急傾斜中厚煤層偽俯斜采場覆巖運(yùn)移規(guī)律研究

王德發(fā)，張穎異，解盤石，黃寶發(fā)，屈利利，吳少港，林偉典，楊 航

(1.內(nèi)蒙古煤礦設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.中安國泰(北京)科技發(fā)展有限公司，北京 100012；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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；4.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

急傾斜煤層是指埋藏傾角大于45°的煤層，廣泛賦存于西部礦區(qū)[1]，約占我國煤炭資源探明儲(chǔ)量的4%，其中60%以上為優(yōu)質(zhì)或稀缺煤種，是國際公認(rèn)的復(fù)雜難采煤層。隨著我國淺部及緩傾斜的易采煤炭資源日益枯竭，急傾斜煤層安全高效開采業(yè)已成為了我國煤炭工業(yè)亟需解決的重大戰(zhàn)略命題，對我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與和諧穩(wěn)定具有重要建設(shè)性、促進(jìn)性與保障性作用。工作面?zhèn)胃┬辈贾檬羌眱A斜煤層常用的開采方法之一，因此，研究急傾斜偽俯斜采場覆巖運(yùn)移規(guī)律可為礦井實(shí)際現(xiàn)場提供理論基礎(chǔ)。

近年來，已有許多學(xué)者通過不同研究手段對急傾斜煤層采場圍巖特征進(jìn)行了思考與研究。針對急傾斜煤層長壁采場頂板破斷機(jī)理，張嘉凡、尹光志、楊帆等利用薄板理論對急傾斜煤層長壁采場頂板撓曲變形及覆巖移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究[2-4]，得到了其頂板撓度計(jì)算公式[5]。伍永平、解盤石、王紅偉等研究并揭示了非均衡約束作用下大傾角煤層長壁開采圍巖運(yùn)動(dòng)變形、宏觀應(yīng)力場分布的區(qū)域性特征[6-10]，并指出了支架-圍巖的相互作用關(guān)系[11，12]。房局、施峰、潘瑞凱等根據(jù)偽俯斜采場頂板呈平行四邊的特點(diǎn)，通過理論分析建立了偽俯斜開采頂板力學(xué)模型，分析了不同推進(jìn)度下的頂板破斷特征[13，14]、矸石充填特征[15，16]及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律[17-20]。

綜上所述，針對急傾斜煤層長壁綜采巖層控制理論的研究較為鮮見，且鮮有學(xué)者對急傾斜長壁偽俯斜工作面頂板覆巖運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究。因此，以逢春煤礦N2821急傾斜中厚煤層長壁工作面為工程背景，采用物理模擬和數(shù)值模擬方法，研究了急傾斜煤層偽俯斜采場圍巖應(yīng)力演化及覆巖變形破壞特征，為工程實(shí)踐提供一定的科學(xué)指導(dǎo)。

1 工程背景

逢春煤礦N2821工作面走向平均長度為670.2m，傾斜平均長度為62.2m，煤層總厚度1.8～3.4m，平均厚度為2.57m。煤層傾角為50.7°～52.5°，平均傾角為51.6°。煤層為黑色半亮型煤，似金屬光澤，呈顆粒狀，內(nèi)生裂隙發(fā)育?；卷斠约?xì)砂巖為主厚度4.68m，質(zhì)地較硬，呈塊狀；直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度2.65m；直接底為泥巖，厚度2.60m；基本底為泥灰?guī)r，厚度12.54m，質(zhì)硬，呈塊狀。工作面頂?shù)装迕簬r力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖力學(xué)參數(shù)

2 物理相似模擬及數(shù)值模擬設(shè)計(jì)

2.1 物理相似模擬模型建立

根據(jù)N2821工作面頂?shù)装鍘r性及物理力學(xué)參數(shù)，將河砂、粉煤灰、石膏、大白粉等相似材料按不同的配比混合后加水?dāng)嚢杈鶆蚝笱b入模型架，具體參數(shù)見表2。各巖層之間用云母粉進(jìn)行分層，并通過人工預(yù)制節(jié)理裂隙、壓實(shí)等步驟鋪裝好模型，模型具體相似常數(shù)及尺寸如圖1所示。

表2 相似材料配比

圖1 物理相似材料模型

2.2 數(shù)值模擬模型建立

根據(jù)該工作面地質(zhì)資料及工作面生產(chǎn)條件，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件確定數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示，尺寸為長×寬×高=193m×270m×263m，工作面推進(jìn)方向沿Y軸正方向，采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，set-large大應(yīng)變變形模式，模型底部限制垂直移動(dòng)，上部施加覆巖等效載荷，模型前后和側(cè)面限制水平移動(dòng)，整個(gè)模型由483130個(gè)單元組成，包括502686個(gè)節(jié)點(diǎn)。工作面為偽俯斜布置，工作面回風(fēng)平巷超前運(yùn)輸平巷16m。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

3 急斜煤層偽俯斜采場圍巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律

3.1 頂板非對稱破斷特征

急傾斜煤層偽俯斜工作面推進(jìn)期間，工作面中部頂板出現(xiàn)離層，頂板上方產(chǎn)生平行于工作面?zhèn)涡狈较虻膬A向裂隙。在工作面支架及上邊界煤柱的支撐作用下，傾向上部頂板形成比較穩(wěn)定的上三角垮落滯后區(qū)域，如圖3(a)所示。由于急傾斜煤層的角度較大，其工作面中上部垮落頂板沿傾向滾滑至下部采空區(qū)，見圖3(b)，使下部采空區(qū)區(qū)域充填密實(shí)，從而增強(qiáng)了對基本頂?shù)募s束能力，致使下三角區(qū)域頂板形成如圖3(a)所示的裂隙，并后發(fā)生垮落。急傾斜煤層工作面頂板垮落輪廓沿傾向呈非對稱拱狀，破斷輪廓的拱頂處于工作面中上部，垂向上由下至上頂板垮落后巖梁長度由短向長演變，呈現(xiàn)為階梯狀。在垮落頂板的區(qū)域充填作用下，頂板垮落特征表現(xiàn)為先中部，次上部，后下部的時(shí)序性。

圖3 頂板非對稱宏觀破斷結(jié)果

3.2 覆巖非對稱運(yùn)移冒落特征

隨著工作面推進(jìn)，工作面中部和上部頂板交替垮落并滑移至工作面下部，導(dǎo)致下部直接頂未發(fā)生明顯的變形與破壞，如圖4所示。在已垮落直接頂?shù)倪\(yùn)移充填作用下，傾向不同區(qū)域直接頂破壞順序亦不同，其主要表現(xiàn)為：工作面推進(jìn)初期，傾斜上部頂版變形破壞程度明顯大于中部；正常回采期間，隨著垮落頂板的傾向堆積，其對采空區(qū)中下部懸露頂板的約束作用增加，中部懸露頂板的變形程度大于上部；下部懸露頂板始終受到堆積充填的影響，一直未發(fā)生大范圍的破斷現(xiàn)象。由于急傾斜煤層的傾角效應(yīng)及工作面?zhèn)涡辈贾梅绞?，采場頂板沿傾向會(huì)發(fā)生不同程度的運(yùn)移冒落，頂板垮落具有明顯的時(shí)空差異特征。

圖4 工作面不同區(qū)域頂板垮落特征

4 急斜煤層偽俯斜采場應(yīng)力演化規(guī)律

4.1 工作面不同區(qū)域圍巖走向應(yīng)力演化特征

急傾斜薄煤層偽俯斜采場開采期間，采場圍巖應(yīng)力重新分布，工作面頂?shù)装寰鶗?huì)出現(xiàn)拱狀應(yīng)力釋放區(qū)，其中頂板應(yīng)力釋放區(qū)范圍明顯大于底板應(yīng)力釋放區(qū)，工作面開切眼和煤壁端產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。開采初期，沿傾斜方向不同區(qū)域集中應(yīng)力最大值基本一致，約為15.3MPa。受煤層傾角作用影響，不同推進(jìn)度下工作面傾向不同區(qū)域應(yīng)力大小及范圍都有所差異。由圖5可知，在工作面不同推進(jìn)距離下，工作面傾向不同區(qū)域圍巖應(yīng)力呈非對稱狀。隨著工作面推進(jìn)，上部區(qū)域頂板應(yīng)力釋放區(qū)向高層位巖層延伸，下部區(qū)域應(yīng)力釋放范圍較小，是由于下部區(qū)域受到了傾角作用下垮落頂板的下滑充填作用，同時(shí)因垮落矸石充填作用影響而在頂板中再次出現(xiàn)應(yīng)力集中。隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，集中應(yīng)力也逐漸增加，當(dāng)工作面推進(jìn)到100m時(shí)，端頭垂直應(yīng)力最大值達(dá)18.9MPa。

圖5 不同推進(jìn)度下工作面不同區(qū)域圍巖走向垂直應(yīng)力特征(Pa)

4.2 工作面不同區(qū)域圍巖傾向應(yīng)力演化特征

由圖6可知，在工作面采動(dòng)作用下，采場頂、底板受力狀態(tài)由原來的壓應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力。由于煤層傾角的影響，應(yīng)力釋放和轉(zhuǎn)化在傾向上表現(xiàn)出較大的差異性。同時(shí)由于采空區(qū)內(nèi)充填作用的影響，頂、底板圍巖應(yīng)力沿傾向也發(fā)生了改變。

圖6 不同推進(jìn)度下工作面圍巖傾向垂直應(yīng)力演化特征

當(dāng)工作面推進(jìn)至20m時(shí)，工作面頂?shù)装鍍?nèi)的垂直應(yīng)力釋放范圍呈扁平拱形狀，頂板應(yīng)力釋放區(qū)向工作面上部區(qū)域偏移，底板應(yīng)力釋放區(qū)向工作面下部區(qū)域偏移。在工作面上、下端頭煤壁和下部充填范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。當(dāng)工作面推進(jìn)至60m，頂板內(nèi)水平應(yīng)力對圍巖的影響逐漸增大，鉛垂應(yīng)力釋放區(qū)最大值為0.258MPa，工作面上部煤壁和采空區(qū)垮落充填矸石上部頂板內(nèi)的應(yīng)力集中程度進(jìn)一步加劇。當(dāng)工作面推進(jìn)至100m時(shí)，圍巖應(yīng)力釋放區(qū)形狀不再發(fā)生明顯改變，隨工作面推進(jìn)應(yīng)力釋放區(qū)內(nèi)應(yīng)力釋放值逐漸增大。頂板內(nèi)垂直應(yīng)力釋放區(qū)呈向上偏移的拱形形態(tài)，且上部區(qū)域主要向高位巖層發(fā)育，下部充填區(qū)域上邊界的垂直方向則為為拱形區(qū)域角點(diǎn)，垂直應(yīng)力最大值為0.339MPa。

在工作面?zhèn)胃┬辈贾梅绞较?，隨著垮落矸石逐漸向傾斜下部區(qū)域堆積充填，傾斜中上部區(qū)域圍巖的集中應(yīng)力將轉(zhuǎn)移作用于傾斜下部充填體上。同時(shí)，垮落矸石充填體不僅限制頂板變形，也會(huì)將其沿工作面推進(jìn)方向的分力作用于頂板，故充填范圍內(nèi)的頂板不但難以形成應(yīng)力釋放反而易形成應(yīng)力集中。

5 急傾斜煤層偽俯斜采場覆巖結(jié)構(gòu)

基于急傾斜煤層走向長壁工作面的物理相似模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，可以看出在急傾斜長壁偽俯斜采場，其頂板巖層的垮落形態(tài)呈拱狀，采場覆巖結(jié)構(gòu)為近似“殼體”狀[7]，如圖7所示。該“殼體”在空間范圍內(nèi)穿越了頂板不同層位巖層，在工作面沿傾斜方向的不同區(qū)域巖層破斷輪廓亦不同。由于覆巖的沉積層理作用以及頂板的垮落充填，頂板結(jié)構(gòu)輪廓呈空間梯階形“殘?jiān)睜睢?/p>

圖7 急傾斜煤層長壁采場覆巖“殼體”結(jié)構(gòu)

沿工作面傾斜方向，不同區(qū)域?qū)臻g結(jié)構(gòu)的約束和支承強(qiáng)度不同，通常，在工作面傾斜下部區(qū)域，拱腳支承位置較低，約束程度較強(qiáng)；在工作面的上部區(qū)域，拱腳的支承位置最高，約束程度最弱；在工作面的中部區(qū)域，拱腳支承位置和約束程度居中。

沿走向采場應(yīng)力呈“對稱拱”形，采動(dòng)應(yīng)力以煤壁前方及采空區(qū)后方實(shí)體煤一側(cè)為前后拱腳，形成對稱的應(yīng)力拱，隨著工作面的不斷推進(jìn)，“對稱拱”的高度與跨度不斷增加，在推進(jìn)一定距離后“拱頂”高度不再向上發(fā)育，拱的高度趨于穩(wěn)定；沿傾向，采動(dòng)應(yīng)力以回風(fēng)巷一側(cè)實(shí)體煤和運(yùn)輸巷一側(cè)實(shí)體煤為上下拱腳，形成非對稱的應(yīng)力拱，隨著工作面的不斷推進(jìn)，“非對稱拱”的高度與跨度不斷增加，拱軸不斷向回風(fēng)巷一側(cè)偏移，在垮落頂板的逐漸充填下，下拱腳也逐漸朝充填體區(qū)域偏移，在推進(jìn)一定距離后“拱頂”高度幾乎不再向上發(fā)育，拱軸也不再向上偏移，形態(tài)趨于穩(wěn)定。

6 結(jié) 論

1)急傾斜中厚煤層偽俯斜采場頂板破斷呈非對稱性，垮落輪廓沿傾向呈階梯型非對稱拱狀，頂板垮落具有先中部，次上部，后下部的時(shí)序特征。

2)沿工作面傾斜方向，急傾斜煤層不同區(qū)域?qū)臻g結(jié)構(gòu)的約束和支承強(qiáng)度不同，一般為下部區(qū)域最大，中部區(qū)域次之，下部區(qū)域最小。

3)急傾斜煤層偽俯斜采場頂板破斷輪廓呈空間梯階狀“殘?jiān)毙螤睿蓤鰢鷰r應(yīng)力在空間上形成非對稱性“殼體”，隨著采場持續(xù)推進(jìn)及垮落頂板的逐漸充填，“殼體”下拱腳位置會(huì)逐漸上移，但整體形狀在不斷演化后最終趨于穩(wěn)定。