大傾角綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

許紅杰

(1.天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學研究總院開采研究分院，北京 100013)

0 引 言

在我國，大傾角煤層儲量占總儲量的比例達到15%左右，每年產(chǎn)量占總產(chǎn)量的8%～10%[1]。多年來，國內(nèi)外學者利用相關理論、數(shù)值計算、相似試驗和現(xiàn)場測試等分析方法，研究了大傾角煤層工作面的頂板破斷運移規(guī)律及礦壓顯現(xiàn)特征，取得了豐碩的成果[2]。大傾角煤層走向長壁綜放工作面，因煤層傾角大于頂煤頂板破碎煤矸石的自然安息角[3]，在工作面回采過程中，頂煤頂板冒落的煤矸石會沿著底板向工作面下端頭滑移，不同程度地充填采空區(qū)，工作面后方采空區(qū)的充填程度差異明顯，呈現(xiàn)出工作面下部區(qū)域充填壓實程度高，中部充填程度比較完全，上部區(qū)域充填不充分的特征[4-7]。直接頂冒落后采空區(qū)充填不均勻，造成對上覆巖石約束的非均衡性，基本頂初次破斷和周期破斷期間，工作面礦壓顯現(xiàn)呈現(xiàn)出“時-空-強”非對稱特征[8]，沿傾斜方向工作面中部偏上部位支架受力最大，上部次之，下部較小。大傾角綜放工作面基本頂初次垮落后，隨著工作面的持續(xù)推進，會出現(xiàn)“懸露-斷裂-轉(zhuǎn)動-下沉觸矸”的周期性破斷現(xiàn)象[9]，工作面不同位置在不同時期的礦壓顯現(xiàn)特征變化明顯，與緩傾斜煤層工作面礦壓顯現(xiàn)特征出現(xiàn)較大差異[10-11]，巖層控制難度比緩傾斜煤層大。受放煤影響，大傾角綜放工作面支架承載過程處于動態(tài)變化中，支架容易發(fā)生失穩(wěn)，回采過程中工作面容易發(fā)生片幫和端面冒頂，影響綜采設備的穩(wěn)定性和工作面安全管理[12-13]。

充分分析大傾角煤層工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，掌握上覆巖層運移特征，可為大傾角綜放工作面安全持續(xù)開采提供保障[14-16]。本文以汾源煤業(yè)5-101綜放工作面為研究對象，該煤層屬于典型的“三軟”地質(zhì)條件大傾角特厚煤層，采用物理相似材料模擬試驗及現(xiàn)場實測相結(jié)合的手段，對沿工作面傾向不同范圍的頂板巖層破壞特征、支架受載穩(wěn)定性狀態(tài)和支架工作阻力等方面進行分析，為大傾角煤層長壁開采下頂板穩(wěn)定性控制提供必要的基礎。

1 工作面概況

汾源煤業(yè)位于寧武煤田，地表覆蓋第三系、第四系，溝谷區(qū)域可見基巖，從東南向西依次出露中奧陶系、石炭系和二疊系。 主要可采煤層為5號煤層，煤層厚度為1.85～20.06 m，平均厚10.29 m，含0～4層夾矸，一般含矸1～2層，結(jié)構(gòu)復雜，屬全井田可采的穩(wěn)定煤層，煤層平均傾角在35°以上，屬典型的大傾角煤層。煤層單軸抗壓強度在10 MPa左右，屬軟弱煤層，頂板主要是泥巖或砂質(zhì)泥巖，底板巖性為砂質(zhì)泥巖、泥巖或粉砂巖，煤層綜合柱狀如圖1所示。由圖1可知，該煤層頂板、底板松軟，因此5號煤層為松軟大傾角煤層。5-101綜放工作面為5號煤層的首采工作面，走向長465 m，傾向長85 m，在實際開采過程中，根據(jù)工作面起伏狀態(tài)，選用合適的上行割煤和下行割煤方式。

圖1 5號煤層綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of No.5 coal seam

2 大傾角綜放工作面礦壓顯現(xiàn)相似模擬分析

大傾角松軟特厚煤層一次采全高工作面上覆巖層的破壞規(guī)律可以從走向和傾向兩個角度進行考慮。 根據(jù)已有研究[17-20]，在走向上，工作面上覆巖層的破斷規(guī)律同近水平煤層和緩傾斜煤層一致，均具有初次來壓和周期來壓特征，老頂均可形成砌體梁結(jié)構(gòu)；在傾向上，由于上覆巖層沿工作面重力分力作用的影響下，使其形成“傾向砌體”結(jié)構(gòu)，進而導致與近水平工作面和緩傾斜工作面的特征形成差異。綜合考慮利用物理相似模擬鋪設傾向模型，分析割煤開挖后覆巖的破斷冒落特征。 依據(jù)實驗室物理力學參數(shù)測試結(jié)果，按照相似理論選擇材料配比，具體參數(shù)見表1。

表1 相似材料配比參數(shù)Table 1 Similar material ratio parameters

綜合考慮原巖層理、節(jié)理、裂隙和軟弱面等影響因素，鋪設相似材料物理模型，骨料為河砂、石英砂和云母，膠結(jié)物由碳酸鈣和石膏組成，依照設計進行攪拌、鋪設，仿照工程實際情況的模型思路，盡量消除和減少模型與原型在力學性態(tài)上的差異，使其受力強度保持一致。模型鋪設時分層材料使用云母粉，最終模型如圖2所示。該模型的幾何相似比為1∶200，容重相似比為1.8∶2.5，時間相似比為1∶(200)0.5，應力及強度相似比為1.8∶500.0，實驗選用長×寬×高=3.20 m×0.25 m×1.30 m的平面應力模型架。

圖2 相似材料模擬模型Fig.2 Similar material simulation model

2.1 覆巖破斷運移過程

1) 上行割煤。模型采用上行和下行兩種割煤方式，兩側(cè)各留20 cm(對應實際量40 m)作為左右側(cè)邊界，工作面的有效長度為195 cm(對應實際量390 m)，從模型中5號煤層的中心開始，先上行割煤95 cm(對應實際量190 m)，再下行割煤100 cm(對應實際量200 m)。循環(huán)進度為5 cm(對應實際量10 m)，開挖間隔為20 min，在此過程中通過觀察頂板的破斷運移特征，分析大傾角綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

由上行割煤過程可知，上行割煤15～40 m，直接頂離層隨上行推進而持續(xù)加大，并出現(xiàn)較大撓度，有垮落的趨勢；上行割煤40～50 m，推進至42 m處，直接頂破斷冒落，冒落煤矸石沿下山方向滑移；上行割煤60～70 m，推進過程中直接頂隨采隨垮，采空區(qū)上方懸露的基本頂出現(xiàn)離層，并隨著推進彎曲撓度持續(xù)增大。工作面推進至68 m處時，直接頂垮落后，基本頂發(fā)生初次斷裂，步距為68 m?；卷敂嗔押笳w向后滑動，斷裂的基本頂在上山方向無法形成鉸接結(jié)構(gòu)，上山方向回轉(zhuǎn)后失穩(wěn)，沿裂縫切落，礦壓顯現(xiàn)較強；斷裂基本頂在下山方向形成穩(wěn)定的鉸接巖梁結(jié)構(gòu)，礦壓顯現(xiàn)較弱。

割煤過程中直接頂垮落矸石下滑至下部區(qū)域(圖3和圖4)呈破碎狀不均勻的充填在采空區(qū)(C區(qū))；中部區(qū)域(B區(qū))受下部區(qū)域空間矸石影響，垮落巖塊較為完整，充填不完整，上部呈懸頂狀態(tài)(A區(qū))，基本頂中上部區(qū)域巖層出現(xiàn)離層破壞現(xiàn)象，離層量較小。

上行割煤在70～80 m過程時，直接頂隨推進垮落，并向下山方向滑動；上山方向懸臂結(jié)構(gòu)的老頂巖層彎曲明顯，采空區(qū)上方懸露的基本頂出現(xiàn)較大離層。上行割煤80～130 m，大范圍基本頂整體下沉，并向下山方向滑動，最大離層發(fā)育到采空區(qū)底板法線上方52 m處(圖4)。上山方向基本頂斷裂處未形成鉸接結(jié)構(gòu)，覆巖整體切落，附近巖體裂縫發(fā)育，間隙較大，礦壓顯現(xiàn)劇烈；下山方向形成穩(wěn)定的鉸接結(jié)構(gòu)，巖體裂隙受擠壓閉合，礦壓顯現(xiàn)較弱。

圖3 上行割煤70 m頂板垮落形態(tài)Fig.3 Roof caving form of 70 m upward coal cutting

圖4 上行割煤130 m頂板垮落形態(tài)Fig.4 Roof caving form of 130 m upward coal cutting

上行割煤在130～160 m過程時，直接頂隨采隨冒，當上行割煤推進到160 m處時，高位基本頂懸臂結(jié)構(gòu)巖梁發(fā)生斷裂，呈逆時針回轉(zhuǎn)下沉(圖5)，在斷裂處會形成鉸接結(jié)構(gòu)，礦壓顯現(xiàn)較弱。上行割煤160～170 m，推進過程中直接頂隨采隨冒，并向下山方向滑動；上行割煤推進到170 m處，懸臂基本頂再次斷裂，基本頂和上覆巖層繼續(xù)逆時針回轉(zhuǎn)下沉，斷裂處形成鉸接結(jié)構(gòu)。 上行割煤170～190 m，推進過程中直接頂隨采隨冒，并向下山方向滑動；工作面推進至176 m處，基本頂在煤壁處發(fā)生斷裂，發(fā)生順時針回轉(zhuǎn)失穩(wěn)破壞，未在斷裂處形成鉸接結(jié)構(gòu)，附近巖體裂縫發(fā)育，間隙較大，礦壓顯現(xiàn)強烈，上覆巖層斷裂發(fā)育到模型頂部。

圖5 上行割煤160 m頂板垮落形態(tài)Fig.5 Roof caving form of 160 m upward coal cutting

上行割煤過程中，上位基本頂呈規(guī)則垮落狀態(tài)，下山方向采空區(qū)充填不均勻性，工作面上部(A區(qū))為懸頂區(qū)，幾乎無充填矸石；中部(B區(qū))由下向上煤矸石充填量逐漸減少，冒落后的煤矸石呈梯形狀(圖4)；下部矸石在采空區(qū)進行充填，在重力作用下采空區(qū)直接頂逐步壓實，穩(wěn)定后呈矩形狀分布。由于采空區(qū)矸石充填程度的差異，致使下端頭基本頂形成“傾向砌體”結(jié)構(gòu)，而上端頭基本頂則作為規(guī)則冒落帶隨割煤推進發(fā)生冒落。

2)下行割煤。下行割煤10～20 m，直接頂隨開采局部垮落，基本頂出現(xiàn)離層并有增大趨勢。下行割煤20～30 m，直接頂隨采隨垮，并向下山方向滑動；懸臂狀基本頂發(fā)生斷裂，呈順時針回轉(zhuǎn)(圖6)，在斷裂處形成穩(wěn)定的鉸接巖梁結(jié)構(gòu)。

圖6 下行割煤30 m頂板垮落形態(tài)Fig.6 Roof caving form of 30 m downward coal cutting

下行割煤30～50 m，懸臂狀基本頂再次發(fā)生斷裂、順時針回轉(zhuǎn)，在斷裂處形成穩(wěn)定的鉸接結(jié)構(gòu)，周圍巖體裂隙發(fā)育不明顯。下行割煤50～100 m，懸臂狀基本頂多次斷裂、順時針回轉(zhuǎn)，如圖7所示，同樣會在斷裂處形成穩(wěn)定的鉸接結(jié)構(gòu)，周圍巖體裂隙發(fā)育不明顯。上覆巖層發(fā)生大范圍斷裂下沉，下山方向覆巖斷裂處裂縫縫隙小，大部分為未貫穿裂隙，最大離層發(fā)育到采空區(qū)底板上方180 m左右。

圖7 下行割煤100 m頂板垮落形態(tài)Fig.7 Roof caving form of 100 m downward coal cutting

下行割煤過程中，直接頂隨采隨垮，并向下山方向滑動；基本頂呈懸臂狀態(tài)，周期性地發(fā)生斷裂垮落，斷裂處呈鉸接狀態(tài)?；瑒拥目迓渲苯禹敹逊e在下山方向的基本頂下方，限制了基本頂?shù)捻槙r針回轉(zhuǎn)幅度，礦壓顯現(xiàn)較弱。上覆巖層會隨基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)下沉而發(fā)生較大范圍下沉，斷裂處存在不貫通的細小裂隙，隨著時間的推移，最大離層向上發(fā)育至采空區(qū)上方250 m左右(圖8)。

大傾角工作面上覆巖層的鉸接結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)下部多、上部少的特點，基本頂離層向垂直工作面正上方發(fā)展，發(fā)育程度高達250 m，離層最大量位于工作面中下部的正上方，這是上覆巖層最大的擾動區(qū)域，破斷形狀呈波浪狀(圖8)。

圖8 下行割煤200 m頂板垮落形態(tài)Fig.8 Roof caving form of 200 m downward coal cutting

根據(jù)割煤過程直接頂和基本頂?shù)目迓錉顟B(tài)可知，大傾角工作面受到煤層傾角影響，采場頂板呈非均勻受載狀態(tài)，采空區(qū)矸石充填不均勻，工作面傾向下部區(qū)域頂板巖層得到垮落后，下部充填較為密實，從而在傾斜中上部區(qū)域形成非均勻下沉，采場中部區(qū)域和上部區(qū)域采空區(qū)充填程度一般，垮落巖石未對上方頂板結(jié)構(gòu)提供有效支撐作用，頂板呈現(xiàn)懸頂狀態(tài)。

2.2 覆巖運移規(guī)律分析

本次實驗沿5號煤層頂板傾斜方向和法線方向每間隔5 cm布置一個位移測點，共28層，658個測點。每次開挖后用全站儀測量位移的橫坐標、縱坐標，繪制巖層顯著移動的測點與原始位置的對比圖(圖9和圖10)。

圖9 上行割煤覆巖運移Fig.9 Strata migration of upstream coal mining

圖10 覆巖運移位置點陣分布Fig.10 Lattice distribution of strata migration position

由圖9和圖10可知，頂板導水裂隙帶呈非對稱性，為了分析工作面推進過程中上覆巖層“三帶”發(fā)展過程，提取不同開挖狀態(tài)下，“三帶”測點數(shù)據(jù)，繪制不同層位頂板下沉位移如圖11所示。由圖11可知，隨著割煤長度的增加，上覆巖層冒落最大量值在增加，發(fā)生垮落的最大量位置向上部區(qū)域偏移；工作面中上部垮落高度最大，受到覆巖層大范圍破壞及破斷高度的增加，而且冒落煤矸石容易下滑，很難充滿采空區(qū)，因此支架在中上部的穩(wěn)定性較差。

圖11 上行割煤不同層位頂板下沉位移Fig.11 Roof subsidence displacement at differentlayers of upstream coal mining

3 大傾角綜放工作面實測

選取汾源煤業(yè)5-101綜放工作面正常回采期間工作面礦壓數(shù)據(jù)進行穩(wěn)定性分析，包括得到工作面支架工作阻力分布、周期來壓情況、支承壓力分布和巷道圍巖變形情況。

3.1 支架工作阻力分析

在工作面礦壓作用下，液壓支架的工作阻力分布區(qū)間能夠較好地反映出支架的工作狀態(tài)。通過分析液壓支架工作阻力分布區(qū)間是否在合理范圍內(nèi)來判斷工作面液壓支架的適應性。近似為正態(tài)分布的液壓支架工作阻力分布區(qū)間是較為合理的，區(qū)間占比峰值位于額定工作阻力的50%～80%值處附近較為合理。具體劃分方法按照額定工作阻力的百分比劃分為5個區(qū)間，然后統(tǒng)計支架工作阻力在各區(qū)間段所占的百分比。各階段液壓支架工作阻力區(qū)間分布如圖12所示。

圖12 液壓支架工作阻力區(qū)間分布Fig.12 Distribution of support working resistance

由圖12可知，大傾角綜放工作面整體礦山壓力較小，正常回采期間，液壓支架工作阻力很少出現(xiàn)超過3 000 kN的現(xiàn)象。在工作面周期來壓期間，液壓支架工作阻力會超過4 000 kN，其他周期內(nèi)液壓支架工作阻力呈較低狀態(tài)。大傾角綜放工作面有20%的液壓支架工作阻力處于0～500 kN之間，而且每個液壓支架有20%的時間處于不承壓狀態(tài)。由于5-101工作面為急傾斜工作面，支架處于低阻力狀態(tài)不利于支架防倒、防滑。支架存在不承壓的主要原因是頂煤較軟，放煤較為充分，液壓支架后立柱存在空頂現(xiàn)象，從而導致整個液壓支架不能有效承載。

5-101工作面傾角大，先放上段頂煤可保證下段頂煤的完整性，利用下行方式放煤，使得下部支架能夠有效承載，可以有效遏制上部支架向下滑動和傾倒。此外，控制單個液壓支架的頂煤放出量，利用液壓支架壓力數(shù)據(jù)，尤其是前柱壓力數(shù)據(jù)，調(diào)整并控制放煤時間。當壓力數(shù)值降低時，可適當減小放煤時間，防止出現(xiàn)前柱不接頂現(xiàn)象。因此，為減少液壓支架不能有效支撐頂板情況，可采用下行移架方式。

3.2 工作面周期來壓分析

根據(jù)礦壓監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)分析知，2020年1月—5月，工作面發(fā)生了16次周期來壓，液壓支架壓力變化能夠捕捉到頂板來壓顯現(xiàn)特征。大傾角綜放工作面上端頭和下端頭的來壓頻次小于工作面中部，頂板周期來壓頻次較多的位置位于10#支架～20#支架，工作面周期來壓顯現(xiàn)強烈的區(qū)域位于工作面傾角變化大的轉(zhuǎn)折區(qū)域。工作面下端頭周期來壓強度較低，來壓步距在10.0～14.8 m左右，各支架來壓次序及來壓步距如圖13所示。

圖13 周期來壓步距Fig.13 Periodic step compression

由實測數(shù)據(jù)得到大傾角綜放工作面周期來壓顯現(xiàn)存在如下幾個特點：①大傾角綜放工作面不同區(qū)域頂板來壓頻次和顯現(xiàn)強度差異較大，兩端的頻次和強度都要低于中間區(qū)域；②工作面上部區(qū)域頂板來壓發(fā)生時間較早，可以以此判斷工作面來壓的時機；③工作面周期來壓步距為10.0～14.8 m，每周會發(fā)生以此周期來壓，來壓持續(xù)時間約為2 d。由此可見，大傾角煤層長壁綜放開采基本頂在周期破斷期間工作面礦壓顯現(xiàn)的“時-空-強”非對稱特征較為明顯。

4 結(jié) 論

1) 大傾角綜放工作面上行割煤基本頂斷裂后整體向下山方向滑動，斷裂的基本頂在上山方向無法形成鉸接結(jié)構(gòu)，在上山方向回轉(zhuǎn)后失穩(wěn)容易沿裂縫切落，導致礦壓顯現(xiàn)較強，斷裂基本頂在下山方向形成穩(wěn)定鉸接結(jié)構(gòu)，整體礦壓顯現(xiàn)較弱。

2) 大傾角綜放工作面下行割煤基本頂斷裂會發(fā)生順時針(轉(zhuǎn)向上山方向)回轉(zhuǎn)，并在斷裂處形成鉸接結(jié)構(gòu)，整體礦壓顯現(xiàn)較弱，上覆巖層會隨基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)下沉而發(fā)生較大范圍下沉，斷裂處細小尺寸裂隙較多，貫通形式相對較少。

3) 大傾角“三軟”煤層綜放工作面支架在荷載的長期作用下，顯示處于低工作阻力運行狀態(tài)，5-101工作面放煤期間易出現(xiàn)支架后柱空頂，近20%的支護時間內(nèi)支架不受壓，先放上段頂煤層可保證下段頂煤層的完整性，利用下行方式放煤，使得下部支架能夠有效承載，有效遏制上部支架向下滑動和傾倒。

4) 大傾角綜放工作面不同區(qū)域頂板來壓頻次和顯現(xiàn)強度差異較大，兩端的頻次和強度都要低于中間區(qū)域，工作面礦壓顯現(xiàn)呈現(xiàn)出明顯的“時-空-強”非對稱特征狀態(tài)。