張佳佳

(晉煤集團(tuán)晉圣億欣煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000)

0 引言

大采高采煤工藝具有開采空間大、圍巖活動劇烈、支承壓力峰值與影響范圍明顯增大等特點，適用于煤層傾角小、煤層相對穩(wěn)定、頂板情況好的條件[1]。受開采因素和地質(zhì)因素影響，大采高工作面更易于發(fā)生煤壁片幫、端面冒頂?shù)仁鹿蔥2]。防治片幫冒頂是實現(xiàn)工作面高產(chǎn)高效需要解決的問題。

許多學(xué)者對工作面片幫冒頂機(jī)理進(jìn)行了研究，對影響片幫冒頂?shù)牟筛?、煤體力學(xué)性質(zhì)、煤層傾角、端面距、支架適應(yīng)性等因素進(jìn)行了分析，并建立相關(guān)的力學(xué)模型預(yù)測煤壁片幫的位置[3-7]。而對于多因素作用下工作面片幫冒頂機(jī)理及防治鮮有報道。為此，針對11503大采高工作面初采階段片幫冒頂事故，應(yīng)用理論分析和數(shù)值模擬，研究受背斜控制大采高工作面片幫冒頂機(jī)理。

1 事故基本情況

1.1 11503工作面概況

任家莊煤礦位于寧東礦區(qū)，可采煤層包括山西組和太原組在內(nèi)共12層，目前開采山西組5號煤。5號煤賦存較穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)單一，無夾矸，煤體硬度f約為1.2，煤層底板為泥巖，老頂為粉砂巖。11503工作面位于11采區(qū)，工作面大部分受到三道溝背斜影響，該背斜軸面東傾85°，西翼較陡，東翼較緩，在工作面內(nèi)延伸約1 023 m。在距風(fēng)巷F1點575.6 m處三道溝背斜軸部進(jìn)入工作面，從工作面切眼出。此外，工作面內(nèi)存在f 6、f 41、f 42和f 44等一系列小型斷層，落差均不大于5 m。斷裂帶煤巖不穩(wěn)定，較破碎，巷道頂板管理困難。11503工作面標(biāo)高+993～+1 110 m，平均埋藏深度433 m；工作面走向長度1 530 m，工作面煤層傾角4°～11°，煤層平均厚度為4.8 m，采用一次采全高綜合機(jī)械化開采。

1.2 事故概況

11503大采高工作面在初采階段，回采至18 m處，距風(fēng)巷巷口60 m的范圍內(nèi)發(fā)生了一次嚴(yán)重的片幫冒頂事故，造成大量煤體涌出，煤體堆積至支架間走道。液壓支架上方出現(xiàn)大面積冒頂，無人員傷亡，但是嚴(yán)重影響工作面的安全、快速回采。事故位置示意圖及事故后現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 發(fā)生事故位置及事故后現(xiàn)場照片

2 事故機(jī)理分析

三道溝背斜從11503工作面穿出，工作面從切眼推進(jìn)受到背斜影響，從翼部向軸部開采，初采階段工作面處于仰斜開采。從大采高礦壓顯現(xiàn)特點、仰采條件下老頂初次破斷距及煤壁破壞特征，對11503工作面初采階段發(fā)生的片幫冒頂機(jī)理進(jìn)行分析。

2.1 大采高工作面礦壓顯現(xiàn)特點

現(xiàn)場實踐證明，隨開采高度的增加，工作面頂板壓力隨之增大，煤壁前方支承壓力集中程度也隨之增加。大采高綜采老頂來壓相比普通綜采更為劇烈，工作面周期來壓明顯，來壓強(qiáng)度增加[8]。綜放開采由于頂煤的緩沖作用，破斷巖板離工作面較高，放頂煤開采工作面初次來壓強(qiáng)度不大，較大采高開采礦壓顯現(xiàn)較緩和，緩解了煤壁處壓力。相同采高條件下，大采高與綜放開采超前支承壓力曲線如圖2所示[9]。

圖2 大采高與綜放開采支承壓力對比

2.2 仰采條件下老頂?shù)某醮螖嗔巡骄?/h3>

圖3 初次來壓前老頂?shù)牧W(xué)模型

(1)

式中，L—極限跨距；h—巖層厚度；RT—巖層抗拉強(qiáng)度；q—巖層所承受載荷。當(dāng)煤層傾角為α?xí)r，梁所受載荷可分解為：平行于推進(jìn)方向的qsinα和垂直于推進(jìn)方向的qcosα，兩端固支梁的受力分析如圖4所示。

圖4 仰斜開采初次來壓老頂?shù)牧W(xué)模型

在梁上端B點產(chǎn)生最大拉應(yīng)力

(2)

當(dāng)σB=RT時，巖層在該處破斷，破斷距為

(3)

由此可以看出，隨著煤層傾角的變大，老頂破斷距逐漸減小，初次來壓步距減少，初次來壓可能造成工作面前方壓力過大，導(dǎo)致頂板下沉。采取仰采，容易引起頂板松動，對頂板的穩(wěn)定性造成一定的影響。另外，在仰斜開采時，煤層重心偏向采空區(qū)一側(cè)，煤壁內(nèi)超前支承壓力的峰值向煤壁自由面一側(cè)移動，更容易誘發(fā)片幫。

2.3 煤壁的剪切破壞

受煤體自重及頂板壓力作用，當(dāng)煤壁內(nèi)的剪應(yīng)力大于煤體抗剪強(qiáng)度時將發(fā)生剪切滑動破壞。將仰采時煤壁簡化為平面力學(xué)模型如圖5所示，按照摩爾-庫侖強(qiáng)度理論，破壞準(zhǔn)則可表述為當(dāng)沿剪切面的抗剪力D小于該面上的滑動力S時，則煤壁發(fā)生剪切破壞,破壞準(zhǔn)則判定安全余量G表示為

G=D-S=Chsecα+Ntanφ-S≤0

(4)

式中，C—煤體粘聚力；h—剪切面破壞高度；α—剪切面與煤壁的夾角；N—剪切面上的法向力；φ—煤體內(nèi)摩擦角。

由圖5可知，力N、S是由頂板壓力和破壞體自重2個部分組成，煤壁所受頂板壓力p=qhtanαsinθ，滑動體自重w=h2γtan(α/2)，其中γ為煤體容重。

圖5 傾斜煤壁剪切破壞分析

由摩爾-庫侖理論得到α=45°-φ/2，N=(P+W)cos(90°-α+θ)，S=(P+W)sin(90°-α+θ)代入式(4)得煤壁剪切破壞準(zhǔn)則為

G=Chsecα+(qhsinθ+h2γ/2)[sin(α-θ)tanφ-cos(α-θ)]≤0

(5)

B=sin(α-θ)tanφ-cos(α-θ)

(6)

上述煤壁片幫機(jī)理分析表明，煤壁發(fā)生剪切破壞，除與煤體的頂板壓力、抗剪強(qiáng)度、煤體性質(zhì)有關(guān)外，仰斜開采時煤層傾角對煤壁片幫影響較大。

由式(5)可知，隨著煤層傾角的增大，B值減小，當(dāng)煤層傾角超過某一特定值時，B<0，可見煤層傾角大幅增加了煤壁剪切破壞的危險性。

2.4 受背斜控制大采高工作面礦壓規(guī)律

建立模型：為分析三道溝背斜對11503工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的影響，建立基于現(xiàn)場實際地質(zhì)情況的精細(xì)化三維數(shù)值模型，具體建模步驟如圖6所示。根據(jù)現(xiàn)場鉆孔資料，運用AutoCAD建立能準(zhǔn)確反映該工作面地形的精細(xì)化三維地質(zhì)模型，然后將模型導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成精細(xì)化三維地質(zhì)模型。最后將數(shù)值模型導(dǎo)入FLAC3D，對各巖層賦參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計算。

圖6 三維地質(zhì)模型數(shù)值模擬建模流程

兩幫收斂量模擬與實測結(jié)果對比：數(shù)值模擬中開挖步距設(shè)置為6 m，與現(xiàn)場回采每天的推進(jìn)度一

致。通過對比分析數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測布置在風(fēng)巷中各測點的兩幫收斂量隨回采進(jìn)行的變化情況，對數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗證。圖7為數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果的對比曲線，可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與實測結(jié)果差別微小，具有基本一致的變化趨勢，可以反映巷道收斂量變化趨勢和規(guī)律，說明數(shù)值模擬的結(jié)果是可取的。

圖7 兩幫收斂量模擬與實測結(jié)果對比

區(qū)域位移分析：利用精確三維地質(zhì)模型分析隨回采的該區(qū)域的位移的變化情況，如圖8所示。工作面附近處于卸壓狀態(tài)，隨著工作面推進(jìn)，煤層頂板下沉量逐漸增加，由0.049 m變?yōu)?.055 m最后增加到0.076 m，最大位移范圍擴(kuò)大至距風(fēng)巷30 m附近。機(jī)巷位于下巷，位移應(yīng)力均大于位于上巷的風(fēng)巷。仰采開采過程中，工作面受仰采角度作用，頂板將產(chǎn)生向采空區(qū)方向的沿層面的分力，在此沿層面的分力的作用下，頂板懸臂巖層將向采空區(qū)方向移動，煤壁的水平位移量也會增大，導(dǎo)致煤壁片幫，煤壁側(cè)無支護(hù)面積增大，更加促使近煤壁處頂板的下沉及破碎，使頂板維護(hù)條件惡化。

圖8 推進(jìn)過程中豎向位移云圖

2.5 大采高工作面礦壓控制建議

通過分析11503工作面片幫冒頂機(jī)理表明，大采高工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈，受背斜影響老頂初次破斷距減小，初次來壓時在基本頂回轉(zhuǎn)作用下，煤體的抗剪能力大大降低，容易發(fā)生片幫。煤層傾角變大，增加了煤壁剪切破壞的危險性。大采高工作面應(yīng)避免仰斜開采，對地質(zhì)構(gòu)造段應(yīng)加強(qiáng)礦壓觀測與頂板管理。此外，煤體發(fā)生片幫與煤體自身性質(zhì)有很大關(guān)系，可通過注漿加固煤壁改變煤體性質(zhì)提高煤體抗剪強(qiáng)度，達(dá)到減少片幫冒頂?shù)哪康摹?/p>

3 結(jié)論

(1)通過理論分析得出大采高工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈，煤層傾角變化后，老頂初次破斷距減小，煤層傾角變大，增加了煤壁剪切破壞的危險性。

(2)基于GIS建立考慮三道溝背斜的真實地質(zhì)模型，分析受背斜控制大采高工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，考慮三道溝背斜的地質(zhì)模型與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)變化規(guī)律保持一致，相關(guān)度極高。

(3)受背斜影響大采高工作面易發(fā)生片幫冒頂，在地質(zhì)構(gòu)造段應(yīng)加強(qiáng)礦壓觀測與頂板管理。