雷建華

(山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司安全生產(chǎn)管理中心，山西 太原 030000)

0 引言

近年來，我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展很快，對能源需求量也在增大，由于多年來持續(xù)的煤炭開采造成淺部煤炭資源越來越少，各大煤炭集團(tuán)開始向深埋深和地質(zhì)條件稍復(fù)雜的煤層布置工作面進(jìn)行回采[1-3]。這時(shí)需要各大集團(tuán)最大可能地提高煤炭的回采率，以提高集團(tuán)的經(jīng)濟(jì)效益，各大礦井也開始使用薄煤層高效回采技術(shù)。

國內(nèi)外科研工作者對薄煤層工作面不穩(wěn)定間距頂板破斷機(jī)理開展研究，取得了一定的成果。王創(chuàng)業(yè)等[4]通過構(gòu)建基本頂頂板巖梁力學(xué)模型，研究基本頂?shù)闹芷谄茢嘁?guī)律，得到頂板的厚度、抗拉強(qiáng)度、荷載量以及液壓支架支護(hù)強(qiáng)度和控頂距、垮落矸石支撐力對基本頂周期破斷距的影響規(guī)律。鄭上上等[5]為了獲得堅(jiān)硬頂板綜放工作面頂板破斷特點(diǎn)與覆巖運(yùn)移規(guī)律，通過理論研究、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測手段，構(gòu)建了深梁結(jié)構(gòu)破斷時(shí)頂板受力模型，確定了8201綜放工作面基本頂初次來壓步距、周期來壓步距及來壓影響范圍。趙通等[6]結(jié)合朱仙莊煤礦北翼采區(qū)工作面實(shí)際條件，構(gòu)建厚硬巖層條件下煤層開采三維模型，得到破斷塊體的尺寸和力學(xué)結(jié)構(gòu)主要影響因數(shù)是厚硬巖層厚度，斷裂塊體下沉空間、破斷位置和破斷尺寸主要影響因素是直接頂充填系數(shù)，同時(shí)將回采區(qū)域分成頂板來壓不明顯區(qū)、頂板較強(qiáng)烈來壓區(qū)和頂板強(qiáng)烈來壓區(qū)。左建平等[7]針對目前采場礦壓科研成果大多是基于梁或薄板模型獲得，研發(fā)了工作面采空區(qū)頂板破斷模擬試驗(yàn)裝置，在均布載荷作用條件下開展四邊固支不同厚度頂板破壞試驗(yàn)研究，得到最大彎曲應(yīng)力影響著薄板破斷，橫向剪切力的影響作用隨著板厚度增加而增強(qiáng)，彎曲和剪切耦合作用決定著厚板的破壞程度。黃慶享等[8]根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測的工作面支架工作阻力、超前支架工作阻力、不同層位的頂板位移量及頂板破斷位置的鉆孔窺視結(jié)果，以獲得淺埋薄基巖大采高工作面頂板破斷運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。為此，根據(jù)官地煤礦3318工作面的實(shí)際情況，通過理論分析和數(shù)值模擬，以研究近距離薄煤層工作面頂板破斷特征和來壓規(guī)律。

1 理論分析

1.1 不穩(wěn)定層間類型頂板破斷原理

1.1.1 工程概況

官地煤礦目前所開采2號(hào)、3號(hào)煤層的煤層局部存在近距離薄煤層，平均層間距為8.36 m，上鄰近層2號(hào)煤層的平均采高為2.3 m，層間有2層巖石夾層，在3號(hào)煤層上方存在2.5 m厚度的較軟的砂質(zhì)泥巖，2號(hào)煤層下方有4 m厚度較硬的細(xì)砂巖。以官地煤礦2號(hào)、3號(hào)煤層為試驗(yàn)對象，3318工作面屬于3號(hào)煤層，平均采高為1.8 m，優(yōu)先回采2號(hào)煤層接著回采3號(hào)煤層，因此3318工作面回采時(shí)上鄰近層2號(hào)煤層基本回采完畢。

1.1.2 頂板破斷原理

由于官地煤礦3318綜采工作面采高為1.8 m，因此借助薄板理論研究工作面覆巖破斷垮落運(yùn)移特征；薄板理論機(jī)理是在工作面未產(chǎn)生覆巖破斷垮落時(shí)，覆巖下沉量和覆巖厚度相比幾乎相等，散體破斷模型如圖1所示，在借助薄板撓度彎曲理論研究現(xiàn)場實(shí)際問題的過程中，開展求解前需假設(shè)2條：一條是與工作面頂板平行的水平方向不產(chǎn)生擠壓作用，即將頂板垂直方向的作用力忽略不計(jì)，另一條為板的中面內(nèi)不發(fā)生伸縮、剪切變形，也就是在垂直于工作面頂板中面的方向上一直保持垂直，不會(huì)出現(xiàn)因頂板下沉量的變化而移動(dòng)，同時(shí)不改變其長度[9-11]。由于受到不穩(wěn)定層間距類型的頂板自身?xiàng)l件限制，使得頂板具備不穩(wěn)定特點(diǎn)，很容易破碎垮落，回采過程中受采場作用較大，進(jìn)一步延伸了層間頂板裂隙，逐步發(fā)展成散體破斷結(jié)構(gòu)。此類的頂板具有較低的力學(xué)強(qiáng)度，伴隨工作面持續(xù)推進(jìn)，頂板開始隨采隨落，多數(shù)以散體塊間滑移方式垮落[12-13]。因此，在工作面回采時(shí)礦壓顯現(xiàn)較弱，頂板破斷時(shí)受力情況如圖2所示。其中，R為剪切力，N；Q為上覆巖層的壓力或者載荷，kg/m2；C，D為采空區(qū)中部塊。

圖1 破斷模型Fig.1 Roof breaking model

1.2 塊體破斷受力分析

利用三鉸拱的破斷原理、工作面的頂板破斷原理[14-15]，推演獲得巖塊保持平衡所需的水平推力為

(1)

(2)

式中，φ為巖塊的內(nèi)摩擦角，(°)。

結(jié)合構(gòu)建模型，利用公式得到?jīng)Q定巖塊出現(xiàn)垮落破斷的原因是覆巖的高長比，覆巖的高長比值越低，巖塊就會(huì)具有更強(qiáng)的抗失穩(wěn)能力，也就是很難發(fā)生垮落失穩(wěn)。當(dāng)巖塊發(fā)生垮落破斷時(shí)，巖塊的內(nèi)摩擦角處于38°～45°，tanφ為0.8～1。所以為有效阻止巖塊發(fā)生垮落失穩(wěn)，巖塊的高長比需低于0.8～1，也就是覆巖厚度超過垮落破斷下來的巖塊長度。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型構(gòu)建

以官地煤礦3318工作面為研究對象，結(jié)合地質(zhì)參數(shù)借助3DEC數(shù)值模擬軟件模擬研究。3DEC軟件最大特點(diǎn)是將UDEC由二維轉(zhuǎn)變?yōu)槿S，且具備等效的離散元核算優(yōu)點(diǎn)，重點(diǎn)研究工作面回采后頂板下沉破斷規(guī)律以及覆巖頂板結(jié)構(gòu)和工作面推進(jìn)距離不同時(shí)頂板破裂下沉規(guī)律。結(jié)合官地煤礦實(shí)際的地質(zhì)數(shù)據(jù)，構(gòu)建120 m×40 m×36 m的數(shù)值模型，數(shù)值模擬分析的巖層主要包括2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)煤層及覆巖共計(jì)厚36 m的9層巖層，各巖層力學(xué)數(shù)據(jù)見表1、2。構(gòu)建成功模型后，開始對模型進(jìn)行材料參數(shù)賦值和節(jié)理切割，構(gòu)建的數(shù)值模型如圖3所示。在模型周圍添加邊界條件，使模型達(dá)到初始平衡條件，達(dá)到初始平衡條件時(shí)的位移云圖如圖4所示。

表1 各巖層物理力學(xué)參數(shù)

表2 煤巖層接觸面力學(xué)參數(shù)

圖3 構(gòu)建模型Fig.3 Model construction

圖4 達(dá)到初始平衡時(shí)的位移云圖Fig.4 Displacement nephogram at initial equilibrium

2.2 模擬結(jié)果分析

結(jié)合礦井采掘銜接計(jì)劃和3318工作面回采安排，利用模擬軟件模擬工作面回采不同推進(jìn)距離(5 m、10 m、15 m和20 m)的位移云圖，具體如圖5所示。

圖5 工作面回采不同距離時(shí)的頂板位移模擬情況Fig.5 Roof displacement at different mining distances of working face

當(dāng)工作面回采5 m距離時(shí)，頂板發(fā)生拱形下沉，原因是在開挖煤層初期，因頂板受到不穩(wěn)定的層間距作用，煤層之間的覆巖為軟弱巖石，不具有充分的支撐力，所以會(huì)出現(xiàn)彎曲下沉變形現(xiàn)象[16]。模擬結(jié)果顯示頂板出現(xiàn)最大的位移量達(dá)到0.94 m，因開采的3號(hào)煤層煤厚只有1.8 m，頂板下沉量是采高的31.3%。下部鄰近煤層在回采時(shí)最小的頂板位移量為0.33 m，同時(shí)拱形下沉也已經(jīng)發(fā)展至工作面全部頂板區(qū)域內(nèi)。模擬結(jié)果得出，在工作面開挖5 m距離時(shí)，頂板發(fā)生彎曲下沉現(xiàn)象，最大位移量達(dá)到0.94 m。伴隨著工作面的推進(jìn)距離持續(xù)增加，工作面頂板位移量持續(xù)增大，產(chǎn)生的拱形結(jié)構(gòu)區(qū)域也在不斷增大，當(dāng)工作面回采10 m距離時(shí)，頂板的位移量達(dá)到1 m；當(dāng)工作面推進(jìn)15 m距離時(shí)，頂板的位移量達(dá)到1.1 m；當(dāng)工作面推進(jìn)20 m距離時(shí)，頂板的位移量達(dá)到1.2 m。同時(shí)隨著工作面的不斷推進(jìn)，底板發(fā)生底鼓問題，且在不斷加重。

因上鄰近煤層的回采，下鄰近煤層及頂板受到的應(yīng)力發(fā)生明顯的降低，同時(shí)受到上鄰近煤層開采的影響，開挖下鄰近煤層之后導(dǎo)致工作面前方和后方產(chǎn)生壓力增高區(qū)以及工作面下方產(chǎn)生減壓區(qū)。工作面回采不同距離時(shí)的頂板應(yīng)力模擬情況如圖6所示。

圖6 工作面回采不同距離時(shí)的頂板應(yīng)力模擬情況Fig.6 Roof stress at different mining distances of working face

由圖6(a)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作面推進(jìn)距離達(dá)到5 m時(shí)，下鄰近煤層的工作面底板發(fā)生應(yīng)力下降現(xiàn)象，應(yīng)力值為-0.4 MPa，而且因存在側(cè)向應(yīng)力，下鄰煤層的底板中部范圍產(chǎn)生了拉應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致了發(fā)生底鼓現(xiàn)象。因下鄰近煤層開采工作面，下鄰近煤層工作面的兩端產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)工作面回采5 m距離時(shí)，應(yīng)力集中地點(diǎn)最大應(yīng)力達(dá)到-16 MPa。從圖6(b)、(c)、(d)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力集中地點(diǎn)未發(fā)生明顯變化，應(yīng)力波動(dòng)幅度不明顯。模擬結(jié)果表明，在工作面不斷回采時(shí)下鄰近煤層工作面頂板發(fā)生隨采隨冒持續(xù)破斷方式，未發(fā)生像其他煤層回采過程形成的頂板周期破斷下沉現(xiàn)象。

根據(jù)以上數(shù)值模擬結(jié)果，針對不穩(wěn)定層間的煤層頂板結(jié)構(gòu)，因巖層直接頂是松軟泥頁巖、有良好發(fā)育的節(jié)理裂隙。同時(shí)，因上鄰近煤層發(fā)生采動(dòng)破壞，巖層直接頂改變成破碎較嚴(yán)重的散體結(jié)構(gòu)，當(dāng)下鄰近煤層回采時(shí)，此形式的散體結(jié)構(gòu)的頂板很難具備支撐作用，體現(xiàn)為隨著工作面的不斷回采，巖層頂板連續(xù)不斷垮落，這是不穩(wěn)定層間的煤層頂板結(jié)構(gòu)回采時(shí)發(fā)生較弱的礦壓顯現(xiàn)原因。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合官地煤礦現(xiàn)場所提供的支架來壓數(shù)據(jù)，分析3318工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及頂板破斷規(guī)律。借助5臺(tái)綜采支架壓力監(jiān)測儀測定支架阻力，現(xiàn)場布置3條測線，具體為機(jī)頭、工作面中部、機(jī)尾3條測線。工作面不同位置(上部、中部和下部)的支架受力情況如圖7～9所示。

圖7 3318工作面上部支架阻力Fig.7 Support resistance at the upper section of 3318 working face

圖8 3318工作面中部支架阻力Fig.8 Support resistance at the middle section of 3318 working face

圖9 3318工作面下部支架阻力Fig.9 Support resistance at the lower section of 3318 working face

3.2 結(jié)果分析

由以上數(shù)據(jù)得到，3318工作面初次來壓步距為26 m，在工作面中部率先形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，之后延伸到工作面兩端頭，表明煤層頂板破斷垮落首先在工作面中部開始，此時(shí)工作面頂板壓力增加幅度小于正常生產(chǎn)期，平均動(dòng)載系數(shù)為1.131，工作阻力最大達(dá)到4 181.93 kN，基本達(dá)到額定阻力的92.9%，當(dāng)工作面礦壓顯現(xiàn)來臨之前，工作面的每個(gè)支架工作阻力多數(shù)比平均工作阻力大。結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)測數(shù)據(jù)分析可獲得：3318工作面周期來壓步距為12 m，平均來壓步距為22 m，回采期間支架平均阻力為1 846 kN，達(dá)到額定阻力的41.2%，方差為368 kN，結(jié)果證明回采階段支架平均工作阻力起伏波動(dòng)較小，變化幅度不大。

在工作面中部區(qū)域的來壓步距平均是22.5 m，生產(chǎn)時(shí)平均支架工作阻力約占支架額定阻力的49.1%，方差起伏波動(dòng)幅度較大，表明中部區(qū)域支架工作阻力明顯超過上部區(qū)域。工作面頂板破斷失穩(wěn)下沉之前的平均阻力達(dá)到3 649.7 kN，支架的工作阻力約達(dá)到額定阻力的84.1%，工作面中部區(qū)域煤層頂板失穩(wěn)破斷垮落程度比工作面上部區(qū)域明顯。從圖7～9得到，3318工作面下部發(fā)生周期來壓時(shí)的平均步距達(dá)到23 m，工作面支架平均工作阻力為1 343.6 kN，約占支架額定阻力的30.2%，方差起伏波動(dòng)很小，相對平緩，工作面頂板破斷垮落的強(qiáng)度比中部弱。

4 結(jié)論

(1)對不穩(wěn)定層間距頂板破斷的力學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，同時(shí)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，依據(jù)理論分析和公式計(jì)算獲得：巖塊破斷失穩(wěn)由覆巖塊的高長比決定，當(dāng)高長比值越大，上覆巖塊抵抗失穩(wěn)的能力越弱，即越容易垮落。

(2)數(shù)值模擬結(jié)果表明，在工作面不斷推進(jìn)階段，工作面頂板呈現(xiàn)出散體破壞方式，發(fā)生較弱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，頂板基本不再具有支撐作用，接著頂板開始破斷垮落，各個(gè)散體之間發(fā)生滑移垮落，礦壓顯現(xiàn)減弱。

(3)結(jié)合工作面實(shí)測數(shù)據(jù)，分析工作面推進(jìn)階段的礦壓變化特點(diǎn)，確定工作面的首次來壓距離是26 m，周期來壓步距是22 m，現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果與模擬結(jié)果比較吻合。