和11215工作面采空區(qū)上覆巖層均有一部分重力轉(zhuǎn)移至工作面前方煤壁，致使11215工作面下端頭形成了更高的尖峰支承壓力如圖4矩形框選部分所示，加之11215工作面煤層為主含水層，在開采之前進(jìn)行煤層疏水排水工作，導(dǎo)致煤層裂隙發(fā)育，同時(shí)煤層本身存在大量的層理節(jié)理，二次采動(dòng)影響下也會(huì)促使煤層裂隙發(fā)育，而且由于采空區(qū)側(cè)煤柱支承壓力轉(zhuǎn)移導(dǎo)致工作面上方支承壓力疊加后增大，煤體中的彈性區(qū)逐漸向塑性區(qū)轉(zhuǎn)變，塑性變形量增大，從而發(fā)生拉裂破壞或者剪切破壞。其次，在高地應(yīng)力環(huán)境中，煤體自身存在蠕變、松弛等流變效應(yīng)，使得煤壁沿豎直方向產(chǎn)生彎曲變形，從而引起煤壁的側(cè)向位移，在如此復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)與本身裂隙發(fā)育狀態(tài)下，工作面煤壁極易發(fā)生片幫失穩(wěn)。

圖4 鄰近11213采空區(qū)的11215工作面應(yīng)力分布

3 采空區(qū)懸頂及支架工作阻力實(shí)測分析

為研究11215工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及原因，對11215工作面鄰空側(cè)頂板懸頂形態(tài)和支架工作阻力進(jìn)行實(shí)測。

3.1 采空區(qū)懸頂形態(tài)

為了探測相鄰采空區(qū)頂板的懸空狀態(tài)，采用鉆孔探測法，由11215回風(fēng)巷向11213采空區(qū)側(cè)打鉆探孔。在11215工作面推進(jìn)至11213采空區(qū)影響范圍內(nèi)，在11215回風(fēng)巷打1組上述扇形鉆孔，鉆場位置如圖5所示，鉆場距11213開切眼518 m，超前11215工作面89 m。

圖5 11215工作面位置

3個(gè)探測孔具體施工位置：11215工作面回風(fēng)巷煤柱側(cè)巷幫，分別距頂板0.72、0.10、0.10 m，現(xiàn)場施工參數(shù)見表1，采場覆巖斷裂如圖6所示。

表1 11215回風(fēng)巷煤柱側(cè)采空區(qū)探測鉆孔參數(shù)

圖6 采場覆巖斷裂

目前11215工作面與11213采空區(qū)之間留設(shè)煤柱寬度為20 m，根據(jù)覆巖揭露可知，煤層上方頂板為整體性好而分層性差的厚層砂巖頂板，易塊狀破斷。隨著11213工作面和11215工作面的回采，煤柱上方特厚砂巖頂板的側(cè)向采動(dòng)破壞如圖6所示，其破斷運(yùn)動(dòng)過程如下：

1)11213工作面開采過程中，多層厚砂巖頂板沿傾向在煤柱附近整體性破斷，形成特厚的塊狀破斷巖柱，煤柱在厚層巖柱的壓力下塑性區(qū)發(fā)育深度增加，穩(wěn)定性降低。

2)11213工作面采動(dòng)穩(wěn)定后，覆巖在煤柱上方形成了長14 m左右的側(cè)向懸頂，并向11213采空區(qū)產(chǎn)生一定的旋轉(zhuǎn)下沉，下沉過程中，特厚巖柱在11215回風(fēng)巷回采幫上方可能發(fā)育形成大角度貫穿裂隙，使煤柱承擔(dān)大部分應(yīng)力，對工作面煤壁影響較小。

3)隨著11215工作面推進(jìn)，受采動(dòng)影響，煤柱穩(wěn)定性降低。完全進(jìn)入塑性狀態(tài)的煤柱支撐能力大幅度下降，使采場側(cè)向應(yīng)力峰值移向?qū)嶓w煤內(nèi)。工作面煤體應(yīng)力升高，引起下端頭煤壁大面積片幫以及下部支架的異常礦壓。

3.2 支架工作阻力

液壓支架的工作阻力是采動(dòng)覆巖應(yīng)力在平衡后，作用在采場上壓力的直接反映。以工作阻力為主要研究對象，選取支架平均工作阻力、支架來壓閾值、支架最大工作阻力和工作阻力均方差為特征值，研究單工作面(Ⅰ區(qū))和鄰空工作面(Ⅱ區(qū))礦壓變化規(guī)律。

支架來壓判據(jù)公式為

(1)

3.2.1 礦壓監(jiān)測方案

工作面自運(yùn)輸巷至回風(fēng)巷共安裝30臺(tái)支架支護(hù)質(zhì)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測儀，其中上部10臺(tái)，中部9臺(tái)，下部11臺(tái)，各測站位置如圖7所示。

圖7 11215工作面礦壓監(jiān)測站布置

主要對11215工作面在進(jìn)入11213采空區(qū)前、后的支架礦壓特征進(jìn)行分析，即對比分析11215工作面在單工作面段和單側(cè)鄰空段時(shí)支架的礦壓顯現(xiàn)情況，礦壓分析如圖8所示。

圖8 11215工作面支架壓力分析選段

3.2.2 支架工作阻力監(jiān)測結(jié)果

支架工作特征值。Ⅰ區(qū)與Ⅱ區(qū)在采動(dòng)下，11215工作面支架平均工作阻力、來壓閾值和最大工作阻力的對比如圖9所示。

由圖9可知，Ⅰ區(qū)與Ⅱ區(qū)相比，工作阻力相關(guān)各項(xiàng)指標(biāo)分布規(guī)律整體一致，均為上凸曲線，即中間大兩邊小，主要由工作面兩端煤柱支承作用引起。以110號支架為界，110號支架以前的平均工作阻力、最大工作阻力和來壓閾值等指標(biāo)均是Ⅰ區(qū)大于Ⅱ區(qū)，110號支架以后，發(fā)生反轉(zhuǎn)，Ⅱ區(qū)大于Ⅰ區(qū)，同時(shí)圖9顯示在工作面中部和下部，Ⅱ區(qū)的3個(gè)指標(biāo)值均比較接近，且遠(yuǎn)大于上部。這主要由于受11213采空區(qū)影響，寬20 m區(qū)段煤柱沒能有效支承11213工作面和11215工作面上方覆巖，使二者協(xié)同運(yùn)動(dòng)，造成11215工作面下部支架壓力水平明顯提高。

同時(shí)，由圖9可知，11215工作面中部和下部的支架工作阻力均方差Ⅱ區(qū)也明顯大于Ⅰ區(qū)，說明Ⅱ區(qū)在采動(dòng)下，支架壓力離散程度更大，工作面來壓現(xiàn)象也更為明顯。

圖9 11215工作面各測力支架工作阻力

3.2.3 煤壁失穩(wěn)與支架工作阻力關(guān)系

通過現(xiàn)場實(shí)測各支架前方煤壁失穩(wěn)片幫次數(shù)與深度，結(jié)合在對應(yīng)液壓支架的平均工作阻力，得到相關(guān)關(guān)系如圖10所示。

圖10 煤壁失穩(wěn)平均片幫深度與平均工作阻力變化

由圖10可知，支架平均工作阻力沿工作面方向也呈現(xiàn)“中間大、兩頭小”的特征，煤壁失穩(wěn)片幫次數(shù)和煤壁失穩(wěn)平均片幫深度基本都是中部大于下部大于上部。分析認(rèn)為煤壁失穩(wěn)片幫次數(shù)與煤壁失穩(wěn)平均片幫深度與頂板壓力呈正相關(guān)，在來壓期間頂板破碎支架上部壓力提升，支架正前方煤壁失穩(wěn)片幫次數(shù)與平均深度也呈相同的上升趨勢，當(dāng)支架上部頂板壓力降低時(shí)，煤壁失穩(wěn)片幫次數(shù)與片幫深度也呈回降趨勢。

綜上所述，11215工作面受11213采空區(qū)影響，支架工作阻力基本為中下部大于上部，來壓期間頂板破碎下沉比較劇烈，如果此時(shí)其工作阻力偏低，原本由液壓支架和前方煤壁共同承擔(dān)的頂板來壓，轉(zhuǎn)換為大部分由煤壁承擔(dān)，在如此高應(yīng)力狀態(tài)下，煤壁必然會(huì)失穩(wěn)，而且分析認(rèn)為煤壁失穩(wěn)片幫次數(shù)與煤壁失穩(wěn)平均片幫深度與頂板壓力變化呈正相關(guān)。因此提高液壓支架工作阻力可以起到來壓期間支承頂板進(jìn)而降低頂板壓力向前方煤壁轉(zhuǎn)移的趨勢，減少工作面煤壁失穩(wěn)現(xiàn)象的頻繁發(fā)生。

4 結(jié) 論

1)由單一工作面開采到鄰空開采的過程中，工作面靠近采空區(qū)側(cè)頂板失去支撐是引起下端頭煤壁失穩(wěn)的主要原因。

2)對比工作面未鄰空開采和鄰空開采期間液壓支架的工作阻力，發(fā)現(xiàn)鄰空開采期間，工作面靠近采空區(qū)一側(cè)的液壓支架工作阻力有增大趨勢；液壓支架的工作阻力與其前方煤壁片幫次數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。

3)通過對11213采空區(qū)懸頂進(jìn)行探測，揭示了工作面鄰空開采時(shí)煤壁失穩(wěn)機(jī)理，即工作面采空區(qū)一側(cè)煤柱進(jìn)入塑性狀態(tài)，從而失去支撐能力，使得側(cè)向支承壓力峰值移向工作面煤壁是引起煤壁失穩(wěn)的內(nèi)部原因，一方面可以增加工作面液壓支架工作阻力或者選擇合理的液壓支架架型結(jié)構(gòu)參數(shù)，另一方面增加煤柱寬度或進(jìn)行注漿加固能夠有效控制煤壁片幫。