楊俊哲

(國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 神木 719315)

我國煤炭在一次能源消費(fèi)中的比例達(dá)60%以上[1]。厚煤層可采儲(chǔ)量約占全國煤炭總可采儲(chǔ)量的43%，厚煤層條件下實(shí)現(xiàn)安全、高效、高采出率開采對我國煤炭工業(yè)的發(fā)展具有重要影響[2]。厚煤層一次采全高綜采技術(shù)一直是世界煤礦生產(chǎn)技術(shù)主要競爭區(qū)域，隨著采礦理論、采煤技術(shù)、裝備制造等多方面創(chuàng)新和發(fā)展，厚煤層綜采技術(shù)得到快速發(fā)展。孟憲銳等[3]重點(diǎn)從開采技術(shù)、工藝以及安全生產(chǎn)現(xiàn)狀方面對厚煤層開采的三種方法進(jìn)行了分析，指出了目前我國厚煤層開采現(xiàn)狀及國家的技術(shù)政策，確定了厚煤層開采技術(shù)研究的重點(diǎn)和發(fā)展方向。王國法[4，5]針對厚煤層超大采高綜采技術(shù)，建立了頂板巖層斷裂失穩(wěn)的“懸臂梁+砌體梁”力學(xué)模型，分析了“懸臂梁”破壞失穩(wěn)的空間條件與力學(xué)條件。在此基礎(chǔ)上研發(fā)了增容緩沖抗沖擊立柱、液壓支架群組協(xié)同控制系統(tǒng)及“大梯度+小臺(tái)階”配套方式，實(shí)現(xiàn)了金雞灘煤礦8.0m超大采高工作面安全高效開采。弓培林[6]通過研究認(rèn)為隨著開采高度增加，垮落帶和裂隙帶的范圍擴(kuò)大，但和開采高度不是線性關(guān)系，與關(guān)鍵層位置有關(guān)，采高增大時(shí)，傳統(tǒng)的基本頂變?yōu)橹苯禹?，大采高采場覆巖破壞為“梯形臺(tái)體結(jié)構(gòu)”。

目前8.8m超大采高綜采工作面，由于采場空間大、開采強(qiáng)度高，圍巖控制難度較8m及以下采高工作面呈非線性急劇增加，傳統(tǒng)的采場圍巖控制理論與技術(shù)不能很好解釋神東礦區(qū)淺埋超大采高工作面礦壓顯現(xiàn)特征[6-17]，亟需建立新的覆巖結(jié)構(gòu)破壞模型。因此，在總結(jié)神東礦區(qū)以往淺埋深大采高工作面礦壓規(guī)律以及礦壓理論研究的基礎(chǔ)上，以上灣煤礦12401首個(gè)8.8m超大采高綜采工作面為研究對象，利用理論計(jì)算，數(shù)值模擬以及相似模擬等方法，通過頂板位移深基點(diǎn)觀測、微震監(jiān)測、礦壓監(jiān)測等多種手段，將遠(yuǎn)場覆巖活動(dòng)與近場礦壓顯現(xiàn)相結(jié)合，對8.8m超大采高綜采工作面采場覆巖運(yùn)移規(guī)律和頂板結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行研究，推演得出淺埋深8.8m超大采出空間下覆巖垮落的結(jié)構(gòu)模型，揭示工作面遠(yuǎn)場頂板斷裂與垮落時(shí)空演化規(guī)律，分析8.8m超大采高綜采工作面礦壓機(jī)理及支架與圍巖的力學(xué)關(guān)系，為類似條件下特厚煤層綜采工作面支架選型及安全高效開采提供理論及技術(shù)指導(dǎo)。

1 工程概況

上灣煤礦12煤四盤區(qū)位于礦井中部，12401綜采面為12煤四盤區(qū)首采面，寬度299.2m，推進(jìn)長度5254.8m，煤層傾角1°～3°，煤層厚度7.56～10.79m，平均厚度9.16m，埋深124～244m，回采面積1.572km2，地質(zhì)儲(chǔ)量為2059.4萬t，可采儲(chǔ)量1930萬t，采用傾斜長壁后退式一次采全高全部垮落法處理采空區(qū)的綜合機(jī)械化采煤法。煤層頂?shù)装逄卣饕姳?。

工作面巷道主要參數(shù)，運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)寬×高=6.2m×4.7m，輔助運(yùn)輸巷及回風(fēng)巷設(shè)計(jì)尺寸寬×高=5.4m×4.8m；輔回撤通道設(shè)計(jì)寬×高=6m×5.1m；主回撤通道設(shè)計(jì)寬×高=7.5m×6.3m；切眼設(shè)計(jì)寬×高=11.4m×6.3m；巷道煤柱寬25m。工作面布置如圖1所示。

表1 煤層頂?shù)装逄卣鞅?/p>

圖1 工作面布置

2 超大采高綜采面覆巖活動(dòng)規(guī)律研究

2.1 超大采高綜采面覆巖活動(dòng)規(guī)律相似模擬

根據(jù)該工作面R8地質(zhì)鉆孔柱狀圖及覆巖物理力學(xué)性質(zhì)，對工作面覆巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了劃分，見表2。結(jié)合現(xiàn)有試驗(yàn)條件，建立長×高×寬=3600mm×2000mm×250mm的相似模型，其中模型幾何相似比CL=1∶100，泊松比相似比Cu=1∶1.5，密度相似比CQ=1∶1.5，剛度相似比CE=1∶150，應(yīng)力相似比Cσ=1∶150，時(shí)間相似比：Ct=1∶10，采用砂子為骨料，碳酸鈣、石膏為膠結(jié)材料，硼砂為緩凝劑。

模型架以加載配重方式模擬從地表至模型上方覆巖的重量。根據(jù)地質(zhì)資料，所建模型最上層巖層的埋深為54m，上覆巖層的平均容重取2.4t/m3，計(jì)算出上邊界的應(yīng)為值1.3MPa。按照強(qiáng)度相似比，模型上邊界應(yīng)施加的應(yīng)力Pm=1.3/150=0.0087MPa，換算成外部載荷Fm=8.7kN；為了消除邊界效應(yīng)，在模型的兩邊留設(shè)30cm的邊界煤(巖)柱。超大采高工作面相似模擬覆巖破相似模擬結(jié)果如圖2所示。

如圖2(a)所示，當(dāng)工作面推進(jìn)到105m時(shí)，下位主控巖層及其上的中間載荷層首次產(chǎn)生破斷。如圖2(b)所示，工作面推進(jìn)至125m時(shí)，下位主控巖層第1次周期性整體破斷，之后隨著工作面推進(jìn)，下位主控巖層及其上方載荷層呈現(xiàn)周期性整體破斷特征，周期性破斷步距約為10～20m。如圖2(c)所示，當(dāng)工作面推進(jìn)到161m時(shí)，上位主控巖層產(chǎn)生初次破斷，破壞范圍迅速波及地表，導(dǎo)致地表下沉明顯。如圖2(d)所示，當(dāng)工作面推進(jìn)至183m時(shí)，上位主控巖層周期性破斷，并引發(fā)下位基巖層發(fā)生復(fù)合性破斷，導(dǎo)致覆巖整體性切落破斷。直到當(dāng)工作面推進(jìn)至216m時(shí)，由于工作面沒有采取支護(hù)措施，相互鉸接的塊體產(chǎn)生整體滑落失穩(wěn)，巖層破斷角約80°。

圖2 超大采高工作面相似模擬覆巖破斷

2.2 超大采高綜采面覆巖活動(dòng)規(guī)律數(shù)值模擬

采用3DEC離散元數(shù)值模擬軟件對淺埋深8.8m超大采高工作面覆巖活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證。依據(jù)工作面地質(zhì)鉆孔資料及巖石物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，建立長×寬×高=300m×10m×148m數(shù)值模擬模型，模擬工作面煤層開采高度為8.8m，走向長度300m，傾向長度10m，上覆巖層厚度為148m，上覆松散層作為均布載荷q施加于模型上表面。

模型兩側(cè)各留30m的邊界煤柱，工作面每次開挖10m。如圖3(a)所示，當(dāng)工作面推進(jìn)30m時(shí)，直接頂開始垮落。如圖3(b)所示，當(dāng)工作面推進(jìn)50m時(shí)，基本頂初次垮落。如圖3(c)所示，當(dāng)工作面推進(jìn)66m時(shí)，基本頂?shù)谝淮沃芷谛钥迓洹Ｈ鐖D3(d)所示當(dāng)推進(jìn)80m時(shí)，基本頂?shù)诙沃芷谛钥迓?，基本頂開始呈現(xiàn)周期性頂板整體切落特征，切落范圍包括主關(guān)鍵層以下的上覆巖層。如圖3(e)所示，當(dāng)工作面推進(jìn)至100m時(shí)，高位主控巖層初次破斷，地表開始出現(xiàn)明顯下沉。如圖3(f)所示，當(dāng)工作面推進(jìn)至150m時(shí)，高位主控巖層發(fā)生周期性破斷，下部基巖層發(fā)生復(fù)合型破斷。如圖3(g)所示，隨著工作面推進(jìn)，基本頂和高位主控巖層周期性垮落，基本頂周期垮斷步距為8～16m，平均為12m左右；高位主控巖層周期性垮斷步距為40～50m。在垂直方向上，高位主控巖層破斷巖塊形成三鉸拱狀結(jié)構(gòu)，避免了高位主控巖層及以上巖層重量全部作用在下部基巖層和支架上方，對下部頂板結(jié)構(gòu)起到保護(hù)作用，并與下部基巖層形成一定離層；在高位主控巖層以下、直接頂以上的基巖層受基本頂控制，均呈現(xiàn)整體切落破斷特征。

2.3 超大采高綜采面覆巖活動(dòng)規(guī)律分析

通過采用微震監(jiān)測系統(tǒng)、頂板深基點(diǎn)位移監(jiān)測系統(tǒng)以及礦壓監(jiān)測系統(tǒng)等多種手段對8.8m超大采高工作面礦壓顯現(xiàn)及覆巖破斷運(yùn)移開展多方位的實(shí)測研究。

2.3.1 基于微震的覆巖破斷特征分析

采用ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)和定位技術(shù)對8.8m超大采高工作面覆巖破壞特征進(jìn)行了階段性監(jiān)測，一定時(shí)期內(nèi)微震監(jiān)測系統(tǒng)共接收到微震事件1842起，微震事件能量主要集中在0～1000J以內(nèi)，占總數(shù)的91.4%，1000J以上的微震事件僅占8.6%，微震事件分布具有能量小、頻次高的特點(diǎn)，說明工作面上覆巖層不存在大面積懸頂，沒有強(qiáng)烈的沖擊現(xiàn)象。

圖3 工作面不同推進(jìn)距離頂板垮落特征

監(jiān)測結(jié)果表明，微震事件在垂直方向上主要發(fā)生在100m以下巖層，尤其在煤層上方20m以內(nèi)范圍呈密集分布。根據(jù)微震事件定位信息及工作面每日推進(jìn)度，確定微震事件位置與工作面距離的頻次分布情況如圖4所示。在水平方向，微震事件主要發(fā)生在工作面后方100m至前方60m范圍內(nèi)，尤其在工作面后方0～20m范圍內(nèi)微震頻次達(dá)到最高，頂板活動(dòng)最為頻繁，而在工作面前方，超前支承壓力的影響范圍約為60m。

圖4 微震事件與工作面距離頻次分布

2.3.2 基于頂板深基點(diǎn)位移的覆巖破斷特征分析

沿工作面推進(jìn)方向，距切眼1850m的位置，平行共布置了3個(gè)頂板“三帶”探測鉆孔，鉆孔分別命名為SD1、SD2和SD3，其中SD1號鉆孔為采前施工鉆孔，距回風(fēng)巷175m，距主運(yùn)巷125m，鉆孔深度187m，揭露煤層埋藏深度167m。

根據(jù)鉆孔巖層厚度和巖石物理力學(xué)參數(shù)對工作面上覆巖層的主控巖層層位進(jìn)行了判別。工作面上方共存在兩個(gè)主控巖層，分別為厚度為22m的高位主控巖層(巖性為細(xì)砂巖和含泥粉砂巖)和厚度為20m的低位主控巖層(巖性為粗砂巖和石英細(xì)砂巖)，高、低位主控巖層距離煤層高度分別為109m和8m，其中低位主控巖層為工作面基本頂。

在SD1鉆孔共下放9個(gè)錨爪位移計(jì)用于監(jiān)測不同層位頂板的連續(xù)沉降量，安裝深度(地表至煤層)分別為41m、57m、68m、79m、96m、115m、124m、133m、141m，距煤層高度分別為126m、110m、99m、88m、71m、52m、43m、34m、26m，其中1#和2#測點(diǎn)位于高位主控巖層的上部和下部，9號測點(diǎn)位于低位主控巖層(基本頂)的上部。

通過錨爪位移計(jì)監(jiān)測得出的頂板各測點(diǎn)相對地表的連續(xù)沉降量變化曲線，并結(jié)合孔口地表沉降監(jiān)測，得到頂板各測點(diǎn)在工作面推進(jìn)過程中的絕對沉降量變化曲線。

當(dāng)工作面推過SD1鉆孔6m，即鉆孔進(jìn)入支架后方時(shí)，頂板各測點(diǎn)開始有位移變化；當(dāng)工作面推過鉆孔11m時(shí)，9個(gè)測點(diǎn)同時(shí)產(chǎn)生臺(tái)階下沉，其中位于下部的5#—9#測點(diǎn)下沉量顯著，相對地表最大下沉量達(dá)227mm，由此判斷覆巖產(chǎn)生了整體切落式破斷；當(dāng)工作面推過22m和43m時(shí)，高位主控巖層以下的3#—9#位移計(jì)再次同步發(fā)生明顯的臺(tái)階下沉；在43m以后，孔口地表和頂板均開始進(jìn)入快速下沉階段，推測高位主控巖層在推過鉆孔43m后破斷，并引發(fā)下位基巖層復(fù)合性破斷。在頂板下沉過程中，高位主控巖層以下的3#—9#位移計(jì)下沉曲線走勢基本保持一致，并與高位主控巖層的離層量呈擴(kuò)大趨勢，最大離層量達(dá)到1.1m左右，最終趨于穩(wěn)定。

2.3.3 基于礦壓監(jiān)測系統(tǒng)的覆巖破斷特征分析

通過礦壓監(jiān)測系統(tǒng)可得綜采面周期來壓規(guī)律如下：周期來壓步距8.5～15m，平均13.5m，來壓持續(xù)4.4m，立柱最大壓力52MPa，安全閥開啟率25%，來壓時(shí)30#—80#支架片幫嚴(yán)重，片幫位于煤壁中上部，最深達(dá)到2～3.8m，端面距大，局部出現(xiàn)漏矸現(xiàn)象，支架有“砰砰”的響聲，支架活柱下沉量為30～200mm。

綜采面周期來壓有時(shí)呈現(xiàn)大小周期交替出現(xiàn)的規(guī)律，大周期來壓步距約17～24m，小周期來壓步距約9～12m。工作面回采期間大、小周期來壓交替出現(xiàn)，大周期來壓顯現(xiàn)劇烈，來壓步距長，屬主要關(guān)鍵層斷裂；小周期來壓顯現(xiàn)不劇烈，來壓步距短，屬亞關(guān)鍵層斷裂。

3 “切落體—擠壓平衡拱”理論的提出

3.1 “切落體—擠壓平衡拱”結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)不同層位頂板運(yùn)移規(guī)律，沿空間垂直方向?qū)㈨敯鍘r層大致分為兩組：高位主控巖層與其上方覆巖和表土層同步運(yùn)動(dòng)，形成裂隙體梁結(jié)構(gòu)形式，承載上方覆巖和表土層載荷。高位主控巖層以下、直接頂以上的頂板基巖層，厚度約為100m，該部分巖層相互之間離層量小，整體運(yùn)動(dòng)受低位主控巖層(基本頂)控制，為整體性切落破斷，在垂直方向形成“切落體”結(jié)構(gòu)；在水平方向，組成“切落體”結(jié)構(gòu)的破斷塊體依靠與前后破斷塊體之間的擠壓力和滑動(dòng)摩擦力作用，形成由3個(gè)或以上巖塊前后相接，能夠暫時(shí)穩(wěn)定平衡的拱狀結(jié)構(gòu)，將該拱狀結(jié)構(gòu)稱之為“擠壓平衡拱”結(jié)構(gòu)。

在“擠壓平衡拱”的內(nèi)在作用下，構(gòu)成“切落體”的頂板破斷塊體處于相對緩慢的滑落下沉狀態(tài)；不同于傳統(tǒng)“砌體梁”結(jié)構(gòu)破斷塊體通過咬合點(diǎn)彼此鉸接形成的點(diǎn)接觸形式，“切落體-擠壓平衡拱”結(jié)構(gòu)破斷巖塊之間的接觸形式為面接觸，通過接觸面之間強(qiáng)大的擠壓力和滑動(dòng)摩擦力維持自身相對平衡。根據(jù)頂板位移監(jiān)測、地表巖移觀測、微震監(jiān)測和壓力監(jiān)測等多場耦合推演，建立淺埋深8.8m超大采高工作面覆巖結(jié)構(gòu)模型，如圖5所示。

圖5 淺埋深8.8m超大采高工作面覆巖結(jié)構(gòu)

3.2 “切落體-擠壓平衡拱”結(jié)構(gòu)下支架受力分析

根據(jù)淺埋深8.8m超大采高工作面覆巖結(jié)構(gòu)模型建立了“切落體—擠壓平衡拱”結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，如圖6所示。

圖6 “切落體——擠壓平衡拱”結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

切落體結(jié)構(gòu)受力分析，如圖7所示，針對基本頂破斷巖塊A和B分別進(jìn)行受力分析。基本頂破斷巖塊A、B的周期破斷長度均設(shè)為L，高度設(shè)為h，基本頂所控制的載荷層厚度設(shè)為H，巖塊破斷角為α，支架立柱前傾角為β。

圖7 切落體結(jié)構(gòu)受力分析

得出支架工作阻力F的表達(dá)式為：

當(dāng)工作面大周期來壓時(shí)，支架還需承擔(dān)高位主控巖層周期性破斷對支架造成的額外動(dòng)載荷，根據(jù)工作面大小周期來壓規(guī)律分析結(jié)果，大周期來壓動(dòng)載平均約為小周期來壓動(dòng)載的1.1倍?？紤]工作面高位主控巖層破斷造成的大周期來壓影響，式(1)可改寫為：

式中，B為支架中心距，m；lk為支架控頂距，m；∑h為直接頂厚度，m；L為基本頂周期破斷步距，m；H為基本頂控制載荷層厚度，m；γ為巖石容重，kN/m3；α為巖層破斷角，(°)；K為大周期來壓影響系數(shù)，當(dāng)大周期來壓時(shí)取1.1，小周期來壓時(shí)取1.0；μ為巖層之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)。

4 結(jié) 語

1)通過“切落體——擠壓平衡拱”結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，得出淺埋深8.8m超大采高工作面支架工作阻力計(jì)算公式，為類似條件下特厚煤層綜采工作面支架選型提供了理論指導(dǎo)。

2)淺埋深8.8m超大采高工作面“切落體+擠壓平衡拱”結(jié)構(gòu)的提出，證明了在近淺埋煤層存在雙主控巖層乃至多主控巖層結(jié)構(gòu)時(shí)，仍可能存在下位覆巖局部整體切落的現(xiàn)象，從而進(jìn)一步豐富了淺埋采場“切落體”結(jié)構(gòu)理論和適用范圍，為類似條件下特厚煤層綜采工安全高效開采提供技術(shù)指導(dǎo)。