基于傾角效應(yīng)的大采高采場頂板變形破壞規(guī)律研究

郭永紅，黃寶發(fā)，解盤石，陳建杰

(1.國能蒙西煤化工股份有限公司，內(nèi)蒙古 烏海 016062；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；3.西安科技大學(xué) 西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點實驗室，陜西 西安 710054；4.新疆焦煤(集團(tuán))有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830025)

在傾角大于30°的煤層中，約有一半的煤炭資源為優(yōu)質(zhì)焦煤和無煙煤等稀缺煤炭資源，且大部分為厚及特厚煤層，大采高開采可大大提高該類煤層的采出效率[1-4]。而該類煤層工作面安全高效開采的關(guān)鍵在于支架-圍巖系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制，其中頂板的穩(wěn)定性研究是保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的核心問題之一[5]。眾多學(xué)者通過理論分析、現(xiàn)場實測、數(shù)值計算等方法，研究了大傾角煤層不同回采工藝條件下礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律[6-8]、頂板空間結(jié)構(gòu)及其施載機(jī)理[9]、頂板巖層的非對稱變形破壞規(guī)律[10-12]、工作面綜采技術(shù)的現(xiàn)場實際應(yīng)用[13，14]、基本頂破斷模式及演化過程[15]、圍巖運移與支架相互作用規(guī)律[16-18]、采場矸石滑移充填效應(yīng)及覆巖運動機(jī)制[19-21]等，為構(gòu)建大傾角煤層開采理論與技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。在大采高煤層開采中，由于傾角效應(yīng)，冒落矸石會沿傾斜工作面做滑移運動，采空區(qū)呈現(xiàn)不均勻充填特征，進(jìn)而導(dǎo)致礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、頂板變形破壞特征及所形成堆砌-鉸接結(jié)構(gòu)的空間形態(tài)等均呈現(xiàn)出非對稱特性。

本文在已有研究工作基礎(chǔ)上，采用物理相似材料模擬實驗方法研究了傾角效應(yīng)下大采高采場頂板的變形破壞、滑移充填特征；其次采用數(shù)值計算分析了頂板在矸石非均勻充填約束條件下破壞變形的傾角效應(yīng)；最后，通過現(xiàn)場監(jiān)測分析了頂板的來壓規(guī)律、支架受載特征以及矸石的非均勻充填特性，驗證了數(shù)值計算和理論推導(dǎo)的合理性。研究內(nèi)容對豐富大傾角煤層工作面頂板穩(wěn)定性控制的理論與實踐有重要意義。

1 工程概況

新疆2130煤礦工作面設(shè)計走向長度1021m，傾斜長度100m，采高4.5m。煤層傾角平均30°～45°，容重1.35t/m3，煤層賦存穩(wěn)定，普氏硬度系數(shù)f=0.3～0.5。工作面直接頂為粗砂巖，厚度2.32m；基本頂為中砂巖，厚度16.6m；底板為粗砂巖，厚度為17.06m。

2 圍巖非對稱變形破壞特征

2.1 實驗過程

根據(jù)工作面以及實驗室?guī)r石力學(xué)實驗測得的煤巖體物理力學(xué)參數(shù)，選取河沙作為骨料，石膏、碳酸鈣作為膠結(jié)材料，在三維可加載試驗臺上鋪裝模擬材料，經(jīng)過鋪平、壓實、隨機(jī)刻畫節(jié)理，采用云母模擬分層。物理模型幾何相似常數(shù)為20，容重相似常數(shù)為1.6，應(yīng)力相似常數(shù)為32，時間相似常數(shù)為201/2。實驗采用自主研發(fā)的液壓支架模型，采用數(shù)據(jù)采集箱及電腦終端接受處理傳感器信號，相機(jī)拍照記錄頂板破斷形態(tài)、巖塊鉸接情況和垮落矸石堆積形態(tài)，實驗?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。

圖1 實驗?zāi)Ｐ?/p>

2.2 實驗結(jié)果及分析

實驗現(xiàn)象表明：大傾角大采高采場頂板破壞運移特征較一般采高大傾角煤層開采時更為活躍，隨著采高的增大，頂板垮落運移空間增加。直接頂垮落后下滑充填至傾向下部區(qū)域，并在傾向上部形成自由面。隨著工作面推進(jìn)，基本頂巖層逐步垮落層狀堆積，頂板巖層中形成非規(guī)則梯階破斷形態(tài)，采空區(qū)形成下部充填壓實、中部部分充填、上部懸空的非均勻充填帶，并在上隅角形成空頂區(qū)，如圖2所示。

圖2 頂板變形破壞特征

受矸石非均勻充填效應(yīng)影響，頂板形成下部層位低、中上部層位高的多級梯階狀巖體結(jié)構(gòu)。沿工作面自下而上，塊體結(jié)構(gòu)形成層位逐漸增高，而其穩(wěn)定性和對上覆未破壞巖層的支撐效應(yīng)逐漸減弱。下部區(qū)域矸石填滿并壓實，沿走向形成了“煤壁-支架-矸石”支撐系統(tǒng)，且頂板形成了砌體結(jié)構(gòu)，具有一定的承載能力。在傾斜中上部區(qū)域，矸石局部充填且堆積松散，存在大尺度空間，基本頂易發(fā)生回轉(zhuǎn)、滑落失穩(wěn)，形成傾向、反傾向堆砌結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)失穩(wěn)后會對該區(qū)域形成沖擊來壓，支架易遭受沖擊，不利于“支架-圍巖”系統(tǒng)的穩(wěn)定，如圖3所示。

圖3 傾向不同區(qū)域圍巖的走向結(jié)構(gòu)特征

可以看出：在大傾角煤層開采中，圍巖的變形破壞與充填形態(tài)呈現(xiàn)出明顯的非對稱特性。采空區(qū)矸石的非均勻充填是改變大傾角大采高采場圍巖及其與支架受載狀態(tài)的關(guān)鍵因素。中上部區(qū)域充填不實，頂板巖層運動的空間、幅度和劇烈程度加大，“支架-圍巖”系統(tǒng)接觸狀態(tài)不良，支架穩(wěn)定性控制難度大，極易出現(xiàn)動態(tài)失穩(wěn)誘發(fā)圍巖災(zāi)變。

2.3 采空區(qū)矸石非均勻充填

直接頂破斷垮落之后，矸石下滑充填至工作面下部區(qū)域，沿傾斜方向形成下部填實、中部部分充填和上部懸空的區(qū)域性充填特征。因此，建立的采空區(qū)矸石充填特征模型如圖4所示，圖中，α為煤層傾角，(°)；β為垮落矸石休止角，(°)；L為工作面傾向長度，m；h1為煤層厚度，m；h2為直接頂厚度，m；a為采空區(qū)垮落矸石充填區(qū)域長度，m；λ為直接頂碎脹系數(shù)；Pg為矸石支撐載荷，kN/m。

圖4 采空區(qū)矸石充填特征

直接頂垮落量與矸石充填量之間的對應(yīng)關(guān)系為：

可計算得出理想狀態(tài)下矸石充填區(qū)域長度：

上覆巖層對基本頂巖梁的作用載荷可分解為垂直巖梁的法向載荷和平行于巖梁的載荷，此處僅考慮垂直巖梁的載荷對頂板的作用，q(x)為基本頂巖梁的法向載荷，kN/m。

q(x)=(PA-xγsinα·L)cosα

(3)

AB段巖梁撓曲線微分方程為：

BC段巖梁撓曲線微分方程為：

20Fax3-60Max2+120A1xEI+120B1EI]

(6)

6Fbax2+2Fbx3+6Mbx2)+A3x+B3

(7)

式中，z1(x)、z2(x)為巖梁撓度；E為基本頂彈性模量；I為截面慣性矩；γ為基本頂容重。

結(jié)合工程實際選取參數(shù)，工作面長度100m，煤層厚度h1為4.5m，直接頂厚度h2為2.32m，PA為3750kN/m，矸石支撐載荷1500kN/m。

矸石充填長度及巖梁的撓度變化如圖5所示，由圖5可知，煤層傾角作為主控因素影響了垮落矸石的滑移充填特征，進(jìn)而導(dǎo)致頂板變形呈現(xiàn)出非對稱特性。當(dāng)煤層傾角為30°、35°、40°、45°時，傾向下部矸石支撐區(qū)域長度a分別為0m、5m、24.8m、31.45m。撓度峰值分別為0.274m、0.188m、0.071m、0.044m，位置分別為50m、53m、62m、65m。隨著傾角的增大，傾向下部矸石支撐區(qū)域長度增加，改變了基本頂巖層的受力與約束條件，基本頂巖梁的懸露長度、巖層自重應(yīng)力沿垂直于工作面方向的法向應(yīng)力進(jìn)一步減小，該區(qū)域內(nèi)工作面頂板較為穩(wěn)定；工作面頂板易破壞位置向傾向上部區(qū)域偏移，該區(qū)域內(nèi)頂板變形破壞幅度愈加劇烈，頂板圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性大幅度降低。

圖5 矸石充填長度及巖梁的撓度變化

3 圍巖非對稱變形破壞傾角效應(yīng)

大采高工作面煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1，采用3DEC離散元數(shù)值計算軟件建立三維數(shù)值模型，模型寬170m(X方向)、長160m(Y方向)、高200m(Z方向)，工作面長度100m。工作面沿y軸正方向推進(jìn)，在模型頂部施加覆巖等效載荷2MPa，模擬地層深度80m，對其余各面位移進(jìn)行約束，計算工作面傾角分別為30°、35°、40°、45°時大采高工作面頂板穩(wěn)定性特征以及采場頂板空間垮落運移充填規(guī)律。

表1 煤巖體力學(xué)參數(shù)

計算采用莫爾-庫侖(Mohr- Coulomb)屈服準(zhǔn)則判斷巖體的破壞：

式中，fz為抗剪強(qiáng)度，MPa；σ1、σ3分別為最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，MPa；c為粘結(jié)力，MPa；φ為摩擦角，(°)。

圖6 不同傾角條件下沿傾向頂板垮落運移充填特征

在大傾角大采高煤層開采中，圍巖的變形破壞與充填形態(tài)呈現(xiàn)出明顯的非對稱特性，頂板巖層垮落呈現(xiàn)多級梯階關(guān)鍵層頂板結(jié)構(gòu)。破斷巖層以傾斜堆砌形式存在，傾斜下部區(qū)域破斷巖塊形成鉸接結(jié)構(gòu)，以傾向堆砌結(jié)構(gòu)為主，中上部區(qū)域傾向堆砌與反傾向堆砌結(jié)構(gòu)并存。高位梯階關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)位于工作面中、上部區(qū)域，以基本頂巖層為主，層位較高，來壓強(qiáng)度大、周期短、有沖擊性，距采場底板垂直距離最大，其對頂板穩(wěn)定性起關(guān)鍵作用。工作面傾角為30°、35°、40°、45°時，頂板垮落帶高度分別為33.2m、29.6m、26.2m、23.2m；冒落矸石的充填長度分別為97.5m、83.2m、62.7m、56.2m。隨著傾角的增大，充填長度逐漸減小，堆積矸石的傾向剖面充填形態(tài)發(fā)生變化，由“梯形”→“三角形”→“矩形+三角形”，充填密實程度增大，其對頂板的非均衡約束特征愈發(fā)明顯，傾向下部區(qū)域頂板穩(wěn)定性增強(qiáng)，中上部區(qū)域頂板巖層的運動幅度和活躍程度加大，基本頂巖層易發(fā)生滑落、變形失穩(wěn)，形成反傾向堆砌結(jié)構(gòu)。冒落帶高度逐漸減小，變形破壞區(qū)域向工作面中上部方向移動，如圖6所示。

沿工作面走向方向，直接頂隨采隨冒，基本頂破斷后出現(xiàn)大幅度的切落、回轉(zhuǎn)，破斷基本頂與未垮頂板鉸接形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)，破斷的基本頂巖塊之間相互鉸接、擠壓保持穩(wěn)定，形成傾斜砌體結(jié)構(gòu)。頂板巖層垮落呈對稱拱形結(jié)構(gòu)，拱頂位于走向中部，前拱腳位于工作面前方煤壁，后拱腳位于開切眼處煤壁。工作面傾角為30°、35°、40°、45°時，拱頂高度分別為38.3m、35.5m、33.2m、31.3m；隨著煤層傾角的增大，頂板破壞范圍逐漸縮小，對稱拱形的高度和寬度不斷減小，圍巖走向結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性增強(qiáng)，如圖7所示。

圖7 不同傾角條件下沿走向頂板垮落運移充填特征

4 現(xiàn)場監(jiān)測

2130煤礦工作面采用綜合機(jī)械化大采高開采工藝，為掌握工作面開采過程中圍巖的變形、破壞和運移特征，沿工作面傾斜方向上、中、下三個區(qū)域分別布置測區(qū)，采用礦壓動態(tài)監(jiān)測儀對工作面測區(qū)內(nèi)支架的前后立柱所受載荷進(jìn)行連續(xù)記錄，進(jìn)而分析工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律以及不同區(qū)域支架受力特征及穩(wěn)定性特征。

工作面現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明：沿工作面傾斜方向，礦壓規(guī)律呈現(xiàn)非均衡分區(qū)域顯現(xiàn)特征，工作面上、中、下部區(qū)域支架工作阻力平均值約為4985kN、6422kN、3505kN。即工作面中部區(qū)域工作阻力(支架載荷)最大，上部區(qū)域次之，下部區(qū)域最小。工作面下部區(qū)域的工作阻力約為中部區(qū)域的54.5%，上部區(qū)域工作阻力約為中部區(qū)域的77.6%。工作面傾向上、中、下部測區(qū)支架工作阻力標(biāo)準(zhǔn)差依次為1088.07kN、1358.17kN、767.12kN，中、上部區(qū)域支架工作阻力分布較為離散、下部區(qū)域分布較為集中，工作阻力特征如圖8所示。傾斜上部區(qū)域垮落頂板滾滑堆積充填且存在較大尺度空頂區(qū)，形成了跨層位、大尺度、非對稱的空間梯階殘垣狀頂板巖層結(jié)構(gòu)，梯階結(jié)構(gòu)的周期性失穩(wěn)對矸石垮冒充填以及支架、圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性均有重要影響。

圖8 工作阻力特征

可以看出，在頂板的非均衡受載與約束作用下，沿工作面傾向不同區(qū)域內(nèi)，支架的受載與運移規(guī)律均存在較大差異。在傾向下部區(qū)域，矸石滑移充填滿且實，頂板運移空間、下沉量、回轉(zhuǎn)角均較小，支架-圍巖系統(tǒng)較穩(wěn)定，支架平均工作阻力及其離散程度均較?。辉诠ぷ髅鎯A向中、上部區(qū)域，垮落矸石充填程度較小且距離支架較遠(yuǎn)，頂板運移空間、下沉量、回轉(zhuǎn)角較大，支架變化幅度較大，部分支架工作阻力很小，接近零值，即空載現(xiàn)象，導(dǎo)致“頂板-支架-底板(R-S-F)”系統(tǒng)元素缺失，易發(fā)生頂板冒落。個別支架載荷超過額定工作阻力，架間相互推壓、咬擠等現(xiàn)象頻發(fā)，“支架-圍巖”系統(tǒng)受載更為復(fù)雜，導(dǎo)致支架平均工作阻力及其離散程度較大，其失穩(wěn)傾向遠(yuǎn)高于緩傾斜煤層開采時。

因此，在大傾角煤層大采高工作面開采中，應(yīng)對工作面進(jìn)行全方位礦壓監(jiān)測，重點針對工作面傾向中上部區(qū)域矸石充填不實且頂板現(xiàn)象頻發(fā)、支架受載與行為多變等特點，加強(qiáng)預(yù)警，一旦出現(xiàn)支架載荷驟增及支架位態(tài)不良等情況時，應(yīng)立即采取措施控制工作面頂、底板巖層，并及時調(diào)整支架位態(tài)，減少頂板冒落災(zāi)害，保證工作面頂板穩(wěn)定性。

5 結(jié) 論

1)傾角較大時，大采高采場頂板破壞運移特征較一般采高工作面更為活躍，煤層傾角影響了垮落矸石的滑移充填特征，冒落矸石的滾滑、充填程度遠(yuǎn)大于緩傾斜煤層，自由面區(qū)域范圍增大，易形成多級梯階巖體結(jié)構(gòu)，破斷基本頂易形成反傾向堆砌結(jié)構(gòu)，其失穩(wěn)后會對中上部區(qū)域形成較大程度的沖擊來壓，頂板圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性大幅度降低。

2)由于傾角效應(yīng)影響，圍巖的變形破壞與充填形態(tài)呈現(xiàn)出明顯的非對稱特性，隨著傾角的增大，矸石支撐區(qū)域長度增大，冒落帶高度減小。矸石充填形態(tài)由“梯形”→“三角形”→“矩形+三角形”演化，頂板破壞范圍逐漸縮小，充填矸石對頂板的非均衡約束效應(yīng)愈發(fā)明顯。

3)頂板的非對稱變形破壞特征導(dǎo)致支架工作阻力及其離散程度區(qū)域特征明顯，總體表現(xiàn)為傾向中部>上部>下部。隨著傾角增大，變形破壞區(qū)域向中上部移動，工作面傾向中上部區(qū)域內(nèi)頂板破壞現(xiàn)象頻發(fā)，“支架-圍巖”系統(tǒng)穩(wěn)定性較差極易誘發(fā)圍巖災(zāi)變。