姬 智，王旭峰，郝 軍，崔東亮，王世平

(神東煤炭集團上灣煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

隨著煤礦開采配套裝備的日益改進與完善，特厚煤層綜采一次性采全高技術(shù)工藝逐步成熟，較厚煤層綜放開采、分層開采具有煤炭回收率高、開采效率高等明顯優(yōu)勢。

目前，針對綜采大采高的理論與技術(shù)已有較多深入的研究。楊俊哲等[1-3]研究了大采高綜采的關(guān)鍵技術(shù)和問題，并著重研究了大采高工作面上覆巖層破斷及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，認為特大采高工作面礦山壓力顯現(xiàn)較低時采高工作面更加強烈，且由于采高的明顯加大，第一層老頂較難形成“砌體梁”平衡結(jié)構(gòu)，而是以“懸臂梁”形態(tài)周期性破斷，造成頂板對工作面產(chǎn)生周期性壓力。同時，認為埋深較深的工作面會由于其上覆多層關(guān)鍵層的同步破斷而更容易發(fā)生變形、位移和破壞，開采風險也隨之增加。陳蘇社[4]研究了大柳塔煤礦52304大采高綜采工作面頂板結(jié)構(gòu)與礦壓規(guī)律，并利用關(guān)鍵層理論詳細地解釋了造成工作面兩側(cè)巷道區(qū)域礦壓顯現(xiàn)規(guī)律不同的原因。陶志勇等[5]以補連塔煤礦12511工作面為工程背景，研究了8 m大采高工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及其配套支架的適應性，研究結(jié)果表明，工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律符合雙關(guān)鍵層礦壓理論，且支架適應性較好。于斌等[6]針對特厚煤層綜放開采提出了工作面上方近場關(guān)鍵層“豎O-X”破斷的“懸臂梁+砌體梁”結(jié)構(gòu)和遠場關(guān)鍵層“橫O-X”破斷的“砌體梁”結(jié)構(gòu)的礦壓分析模型，并利用該模型分析了造成工作面來壓強烈的原因。楊勝利等[7]介紹了大采高采場周期來壓的頂板結(jié)構(gòu)及其動載效應，認為下位基本頂破斷后形成的巖塊仍能暫時自穩(wěn)，而其與上位基本頂斷裂形成的靜定三鉸拱結(jié)構(gòu)的共同失穩(wěn)造成了工作面的周期來壓。尹希文[8]針對淺埋深特大采高工作面提出了上覆巖層破斷的“切落體”模型，并以該理論模型確定了液壓支架的合理工作阻力。周金龍等[9]通過相似模擬試驗和UDEC數(shù)值模擬深入研究了大采高工作面頂板關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)形態(tài)及其穩(wěn)定性。另外，還有學者針對傾角對大采高工作面煤壁片幫的影響機制[10]、大采高工作面頂板的破斷角[11]及大采高工作面支架合理初撐力確定方法[12]等方面進行研究，均取得了良多有益的成果。

本文以神東上灣煤礦第二個一次性采全高8.8 m特大采高12402工作面為工程背景，主要對特大采高工作面的開采設備、特大采高工作面采空區(qū)頂板破斷后較難形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)的原因及大斷面切眼周邊應力狀態(tài)進行介紹與分析，以期加強對其中問題的理解，并認識到特大采高工作面與小采高工作面相比所具有的主要顯著特點。

1 工程背景

上灣煤礦是神東煤炭集團主力生產(chǎn)礦井之一，地處內(nèi)蒙古鄂爾多斯市伊金霍洛旗烏蘭木倫鎮(zhèn)，核定生產(chǎn)能力1 600萬t/a。上灣煤礦于2019年9月4日順利完成世界上首個8.8 m特大采高工作面(12401工作面)的回采任務，安全生產(chǎn)533 d，出煤約1 853.7萬t，并于2019年9月22日投產(chǎn)第2個8.8 m特大采高工作面(12402工作面)。

12402工作面采用走向長壁后退式綜合機械化采煤法回采，采空區(qū)采用全部垮落法處理；工作面傾向長度300 m，走向推進長度5 271.8 m，設計采高8.6 m；工作面上覆蓋層厚度為115～270 m，煤層及頂?shù)装逄卣饕姳?；工作面地質(zhì)構(gòu)造及水文條件均較簡單，對工作面正常推采影響較小。

表1 煤層及頂?shù)装逄卣鞅鞹able 1 Characteristics of coal seam,roof and floor

2 12402工作面開采配套設備

目前，12402工作面的所有配套設備均實現(xiàn)了國產(chǎn)化，總裝機功率達到了15 842 kW，設備總重量達16 679 t。與小采高工作面相比，特大采高工作面的采煤機、液壓支架、刮板輸送機及乳化液泵站等主要設備在重量上、設計上均有其顯著特點。

2.1 MG1100/3030-GWD型高機身無鏈電牽引雙滾筒采煤機

12402工作面采煤機型號為MG1100/3030-GWD，重量230 t，機面高度4.1 m(機面高度增大后，左右行走箱內(nèi)均設兩級惰輪)，滾筒直徑4.3 m，截深0.865 m，最大臥底量0.49 m，采高范圍5.6～8.8 m，單個截割電機功率1 100 kW，裝機總功率3 030 kW，煤機體重、規(guī)格及運行功率均較大。

2.2 大阻力雙柱支撐掩護式液壓支架

為適應采高大的特點，12402工作面中間架及第一過渡架(進入工作面的第一臺支架)在設計上有其顯著特點。工作面中間架型號為ZY26000/40/88D，單臺支架重量100 t，可支撐高度4.0～8.8 m，支架中心距2.4 m，移架步距0.865 m，其中，為有效起到護幫的作用，支架共設三級護幫，一二三級護幫板總長為4.1 m；支架最大工作阻力可達26 000 kN，支護強度達1.71～1.83 MPa。工作面第一過渡架型號為ZYG26000/40/88D(A/B)，主要技術(shù)參數(shù)與中間架一致，與中間架不同的是，由于回采在工作面兩端頭采用垂直過渡工藝，所以在第一過渡架上安裝有大側(cè)護板(圖1)，用來防止順槽頂板向工作面方向發(fā)生側(cè)漏而傷及工作人員。

圖1 工作面端頭過渡處Fig.1 The end of mining face

2.3 超重型刮板輸送機

12402工作面刮板輸送機型號為SGZ1400/3×1 600 kW，與之配套的轉(zhuǎn)載機和破碎機型號分別為SZZ1600/700 kW和PLM6000。 SGZ1400/3×1 600 kW型刮板輸送機的中部槽寬度為1.4 m，中雙鏈鏈環(huán)直邊直徑60 mm，立環(huán)內(nèi)徑181 mm，平環(huán)內(nèi)徑197 mm。為有效起到擋煤的作用并便于采煤機底刀司機合理控制底板提臥量，刮板輸送機的擋煤板設計高度達到了2.3 m。另外，為滿足割煤期間落煤量大的實際要求，該工作面刮板輸送機的輸送量達6 000 t/h，為工作面的高產(chǎn)提供了保障。

2.4 乳化液泵站

12402工作面乳化液泵的型號為HDP-1000-90，共設3臺，2用1備，最大壓力可達37.5 MPa。同時，為滿足工作面超大型液壓支架快速完成“降-拉-升”、推溜及收打護幫板等操作環(huán)節(jié)，該工作面乳化液泵的最大流量可達1 350 L/min；其次，與小采高工作面相比，為滿足支架快速動作所需流量，12402工作面支架配液塊上同時布置兩根進液管和兩根回液管，即“雙進雙回”，這與小采高工作面常見的“單進單回”存在差異。另外，值得一提的是，針對采高超大的特點，工作面乳化液泵站還配有兩臺高壓增壓泵，1用1備，“雙進不回”，最大壓力可達42 MPa，用來單向為立柱內(nèi)缸進行補壓，在工作面初采階段和末采階段頂板可能強烈來壓的情況下使用，以保證工作面支架的初撐力達到30 MPa以上，預防支架被垮落的頂板“拍出”甚至推垮，而造成人員傷害和設備損壞。

3 老頂“懸臂梁”式破斷

以往的小采高工作面通常認為采空區(qū)頂板破斷符合“砌體梁”結(jié)構(gòu)理論，然而隨著采高的逐步增大，尤其是特大采高工作面，學者們開始認為特大采高工作面覆巖破斷后較難形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)，取而代之的是一端被約束，另一端自由的“懸臂梁”，這也是大采高工作面與小采高工作面相比，在覆巖破斷規(guī)律上存在的顯著差異。但是，究其本質(zhì)，有學者認為是破斷后的巖塊回轉(zhuǎn)量大，即采空區(qū)頂板至采空區(qū)內(nèi)松散體的空間大，破斷后的巖塊會因回轉(zhuǎn)過大而失穩(wěn)，導致較難形成“砌體梁”平衡結(jié)構(gòu)。然而，從形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)的理論條件出發(fā)，上述原因應為較難形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)的其中一個因素。

事實上，形成“砌體梁”式平衡結(jié)構(gòu)必須有足夠的水平推力T作用在“砌體梁”的兩個拱腳以阻止結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)，水平推力T對能否形成“砌體梁”式平衡結(jié)構(gòu)起著關(guān)鍵作用(圖2)。水平推力T用式(1)[13]進行計算。

(1)

式中：LB為第一亞關(guān)鍵層內(nèi)懸露巖塊B的長度；QB為懸露巖塊B的自重；hB為第一亞關(guān)鍵層的厚度；sB為懸露巖塊B的下沉量。

圖2 老頂破斷后沿煤層走向采空區(qū)剖面圖Fig.2 Profile of goaf along strike of coal seam after the main roof has broken

結(jié)合式(1)并以12402工作面為例，可近似地將LB、QB、hB視為定值，因此，懸露巖塊B的下沉量sB主要決定著形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)所必需的水平推力T的大小，sB越小，所必需的水平推力T越小，破斷后的巖塊更容易形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)；反之，sB越大，所必需的水平推力T越大，破斷后的巖塊就不容易形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)。因此，在特定情況下，sB決定著能否形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)，而sB的大小應從特大采高工作面的劇烈影響范圍以及破斷巖塊的最大可回轉(zhuǎn)高度兩方面考慮。

3.1 特大采高工作面劇烈影響范圍分析

受煤層賦存條件等方面的影響，特大采高工作面的斷面形狀實際上較難準確描述，這里將其斷面形狀簡化近似為圓形，通過分析圓形孔的周邊應力來確定開挖后劇烈所波及的范圍，圓形孔周邊應力分布圖如圖3所示。圖3中pz為垂直方向應力，px為水平方向應力，λ為側(cè)壓系數(shù)，σt為切向應力，σr為徑向應力，τ為剪應力，a為圓形孔半徑，r為孔周邊任意一點至圓心的距離，θ為任意一點的方位角。

另外，由于節(jié)理裂隙、斷層等地質(zhì)因素的存在，計算前需先將孔周邊的圍巖簡化近似為均質(zhì)、各向同性的連續(xù)彈性體，然后應用求解平面應變問題的方法及應力疊加原理可求得圓形孔周邊任意一點處的應力，各應力表達式見式(2)～式(4)[14]。

圖3 地應力場中的圓形孔Fig.3 Circular hole in natural stress field

(2)

(3)

(4)

令式(2)～式(4)中的λ等于1，可得出常見的雙軸等壓情況下軸對稱圓形巷道周邊的應力，見式(5)～式(7)[14]。

(5)

(6)

τ=0

(7)

將式(5)和式(6)中的r分別取a和無窮大，可以得到軸對稱圓形孔周邊應力的分布圖，如圖4所示。從圖4中可以看出，巷道開挖后的影響范圍在理論上是無限的，但通常會取σt超出原巖垂直應力pz的5%～10%處的r作為巷道開挖后的劇烈影響范圍邊界。 因此，將σt等于1.05pz和1.1pz分別代入式(5)可得出劇烈影響范圍的邊界r為3～5a。從該結(jié)論可以看出，隨著孔開挖半徑a的增大，其開挖后的劇烈影響范圍就越廣，特大采高工作面回采空間半徑越大，因此，其劇烈影響范圍會更廣更遠，與小采高工作面相比，可造成采空區(qū)上覆更高的厚且硬的巖層不同程度發(fā)生下沉甚至失穩(wěn)，從而導致第一亞關(guān)鍵層(老頂)出現(xiàn)下沉量過大的情況，不容易形成“砌體梁”式平衡結(jié)構(gòu)，直接進入垮落帶全部垮落。

圖4 雙軸等壓情況下圓形孔開挖后周邊應力分布Fig.4 Stress distribution around excavated circular holeunder condition of biaxial equal pressure

另外，通過分析式(5)可知，在孔的周邊，即r=a處，切向應力σt的大小與孔半徑a的大小不存在必然的聯(lián)系；非孔半徑越大，其周邊切向應力越大，在同等條件下，無論孔半徑取何值，其周邊切向應力值均為2pz。所以，在將工作面斷面簡化近似為圓形后知，小采高工作面與特大采高工作面其周邊應力在理論上是相等的。然而，從現(xiàn)場實際情況出發(fā)，特大采高工作面劇烈影響范圍大，其范圍內(nèi)會包含更多的不連續(xù)面，造成其范圍內(nèi)頂板巖體強度發(fā)生大的折減，因此在周邊應力相等的情況下，特大采高工作面頂板失穩(wěn)巖體會更多，造成頂板來壓會更加劇

烈，這一點在工作面初采時應給予足夠重視。

3.2 破斷巖塊最大可回轉(zhuǎn)高度分析

破斷巖塊最大可回轉(zhuǎn)高度可用采空區(qū)Δ值表示，其值為采空區(qū)上方完整老頂與采空區(qū)內(nèi)直接頂和偽頂垮落后形成的松散體之間的間隙距離[13]，如圖5所示。Δ值的大小可利用式(8)[13]計算求得。

Δ=M+∑h(1-Kb)

(8)

式中：M為采高；Σh為直接頂和偽頂巖層的垮落厚度；Kb為巖石碎脹系數(shù)，通常取1.2～1.5。

特大采高工作面采高大，則式(8)中的M值大，Δ值也越大，老頂已破斷巖塊的可回轉(zhuǎn)空間就越大。上灣煤礦12402工作面采高8.8 m，偽頂平均厚度0.35 m，直接頂平均厚度5 m，巖石碎脹系數(shù)按大值取1.5，則根據(jù)式(8)可計算出Δ值為6 m，數(shù)值較大。為作比較，假設目前工作面采高為3.5 m，其余參數(shù)不變，則可計算出此時的Δ值為0.8 m。顯然，與大采高工作面相比，采高相對小的工作面其采空區(qū)內(nèi)的松散體更容易起到有效阻止懸露巖塊下沉的作用，而大采高工作面卻難以實現(xiàn)這一點，造成懸露巖塊因下沉過多而較難形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)。

圖5 沿煤層走向采空區(qū)剖面圖Fig.5 Profile of goaf along strike of coal seam

4 大斷面切眼周邊應力分析

12402工作面采高大，其切眼斷面面積同樣大，為其又一較顯著的特點。以12403工作面為例(圖6)，其切眼斷面形狀為矩形，跨度為11.4 m，高度為6.3 m。受12CM27-11D型連續(xù)采煤機最大挑頂高度的限制，12403工作面切眼掘進時需要分兩步工序進行，即先掘進完11.4 m×4.7 m斷面的巷道，再通過將留設的1.6 m底煤進行二次挖底而達到設計的6.3 m高度。 目前，切眼支護設計為：頂板采用錨索+錨桿+W鋼帶聯(lián)合支護，其中頂錨索采用Φ21.6×8 000 mm錨索，排距2 m，每排布置6根，頂錨桿采用Φ22×2 200 mm螺紋鋼錨桿，排距1 m，每排布置11根；正幫采用玻璃鋼錨桿+塑料網(wǎng)片聯(lián)合支護，錨桿規(guī)格為Φ27×2 400 mm，排距1 m，每排5根；副幫主要采用Φ18×2 100 mm圓鋼錨桿支護，排距1 m，每排5根，并之后采用錨索和W鋼帶進行補強支護[15]。

切眼作為工作面推采的始采位置，其能否在較長一段時間內(nèi)保持穩(wěn)定或是不發(fā)生劇烈塑性變形關(guān)乎到12403工作面開采工作的正常進行，一旦切眼發(fā)生失穩(wěn)，與小斷面切眼相比，大斷面切眼二次維護難度更大。因此，有必要分析切眼開挖后其周邊的應力狀態(tài)，從而在此基礎(chǔ)上確定合理的掘進和支護方案。

一直以來，相對于分析圓形孔周邊的應力，矩形孔周邊應力的分析較少，尤其在一些傳統(tǒng)教材中介紹也相對簡單。一方面是因為矩形孔周邊應力的求解需要采用復變函數(shù)，計算難度大、過程復雜；另一方面是因為盡管圓形孔與實際情況相比做了很大的簡化，但通過分析圓形孔周邊的應力，仍能解釋一些工程問題，尤其在確定區(qū)段煤柱寬度、研究支承壓力等問題上，然而通過分析切眼周邊的應力狀態(tài)，同樣可以得出一些有益的結(jié)論。

圖6 地應力場中的矩形孔Fig.6 Rectangle hole in natural stress field

施高萍等[16]針對矩形孔周邊的應力分布規(guī)律進行了深入的研究，認為矩形孔周邊的應力大小與側(cè)壓系數(shù)λ和孔的跨度與高度之比a/b關(guān)系密切，給定具體的側(cè)壓系數(shù)λ和跨高比a/b，可以得出孔周邊拉應力和壓應力的分布情況；其中，無論λ和a/b各自取何值，孔的四個拐角均會發(fā)生壓應力集中，四個拐角區(qū)域始終應是重點支護的區(qū)域。另外，考慮到煤巖體抗壓不抗拉，要重點關(guān)心拉應力的分布范圍，切眼的頂?shù)装寮皟蓭途赡艹霈F(xiàn)大面積拉應力區(qū)域，此時拉應力區(qū)域要進行加強支護。其次，與上述加強支護相比，還可以通過改變a/b的比值改善孔周邊的應力狀態(tài)，縮小不利應力的分布范圍，尤其是縮減存在較大拉應力的的區(qū)域，這種方式更多的是強調(diào)利用圍巖的自穩(wěn)能力而實現(xiàn)切眼的良好維護，即在λ<1時，降低a/b的比值；在λ>1時，增加a/b的比值，在減少支護量的同時維護好切眼。

12403工作面切眼跨度為11.4 m，高度為6.3 m，跨高比a/b等于1.8，借鑒于上述結(jié)論，若上灣煤礦實測的側(cè)壓系數(shù)λ<1，則可通過減小切眼的跨度a或增加切眼的高度b降低a/b的比值；若實測側(cè)壓系數(shù)λ>1，則可通過增大切眼的跨度a或降低切眼的高度b增加a/b的比值。但是，目前上灣煤礦還未實測過原巖地應力場，因此，暫無法得到實際的λ。在有了具體的λ值后，可以計算得出在a/b等于1.8情況下孔周邊拉應力和壓應力的分布范圍，根據(jù)拉壓應力的分布范圍則可制定出合理的支護方案。或為了縮小不利應力的影響范圍，減少支護量，在對a和b進行調(diào)整時，需要考慮到綜采設備正常運行的最小工作尺寸、初采強制放頂所需補償空間及掘進設備的最大挑頂高度等因素。

5 結(jié) 論

1) 與小采高工作面相比，特大采高工作面開采配套設備重量大、裝機功率高，在設備的設計上也有其特殊之處，如采煤機行走箱內(nèi)設兩級惰輪、第一過渡架上安裝有大側(cè)護板、支架配液塊上管路的“雙進雙回”及乳化液泵站增加的高壓增壓泵等。

2) 特大采高工作面第一亞關(guān)鍵層內(nèi)破斷的巖塊較難形成“砌體梁”平衡結(jié)構(gòu)，其本質(zhì)原因是特大采高工作面第一亞關(guān)鍵層下沉量更大、采空區(qū)Δ值更大，“兩更大”可造成形成“砌體梁”平衡結(jié)構(gòu)所必須的水平推力T不足而導致較難形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)，取而代之的為“懸臂梁”。

3) 特大采高工作面劇烈影響范圍廣，開采擾動性大，12401工作面采空區(qū)對12402工作面機尾段的影響需要重視，尤其在12402工作面初采期間。另外，要重視12402工作面機尾段的生產(chǎn)組織，控制好工作面的工程質(zhì)量。

4) 在12402工作面初采期間，回順副幫多次出現(xiàn)過錨索托盤鼓起嚴重乃至飛出、聯(lián)巷內(nèi)靠回順側(cè)的密閉墻表層大面積脫落等情況。因此，從長遠考慮，12401～12405工作面采后所形成的大型采空區(qū)群是否會影響到12406工作面的正常生產(chǎn)，需要做進一步的研究，其中尤其應論證目前25 m寬的區(qū)段煤柱在將來的合理性。

5) 特大采高工作面頂板破斷巖塊的可回轉(zhuǎn)高度大，相應的破斷巖塊內(nèi)儲存的重力勢能就越大，因此，從老頂巖塊失穩(wěn)開始回轉(zhuǎn)至其觸及到采空區(qū)矸石的整個過程，易形成颶風沖擊工作面。而為減少這一風險發(fā)生所帶來的不利影響，可通過降低采高M值、增大垮落巖層厚度Σh值來實現(xiàn)。為此，初采期間采高不宜過高，要保證工作面上方留有一部分頂煤，其隨著工作面推進將垮落直接充填采空區(qū)，增大Σh值的同時，降低了Δ值。待初次來壓發(fā)生過后，再逐步通過挑頂、臥底將采高控制在設計范圍內(nèi)。

6) 12403工作面切眼在12402工作面貫通之前需“閑置”一年多的時間，同時考慮之前工作面已形成的采空區(qū)對12403工作面切眼可能造成的影響，因此12403工作面切眼在這一段時間內(nèi)的穩(wěn)定性同樣應引起重視，而側(cè)壓系數(shù)λ決定著切眼的穩(wěn)定性。綜上，上灣煤礦在條件允許時可進行原巖地應力場的測量以用來確定后續(xù)切眼合理的斷面尺寸，盡可能地減少圍巖蠕變效應帶來的不利影響。