淮南某煤礦開采工作面壓架機(jī)理模擬分析

岳艷艷

（徐州中國礦大巖土工程新技術(shù)發(fā)展有限公司，江蘇徐州 221000）

研究區(qū)位于安徽省淮南市鳳臺(tái)縣西北部，礦區(qū)面積34.0139km2，可采煤層為二疊系山西組、石盒子組，其露頭帶普遍發(fā)育10～40m 厚的古風(fēng)化殼，其上不整合覆蓋了新近紀(jì)及第四紀(jì)沉積的厚松散土層，厚度390.35～509.10m。在松散層下開采時(shí)，某工作面發(fā)生了壓架事故。對(duì)壓架機(jī)理進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并提出防治建議，具有實(shí)際工程意義和參考價(jià)值。

劉書賢等[1]采用理論分析與相似材料模擬試驗(yàn)結(jié)合的方法研究了深部采動(dòng)覆巖變形機(jī)理；王曉振[2]通過理論與模擬實(shí)驗(yàn)研究了松散承壓含水層下采煤壓架突水災(zāi)害的產(chǎn)生機(jī)理；高保彬等[3]進(jìn)行了基于UDEC的覆巖移動(dòng)規(guī)律數(shù)值模擬分析；曹勝根等[4]運(yùn)用數(shù)值模擬方法分析研究采場(chǎng)上覆巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；這些成果都為煤礦安全開采提供了指導(dǎo)。

1 工作面工程地質(zhì)條件

1.1 工作面概況

工作面位于礦井北一采區(qū)，工作面可采面積386652m2，面內(nèi)平均煤厚約3.30m。工作面切眼上口處的基巖面標(biāo)高-463.30m，13-1 煤層頂板標(biāo)高-479.90m，最小防水煤柱16.60m。工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化采煤方法，ZZ6400/22/45 型液壓支架支護(hù)，一次采全高，全部垮落法管理頂板。

1.2 頂板工程地質(zhì)特征

根據(jù)工作面及周邊鉆孔揭示資料，13-1 煤頂板以上厚20～30m左右，以風(fēng)化的細(xì)粒砂巖及泥巖為主，單軸抗壓強(qiáng)度為17.9～19.7MPa，單軸抗拉強(qiáng)度1.31～1.50MPa，泥巖崩解量常在10%～50%之間，隨著風(fēng)化程度增加，其工程地質(zhì)參數(shù)值迅速降低。工作面切眼處煤層頂板以上巖層厚16.60m，屬軟弱覆巖類型。煤層頂板分級(jí)屬Ⅱ級(jí)頂板類型，支架平均工作阻力較大，老頂來壓顯現(xiàn)明顯。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

工作面地質(zhì)構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，以單斜構(gòu)造為主，局部存在起伏現(xiàn)象，未發(fā)現(xiàn)有異常地質(zhì)構(gòu)造。三維地震勘探顯示，工作面僅在七勘探線以北的回風(fēng)順槽附近發(fā)育一條落差0～6.0m的斷層，對(duì)回采影響較小。

1.4 水文地質(zhì)條件

工作面主要充水水源為上覆新生界松散孔隙含水層及13-1 煤層頂板砂巖裂隙含水層。頂板砂巖裂隙承壓含水層以靜儲(chǔ)量為主，富水性弱。抽水試驗(yàn)成果反映，涌水量和水位降深一般呈單一方向變化，涌水量曲線呈“疏干”型，水位恢復(fù)緩慢，屬以儲(chǔ)存量為主的弱含水層特征。二疊系煤層頂板砂巖裂隙含水層之間因有泥質(zhì)巖類及煤層相隔，相互間無水力聯(lián)系，13-1 煤層頂板砂巖含水層與煤系底部灰?guī)r含水層間無水力聯(lián)系。

2 工作面壓架離散元數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值計(jì)算模型及參數(shù)

根據(jù)工作面實(shí)際采礦地質(zhì)條件，為模擬回采期間工作面采空區(qū)上覆巖層移動(dòng)破壞規(guī)律，建立簡(jiǎn)化二維離散元數(shù)值模型：模型長(zhǎng)度400m，垂向高度取105m。

位移邊界條件：模型左右邊界施加水平方向的約束力，即水平位移為零。模型底部邊界為全約束邊界，即底部邊界結(jié)點(diǎn)水平、垂直位移均為零。

應(yīng)力邊界條件：模型上部邊界以上的松散層作為外載荷，厚度為432.30m，取土層重度為0.02MN/m，計(jì)算得模型上邊界所加荷載為8.646MPa。

開挖步距10m，開挖距離200m，建立的數(shù)值模型如圖1所示。

材料本構(gòu)模型為摩爾—庫侖模型，節(jié)理的本構(gòu)模型選為面接觸的庫倫滑移模型。各巖層力學(xué)參數(shù)如表1、表2所示。

表1 巖層力學(xué)參數(shù)

表2 節(jié)理面力學(xué)參數(shù)

2.2 覆巖移動(dòng)破壞特征

圖2分別為工作面煤層回采10m、20m、40m、80m、120m、200m時(shí)的覆巖垮落和破壞過程。

由圖2 可見，工作面自切眼處開挖，推進(jìn)距離10m時(shí)，直接頂開始垮落，垮落高度約為0.8m；推進(jìn)距離20m時(shí)，直接頂隨采隨冒，全部垮落；推進(jìn)距離40m時(shí)，工作面初次來壓，老頂開始垮落，呈“拱形”冒落，垮落高度為6～7.4m；推進(jìn)距離80m時(shí)，頂板下沉量加大，冒落帶高度達(dá)12～14.6m，上覆巖層內(nèi)出現(xiàn)了不同程度的離層和裂隙；推進(jìn)距離120m 時(shí)，冒落帶高度14～15m，頂板彎曲下沉明顯，較之前離層的空間更大，裂隙也更連通，整個(gè)裂隙范圍大致呈“馬鞍”形分布；推進(jìn)距離200m 時(shí)，上覆巖層隨采動(dòng)繼續(xù)彎曲下沉，裂隙貫通基巖全厚，波及上方松散層下部隔水層組，工作面前方及切眼位置裂隙較為發(fā)育。

因此，從模型覆巖運(yùn)移破壞的整個(gè)過程來看，覆巖破壞隨工作面推進(jìn)逐漸向前向上發(fā)展，工作面上方及前方裂隙最為發(fā)育，高度也最大；工作面后方采空區(qū)范圍內(nèi)頂板經(jīng)破壞、垮落、壓實(shí)、穩(wěn)定整個(gè)過程后，裂隙高度較低；并且裂隙在砂巖一類的硬巖中較發(fā)育，泥巖、風(fēng)化泥巖中欠發(fā)育。

2.3 覆巖應(yīng)力分布特征

由覆巖應(yīng)力矢量圖（圖3）可見，工作面推進(jìn)距離小時(shí)，應(yīng)力影響范圍比較小，集中在開挖區(qū)附近，隨著推進(jìn)距離增大，應(yīng)力影響區(qū)域逐漸增大。工作面推進(jìn)過程中，拱腳也不斷向前移動(dòng)，壓力拱拱體厚度不斷變厚，其內(nèi)圍巖應(yīng)力逐漸增加。從拱頂?shù)焦澳_，軸向力逐漸遞增，在拱腳出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中。這一現(xiàn)象惡化了工作面開采的覆巖應(yīng)力條件。

2.4 支架工作阻力對(duì)覆巖運(yùn)移破壞的影響

模擬支架工作阻力10MPa、20MPa 和30MPa 下覆巖移動(dòng)破壞狀態(tài)，通過覆巖垂直位移和垂直應(yīng)力場(chǎng)來反映頂板支撐效果，當(dāng)支架工作阻力為10～20MPa時(shí)，支架強(qiáng)度不足以支撐頂板，直接頂發(fā)生垮落，垮落程度隨支架工作阻力增大而減小，當(dāng)支架工作阻力為30MPa 時(shí)，直接頂幾乎不發(fā)生垮落。該工作面設(shè)備為ZZ6400/22/45型液壓支架，工作阻力為7200kN，根據(jù)模擬結(jié)果可知顯然不能滿足支撐強(qiáng)度要求，故發(fā)生壓架。

（1）不同支架阻力覆巖應(yīng)力場(chǎng)分析。工作面開采過程中，上覆巖層垂直應(yīng)力由下而上逐漸減小，覆巖應(yīng)力明顯降低，開切眼及煤壁前方區(qū)域應(yīng)力較高。隨著支架支護(hù)阻力不斷增大，卸壓區(qū)范圍逐步減小，直接頂垂直應(yīng)力有所增加，剪切應(yīng)力集中范圍減小。當(dāng)支架阻力達(dá)到30MPa時(shí)，覆巖應(yīng)力“條帶狀”分布，在采空區(qū)附近出現(xiàn)應(yīng)力拱（圖4）。

（2）不同支架阻力覆巖位移場(chǎng)分析。工作面頂板巖層因自重及其上覆載荷產(chǎn)生的來壓運(yùn)動(dòng)，決定了頂板巖層的完整穩(wěn)定性，工作面覆巖下沉量，取決于支架工作阻力對(duì)頂板的支護(hù)控制程度。支架工作阻力越大，對(duì)頂板巖層運(yùn)動(dòng)控制程度越高，頂板來壓下沉量及下沉速度就越小，采場(chǎng)上方的巖層就越完整穩(wěn)定。隨著支架工作阻力不斷增大，覆巖垂向位移逐漸減小，當(dāng)工作阻力達(dá)30MPa 時(shí)，煤層頂板位移變化量很小（圖5）。

3 工作面壓架機(jī)理分析

3.1 壓架機(jī)理分析

（1）頂板因素。根據(jù)該工作面地質(zhì)資料，煤層頂板巖層厚度從10m、8m、6m降到3m左右，巖性由砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖到砂質(zhì)泥巖，發(fā)生了明顯的相變，頂板支撐能力逐漸減弱，且現(xiàn)場(chǎng)上順槽退尺滯后于下順槽，推遲了工作面中上部頂板垮落時(shí)間，導(dǎo)致整個(gè)工作面同時(shí)來壓。切眼上方均為較軟弱風(fēng)化砂巖、砂質(zhì)泥巖和松散層，不能形成承載結(jié)構(gòu)，垮落帶高度大，使初次來壓強(qiáng)度大大超出支架支撐強(qiáng)度。

計(jì)算得該面冒落帶高度為16～19m，工作面回采過程中，頂板泥巖和砂巖隨采隨冒，但冒落后難以充填滿采空區(qū)；其上風(fēng)化砂巖是臨時(shí)關(guān)鍵層，隨著工作面推進(jìn)，風(fēng)化砂巖層斷裂來壓，但風(fēng)化砂巖上方均為較軟弱巖層和松散層，不能形成承載結(jié)構(gòu)。此時(shí)，支架需承載的巖層高度56m 左右，按此高度計(jì)算支架應(yīng)承受載荷為15050kN，遠(yuǎn)大于現(xiàn)用支架額定工作阻力。

（2）水壓影響。隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)頂板逐漸離層充水，水壓與頂板自身壓力逐漸累加，到達(dá)極限時(shí)，頂板垮落，礦壓和水壓同時(shí)釋放。現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，工作面淋水衰減后，工作面頂?shù)装遐呌诜€(wěn)定。

（3）機(jī)電設(shè)備因素。由于采煤機(jī)恰逢在初次來壓期間出現(xiàn)故障，工作面不能正常推進(jìn)，工作面支架長(zhǎng)時(shí)間處于高承載狀態(tài)，頂板快速下沉，支架安全閥大多開啟，活柱下縮迅速，前后立柱行程急劇降低，大部分支架后立柱被壓死。該工作面設(shè)備為ZZ6400/22/45 型液壓支架，當(dāng)額定阻力為7200kN 時(shí)，安全閥開啟的壓力應(yīng)為36.68MPa，但根據(jù)初采期間礦壓觀測(cè)表明，部分支架工作阻力不能達(dá)到設(shè)計(jì)的額定值。

3.2 出水機(jī)理

根據(jù)開采實(shí)踐及勘探資料，工作面上覆松散層底部發(fā)育穩(wěn)定隔水層，故排除松散層下部含水層造成出水的情況。砂巖裂隙水及風(fēng)化裂隙水賦水特征總體為靜儲(chǔ)量型及不均一性，富水性弱，沒有松散含水層或其它水源的直接補(bǔ)給，其出水水量變化呈從小到大，達(dá)到峰值后逐漸變小然后趨于穩(wěn)定甚至疏干的變化規(guī)律。因此該工作面表現(xiàn)為出水集中、衰減較快的特點(diǎn)。

風(fēng)化帶巖層力學(xué)強(qiáng)度較低，由于巖層自重力的作用，張開的裂隙重新閉合，下部巖層重新形成隔水層，抑制導(dǎo)高的發(fā)育，該處導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度小于19.6m，該處煤柱為27.6m，導(dǎo)水裂隙帶未波及強(qiáng)風(fēng)化巖層，未造成風(fēng)化帶大量出水。

工作面頂板來壓后，受動(dòng)壓影響，其周圍原巖應(yīng)力遭到破壞，造成頂板離層，裂隙張開、溝通，出水通道暢通，導(dǎo)致砂巖裂隙及風(fēng)化帶裂隙集中出水，水量迅速增加，水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果與各含水層水樣進(jìn)行比對(duì)分析，該處出水主要為頂板砂巖裂隙水，波及少量風(fēng)化帶裂隙水。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況可知，工作面內(nèi)始終沒有出水現(xiàn)象，且出水在工作面壓架數(shù)小時(shí)之后，因此出水與工作面壓架沒有關(guān)系。

4 防治措施

（1）強(qiáng)制放頂，將切眼后部頂板人工切斷，使頂板支撐狀態(tài)從固支狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻g支狀態(tài)，減少老頂初次垮落步距，以達(dá)到降低初次來壓強(qiáng)度的目的。

（2）工作面上順槽局部進(jìn)入風(fēng)氧化帶，采掘期間應(yīng)加強(qiáng)頂板管理，提高巷道的支護(hù)強(qiáng)度，重視支架的選型。

（3）嚴(yán)格控制上、下順槽的推遲步距，讓老頂逐次垮落，延長(zhǎng)初次來壓的時(shí)間長(zhǎng)度，避免整個(gè)工作面同時(shí)劇烈來壓。

（4）在防排水系統(tǒng)方面，嚴(yán)格按預(yù)計(jì)涌水量配備排水設(shè)備、建立排水系統(tǒng)、加強(qiáng)排水管理。

5 結(jié)論

利用離散元數(shù)值模擬軟件，計(jì)算分析工作面推進(jìn)不同距離時(shí)頂板垮落情況、冒落帶高度和形態(tài)、裂隙發(fā)育情況和覆巖應(yīng)力分布特征；對(duì)比分析不同支架阻力下覆巖應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)特征；分析得出工作面產(chǎn)生壓架的主要原因?yàn)轫敯灏l(fā)生明顯相變、風(fēng)化帶巖層承載力弱和支架工作阻力不夠，并提出預(yù)防措施，為類似工程條件下煤礦安全開采提供參考。