偽傾斜煤層頂板垮落規(guī)律與支護(hù)受力特征研究

劉滿意

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

0 引言

中國急傾斜煤層儲量豐富，約占全國總煤炭儲量的15%～20%[1]。急傾斜煤層開采中常見偽傾斜開采方法，偽傾斜煤層工作面的支護(hù)設(shè)計(jì)更是煤層開采工藝中的難點(diǎn)，深入研究急傾斜煤層頂板垮落規(guī)律與工作面支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形特征，對煤礦安全高效生產(chǎn)具有重要意義。

國內(nèi)外眾多學(xué)者對急傾斜煤層開采進(jìn)行了研究，形成一定的理論和方法。在傾斜煤層頂板塌落規(guī)律研究方面，姚琦等[2]為研究急傾斜煤層頂板覆巖運(yùn)動特征，將物理模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合，探討了頂板變形特征；張浩等[3]通過室內(nèi)試驗(yàn)和理論分析研究了急傾斜煤層頂板破壞變形特點(diǎn)；張基偉[4]采用試驗(yàn)、模擬、理論分析等方法研究了急傾斜煤層的垮落規(guī)律；潘瑞凱等[5]根據(jù)急傾斜煤層幾何特征，以彈性力學(xué)理論為基礎(chǔ)，構(gòu)建了偽傾斜頂板力學(xué)模型；HE S Q等[6]研究了急傾斜特厚煤層沖擊地壓發(fā)生的機(jī)理，提出了通過頂板泄壓預(yù)防沖擊地壓的方法；程衛(wèi)民等[7]通過室內(nèi)物理模型實(shí)驗(yàn)分析了煤層開采時(shí)圍巖破裂規(guī)律；王家臣等[8]利用UDEC數(shù)值軟件分析了頂板破壞方式，并通過物理模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證；康天合等[9]通過物理模型實(shí)驗(yàn)研究了特厚煤層的變形垮落特點(diǎn)；韓光等[10]基于顆粒流的PFC3D對開采過程進(jìn)行了模擬，分析了開采過程中頂板運(yùn)動規(guī)律。

在開采工作面支護(hù)研究方面，石福泰等[11]以傾斜煤層為研究對象，提出了回采與支護(hù)協(xié)調(diào)開展的生產(chǎn)模式；張曉波等[12]對傾斜煤層頂板礦壓分布規(guī)律展開研究，提出了工作面有效支護(hù)方案；陳志才等[13]研制了新型柔性掩護(hù)支架，提高了煤礦安全生產(chǎn)程度；陳建強(qiáng)等[14]研究了急傾斜煤層巷道破壞變形特征，根據(jù)巷道非對稱變形特點(diǎn)提出了相應(yīng)加固方案；秦仕偉等[15]通過理論分析計(jì)算了巷道擠壓力與錨固范圍之間的關(guān)系；朱川曲等[16]根據(jù)急傾斜煤層采煤特點(diǎn)，對比優(yōu)化了放煤支護(hù)方案；曹樹剛等[17]在現(xiàn)場監(jiān)測了液壓支護(hù)壓力變化，探討了自移式液壓支架在復(fù)雜因素影響下的適用性；何興巧等[18]通過分析急傾斜煤層巷道錨網(wǎng)支護(hù)受力及破壞特征，提出了控制圍巖失穩(wěn)的方法。綜上所述，在急傾斜煤層頂板塌落規(guī)律研究方面，數(shù)值計(jì)算中力學(xué)模型及參數(shù)的選擇仍需優(yōu)化，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性有待提高；在工作面支護(hù)研究方面，多選用數(shù)學(xué)模型對支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，支護(hù)方案的現(xiàn)場實(shí)用性及安全性無從驗(yàn)證，需進(jìn)一步開展相關(guān)數(shù)值計(jì)算研究對現(xiàn)場支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)。

以紅陽煤礦為背景，通過現(xiàn)場勘查及室內(nèi)試驗(yàn)獲取圍巖力學(xué)參數(shù)，利用3DEC離散元軟構(gòu)建無支護(hù)狀態(tài)下偽傾斜煤層數(shù)值模型，分析頂板垮落規(guī)律。通過分析數(shù)值計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合工程實(shí)際情況制定柔性掩護(hù)支架(柔掩支架)支護(hù)方案，利用3DEC軟件對支護(hù)結(jié)構(gòu)受力及變形特征進(jìn)行分析，模擬驗(yàn)證支護(hù)方案的現(xiàn)場實(shí)用性，為急傾斜煤層工作面支護(hù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供參考。

1 工程圍巖力學(xué)特性

1.1 工程概況

紅陽煤礦位于松遼平原南部，下遼河平原東側(cè)，主要以第四紀(jì)地層為主。含煤地層主要為山西組與太原組相互交合沉積，其中7號煤層沉積穩(wěn)定，可采度適中，12號煤層為主要可采煤層，本文以12號煤層為例開展傾斜煤層頂板垮落及工作面支護(hù)研究。

該煤層為急傾斜煤層，煤層傾角50°，煤層平均厚度3 m，煤層走向長度460 m，傾斜長度103 m，面積為47 380 m2。頂板為厚層狀海相泥巖，其厚度為7～15 m，性脆，節(jié)理發(fā)育，巖體質(zhì)量等級較差。東四區(qū)煤巖柱狀分層如圖1所示。

圖1 煤礦煤巖分層柱狀Fig.1 Stratified columnar of coal and rock in coal mine

由于該煤層傾角大，回采難度大，為減小煤層傾角，提高生產(chǎn)效率，煤礦采用偽傾斜柔掩支架采煤法對煤層進(jìn)行開采。偽傾斜角為28°，落煤方式為工作面爆破落煤為主，柔掩面開采厚度為3.0 m，工作面平均循環(huán)進(jìn)度1.0 m，頂板管理采用全部自然垮落法。煤層回采方式如圖2所示。

圖2 偽傾斜煤層回采示意Fig.2 Mining diagram of pseudo inclined coal seam

1.2 煤巖力學(xué)性能研究

煤層及頂?shù)装辶W(xué)參數(shù)是巷道支護(hù)及安全開采的基礎(chǔ)，同時(shí)也是確定數(shù)值分析參數(shù)的數(shù)據(jù)依據(jù)。通過現(xiàn)場勘探取樣獲得12號煤層頂?shù)装迥鄮r、砂巖巖樣及煤樣，其中泥巖及砂巖巖樣如圖3(a)所示，泥巖巖性破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育、遇水易崩解，砂巖巖性完整、堅(jiān)硬、質(zhì)地均勻。將巖樣加工打磨成直徑50 mm，高度100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件，利用TAW 2000微機(jī)控制電液伺服壓力機(jī)開展巖石力學(xué)性能測試試驗(yàn)，試驗(yàn)加載系統(tǒng)及巖樣破壞特征如圖3(b)所示。

圖3 巖石力學(xué)參數(shù)測定試驗(yàn)Fig.3 Rock mechanics parameter determination test

通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)獲得的一組頂板泥巖試樣全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖4所示，其中e1為軸向應(yīng)變；e3為徑向應(yīng)變。通過室內(nèi)試驗(yàn)及文獻(xiàn)[19-20]所提供的方法獲得煤巖層基本力學(xué)參數(shù)，見表1。

2 偽傾斜煤層頂板塌落規(guī)律研究

利用3DEC軟件構(gòu)建急傾斜煤層離散元數(shù)值模型，基于室內(nèi)煤巖力學(xué)參數(shù)及應(yīng)變軟化模型對數(shù)值模型賦予計(jì)算參數(shù)，分析煤巖層接觸面分離斷裂過程，獲取偽傾斜煤層頂板塌落規(guī)律。

2.1 傾斜煤層3DEC離散元數(shù)值模型

以紅陽東四采區(qū)地煤巖特性及分布特征為基礎(chǔ)構(gòu)建3DEC數(shù)值模型，模型邊界條件及尺寸如圖5所示。為提高模型計(jì)算準(zhǔn)確率，對煤層及其頂板單元進(jìn)行密集化處理[21]。

表1 煤巖力學(xué)參數(shù)

在偽傾斜煤層頂板塌落規(guī)律數(shù)值計(jì)算中，完整巖塊物理力學(xué)性質(zhì)通過室內(nèi)試驗(yàn)測定，而在實(shí)際工程中巖體多分布節(jié)理裂隙，巖體強(qiáng)度通常小于試驗(yàn)測定強(qiáng)度，數(shù)值模型中巖石力學(xué)參數(shù)應(yīng)為實(shí)際巖體參數(shù)，模型中單元之間接觸面強(qiáng)度與裂隙分布情況相關(guān)，為使得計(jì)算模型更符合現(xiàn)場實(shí)際，模型煤層和頂板接觸面強(qiáng)度分別為試驗(yàn)值的1/10和1/5，離散元模型單元接觸面力學(xué)參數(shù)見表2。

采用摩爾 -庫倫應(yīng)變軟化本構(gòu)模型，當(dāng)巖層達(dá)到臨界強(qiáng)度時(shí)并不會立即破壞，而是逐步衰減至殘余強(qiáng)度，更符合現(xiàn)場煤巖破壞特性。計(jì)算過程對煤層進(jìn)行模擬開采，開采總長度為55 m，回采推進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺為5 m，隨機(jī)挑選多個(gè)頂板單元監(jiān)測其變形。

圖5 數(shù)值計(jì)算模型Fig.5 Numerical calculation model

表2 離散元模型單元接觸面力學(xué)參數(shù)

2.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

計(jì)算完成后提取頂板變形數(shù)據(jù)，繪制回采進(jìn)尺與頂板變形的關(guān)系曲線，如圖6所示。煤層頂板隨著工作面的推進(jìn)變形逐步增大，并且垮落及時(shí)，當(dāng)工作面回采至10 m時(shí)，頂板最大位移量為0.5 m；當(dāng)工作面回采至47 m時(shí)，頂板出現(xiàn)初次塌落，頂板塌落深度為4.8 m，縱向垮落范圍為13 m，位移曲線發(fā)生突變；當(dāng)工作面回采至34 m時(shí)，頂板發(fā)生第1次周期垮落，垮落高度為9.6 m，垮落范圍為22 m；當(dāng)工作面回采至47 m時(shí)，煤層頂板出現(xiàn)第2次周期塌落，垮落深度為14.2 m，縱向塌落范圍為35 m。通過數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，12號煤層泥巖頂板來壓及時(shí)，頂板具有隨采隨垮的特征。

3 偽傾斜柔性掩護(hù)支架采煤法

通過分析數(shù)值計(jì)算得到的泥巖頂板塌落規(guī)律可知，12號煤層泥巖頂板垮落及時(shí)，垮落頂板較破碎，結(jié)合紅陽煤礦現(xiàn)場工況，設(shè)計(jì)柔性掩護(hù)支架支護(hù)方案，并利用3DEC離散元軟件對支護(hù)方案進(jìn)行驗(yàn)算，分析支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征及現(xiàn)場實(shí)用性。

圖6 數(shù)值計(jì)算煤層頂板垮落規(guī)律Fig.6 Numerical calculation of roof caving law of coal seam

3.1 柔掩支架受力分析

掩護(hù)支架工作時(shí)主要受到垮落矸石重力的分力，所以進(jìn)行支架受力分析時(shí)以矸石作為研究對象，根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算矸石受力特征，矸石受力分析如圖7所示。其中AC為真傾斜工作面，CE為偽傾斜工作面，AE為上通風(fēng)巷，CD為下水平巷。

圖7 矸石單元受力分析幾何示意Fig.7 Geometric diagram of stress analysis of gangue unit

由圖7(a)可知，偽傾斜工作面與下水平巷道夾角為

(9)

式中，α為真傾角，此處取α=50°；β為偽傾斜角，此處取β=28°。

由于支架主要受力來自垮落矸石的重力，所以柔掩支架上的受力并不是均勻分布，其中頂板和底板受力較小，鋼梁中部受力較大。矸石重力和巖柱高度H、煤層傾角及煤層厚度M有關(guān)。煤層厚度取3.0 m，H為

H=M(2.77-2.36cosα)=3.75 m

(10)

矸石單元在JD上的受力特征如圖7(b)所示，G為煤矸石單元的自身重力，F(xiàn)z為垂直于斜面ACE的支撐力，F(xiàn)t為工作面AE的推力，支架在ACE面沿著AE方向額度摩擦力Fm。其中

F=G′=Gsinα=γHBMsinα=37.66 kN

(11)

式中，G′為重力沿JD向下的分力，kN；g為矸石容重，此處取23 kN/m3；B為支架軸心距，m。

Ft=G′cosε=29.8 kN

(12)

根據(jù)力的平衡和相互作用原理，矸石單元對支架的壓力Fy=Ft，方向相反。

3.2 柔掩支架選型

根據(jù)紅陽煤礦東四采區(qū)地質(zhì)條件及支架受力分析，初步設(shè)計(jì)工作面采用長3.0 m的“八”字型柔掩支架進(jìn)行支護(hù)，選用的鋼材為12號Q345工字鋼。每組支架由5根工字鋼組成，每組工字鋼之間通過鋼絲繩、小夾板和螺絲等構(gòu)件固定。每組支架之間采用軟梁連接，支護(hù)密度為5.5根/m。“八”字型柔掩支架結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。

圖8 “八”字型柔掩支架結(jié)構(gòu)示意Fig.8 Schematic diagram of “eight” shaped flexible shield support structure

3.3 偽傾斜柔性掩護(hù)支架采煤法數(shù)值計(jì)算

采用圖5所示數(shù)值模型模擬12號煤層在柔掩支架支護(hù)條件下的煤層開采，構(gòu)建有液壓支柱和無液壓支柱2種支架模型進(jìn)行對比，分析頂板塌落規(guī)律及柔掩支架的受力特征。

3.3.1 柔掩支架支護(hù)作用下頂板塌落規(guī)律

數(shù)值計(jì)算時(shí)模擬現(xiàn)場回采，由上向下逐步推進(jìn)，回采進(jìn)尺設(shè)定為5 m，共回采12步，同時(shí)根據(jù)12號Q345工字鋼參數(shù)構(gòu)建柔掩支架模型對工作面進(jìn)行支護(hù)。柔掩支架支護(hù)條件下的工作面頂板塌落規(guī)律如圖9所示。

圖9 柔掩支架采煤法模擬開采Fig.9 Simulated mining by flexible shield support mining method

通過圖9可以看出，在煤層回采過程中柔性掩護(hù)支架的性能主要體現(xiàn)在3方面：①柔性掩護(hù)支架能夠有效阻擋垮落矸石滾落至工作面，保證了工作面的安全生產(chǎn)，并且矸石能夠?yàn)槿嵝匝谧o(hù)支架提供足夠的推動力，使支架隨工作面向下移動。②柔性掩護(hù)支架能夠減小頂板的垮落范圍，通過計(jì)算結(jié)果可以看出，由于柔性掩護(hù)支架的存在，使垮落矸石堆積在工作面后方，煤矸石的堆積為上方頂板提供了支撐，限制了頂板中部的進(jìn)一步變形。③柔掩支架能夠?yàn)楣ぷ髅娣謸?dān)部分壓力，頂板來壓時(shí)工作面上方圍巖將壓力傳至工作面，工作面將積蓄能量，為工作面帶來安全隱患，柔掩支架能夠?yàn)楣ぷ髅婢徑獠糠謮毫?，提高工作面的穩(wěn)定性。

3.3.2 柔掩支架變形及受力分析

為進(jìn)一步分析柔掩支架支護(hù)過程中的穩(wěn)定性，對開采模擬過程中柔掩支架變形及受力進(jìn)行分析，最大應(yīng)力變化曲線如圖10所示，計(jì)算過程中柔掩支架變形云圖如圖11所示。

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，2種支架變形趨勢基本相同，即在垮落矸石推力的作用下，支架下部的變形量最大，并且與采煤方向一致，說明柔掩支架的底部有向下滑移的趨勢。但2種支架的受力狀態(tài)差別較大，在沒有單體液壓支柱的條件下，通過圖10可知，最大應(yīng)力達(dá)到731.5 MPa，已經(jīng)超出鋼材的極限承載能力，不利于工作面安全穩(wěn)定。當(dāng)柔掩支架配有液壓支柱時(shí)，支架受力狀態(tài)良好，液壓支柱在周期來壓作用下表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。因此，有液壓支柱的柔掩支架更能保障工作面人員設(shè)備安全，更適合現(xiàn)場應(yīng)用。

圖10 柔掩支架應(yīng)力變化曲線Fig.10 Stress change curve of flexible shield support

圖11 柔掩支架變形云圖Fig.11 Deformation cloud picture of flexible shield support

3.4 柔掩支架采煤法現(xiàn)場應(yīng)用分析

該方案應(yīng)用于東四采區(qū)1203工作面，并利用礦壓監(jiān)測系統(tǒng)對柔掩支架進(jìn)行監(jiān)測。通過現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，試采期間液壓支柱平均初撐強(qiáng)度118 MPa，與數(shù)值計(jì)算結(jié)果接近，工字鋼支架最大均布荷載為98 kN/m，未出現(xiàn)屈服變形，支護(hù)系統(tǒng)整體工作狀態(tài)良好。工作面在試采期間狀態(tài)穩(wěn)定，未出現(xiàn)片幫、冒頂、切頂和頂板臺階下沉等現(xiàn)象，頂板周期來壓步距為10～15 m，塌落后的頂板矸石能夠充分填補(bǔ)采空區(qū)，減小瓦斯對煤礦生產(chǎn)的影響，保證了工作面的安全生產(chǎn)。通過與數(shù)值計(jì)算對比可以發(fā)現(xiàn)，3DEC離散元計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場觀測結(jié)果基本一致，證明3DEC數(shù)值計(jì)算方法能夠有效檢驗(yàn)偽傾斜煤層開采支護(hù)方案的合理性。

4 結(jié)論

(1)利用3DEC離散元數(shù)值計(jì)算方法時(shí)，賦予煤巖層接觸面彈脆塑性應(yīng)變軟化本構(gòu)模型，能夠合理反映急傾斜煤巖層頂?shù)装宓牧W(xué)特性及破壞特征。

(2)偽傾斜柔掩支架采煤法適用于急傾斜泥巖頂板煤層，煤層開采期間泥巖頂板垮落及時(shí)，對柔性掩護(hù)支架起到積極的推動作用，并且液壓支柱能夠有效改善支架受力狀態(tài)，提高支架支護(hù)能力。

(3)3DEC離散元數(shù)值計(jì)算方法能夠合理分析傾斜煤層頂?shù)装迨芰白冃螤顟B(tài)，適用于煤層開采方法及支護(hù)方案的驗(yàn)算。