楊 科，劉文杰，李志華，劉欽節(jié)，池小樓，魏 禎

（1.安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 煤炭安全精準(zhǔn)開采國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，安徽 淮南 232001；3.安徽理工大學(xué) 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001）

0 引 言

受地質(zhì)構(gòu)造作用和沉積成巖環(huán)境的影響，我國(guó)煤炭資源稟賦和煤質(zhì)特征區(qū)域性差異較大，大傾角［1］煤層作為其中最具有鮮明賦存特征的一類煤層，在我國(guó)中西部地區(qū)廣泛分布［2］，其中中部地區(qū)以兩淮礦區(qū)為典型代表，其煤質(zhì)較為松軟，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，瓦斯壓力大，部分煤層上部賦存有厚硬砂巖頂板。 這類煤層開采時(shí)，致災(zāi)和誘災(zāi)因素較多，開采難度系數(shù)較大。 近年來，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)大傾角煤層開采中圍巖應(yīng)力演化特征［3-5］、采場(chǎng)空間結(jié)構(gòu)［6］、覆巖變形破斷運(yùn)移規(guī)律［7］等展開了系統(tǒng)而全面的研究，分析指出了大傾角煤層開采中圍巖結(jié)構(gòu)的基本特征和應(yīng)力拱殼的基本特性，建立了傾向和走向的三鉸拱力學(xué)模型，揭示了“關(guān)鍵層”多級(jí)梯階結(jié)構(gòu)形成與變異機(jī)制以及穩(wěn)定-失穩(wěn)對(duì)采場(chǎng)災(zāi)變的控制效應(yīng)，闡明了工作面“支架-圍巖”系統(tǒng)高位沖擊和低位推垮失穩(wěn)致災(zāi)機(jī)理。 在煤壁片幫滑移失穩(wěn)特征以及“支架-圍巖”關(guān)系方面已有研究表明，受煤層傾角和重力作用，采空區(qū)覆巖破斷矸石呈現(xiàn)非均勻充填和壓實(shí)特性，煤壁沿工作面傾向呈非對(duì)稱受載特征，導(dǎo)致煤壁片幫具有區(qū)域多發(fā)性和交替演變性［8-11］，工作面傾向中部為煤壁片幫高發(fā)區(qū)；文獻(xiàn)［12-14］結(jié)合覆巖非對(duì)稱垮落特征和采場(chǎng)傾斜砌體結(jié)構(gòu)與支架三維作用模型，建立了支架失穩(wěn)力學(xué)模型，揭示了“支架-圍巖”系統(tǒng)失穩(wěn)模式及其機(jī)理。

上述研究成果對(duì)大傾角煤層采場(chǎng)圍巖控制具有一定的理論指導(dǎo)作用，但受地質(zhì)構(gòu)造和煤層賦存條件影響，大傾角煤層頂板特性存在較大差異，其中厚硬頂板下軟煤開采就是大傾角煤層開采圍巖控制的技術(shù)難題之一。 筆者以淮南潘四東煤礦11513 工作面為工程背景，采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的綜合研究方法，對(duì)厚硬頂板下大傾角軟煤開采面臨的“煤壁片幫-頂板漏冒-支架失穩(wěn)-底板斷裂滑移”災(zāi)害互饋問題以及強(qiáng)礦壓危害展開研究，并在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的災(zāi)害防控技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)相似稟賦下煤炭資源的安全高效開采提供了理論和技術(shù)依據(jù)。

1 工程背景

潘四東礦11513 工作面主采3 煤，部分區(qū)域受斷層和煤層異常區(qū)影響回采1 煤；3 煤平均厚度4.5 m，平均傾角36°，局部可達(dá)40°，煤體較軟，斷層、節(jié)理發(fā)育程度較高；煤層直接頂和直接底均為泥巖，基本頂為20 m 的厚硬中細(xì)砂巖，普氏系數(shù)f為8～9，屬于典型大傾角“一硬兩軟”厚煤層。 11513工作面設(shè)計(jì)傾向長(zhǎng)度114 m，走向長(zhǎng)度580 m，采煤方法為走向長(zhǎng)壁采煤法，綜采一次采全高，采用ZZ9200/24/50 型支撐掩護(hù)式液壓支架支護(hù)頂板，全部垮落法管理采空區(qū)。

在11513 工作面回采期間，工作面出現(xiàn)多次不同程度的煤壁片幫、液壓支架架間矸石漏冒等現(xiàn)象，且隨工作面推進(jìn)距離的增大，大面積冒頂（圖1），支架倒斜、擠咬等時(shí)有發(fā)生。 為提高煤壁穩(wěn)定性，保證工作面的正常循環(huán)作業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)依靠提高支架工作阻力和護(hù)幫板力等方式對(duì)工作面煤壁片幫進(jìn)行防治，但實(shí)際生產(chǎn)效果并不理想。 最終11513 工作面因支架上方頂板突然部分垮落，大塊砂巖泥巖互層結(jié)構(gòu)對(duì)支架形成沖擊，17 號(hào)支架至42 號(hào)支架發(fā)生大面積側(cè)翻、壓垮和推垮，工作面無法繼續(xù)推進(jìn)，被迫停產(chǎn)。

圖1 工作面大面積冒頂Fig.1 Large area roof fall of working face

2 厚硬頂板下大傾角軟煤開采圍巖力學(xué)響應(yīng)

為分析厚硬頂板-軟煤-軟底工程地質(zhì)條件下，大傾角煤層開采擾動(dòng)巖體力學(xué)響應(yīng)特征及孕災(zāi)機(jī)制，以潘四東礦11513 工作面工程地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立了長(zhǎng)×寬×高為240 m×216 m×279 m 的數(shù)值模型，如圖2 所示。 考慮邊界效應(yīng)的影響，在工作面四周各留設(shè)60 m 邊界煤柱，模擬工作面寬度為114 m，運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷寬度均為5 m，高度為4 m，煤層傾角為35°。 采用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型，模型底部設(shè)置為固定邊界，模型四周設(shè)置為滾軸邊界，頂部施加12.7 MPa均布荷載模擬上覆巖層重力，煤巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖2 11513 工作面數(shù)值模型Fig.2 Numerical model of No.11513 working face

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock

2.1 開采擾動(dòng)巖體破壞特征

煤炭資源采出后，原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，原本由煤體承擔(dān)的覆巖荷載，轉(zhuǎn)移到采空區(qū)四周的煤巖體中，當(dāng)煤巖體中的應(yīng)力達(dá)到其強(qiáng)度極限時(shí)，煤巖單元體將發(fā)生塑性破壞，形成塑性單元的萌生與擴(kuò)張。 由圍巖塑性區(qū)分布形態(tài)（表5）可知，工作面推進(jìn)至30 m 時(shí)，圍巖塑性破壞主要集中在煤體和底板巖石中，細(xì)砂巖基本頂破壞程度較小，工作面前方煤體塑性區(qū)擴(kuò)張深度為6 ～7 m，底板塑性區(qū)深度達(dá)19.5 m；隨工作面繼續(xù)推進(jìn)，圍巖塑性范圍發(fā)生持續(xù)擴(kuò)張，工作面中上部煤體塑性區(qū)深度穩(wěn)定在8～9 m，下部煤體塑性區(qū)深度穩(wěn)定在7 m，而頂板巖層塑性區(qū)高度發(fā)生持續(xù)擴(kuò)張，底板塑性區(qū)深度先增大，后趨于穩(wěn)定。 當(dāng)工作面推進(jìn)距離達(dá)50 ～60 m 時(shí)，塑性區(qū)高度擴(kuò)展貫通基本頂，基本頂發(fā)生初次破斷，此時(shí)，工作面前方煤體破壞深度約為8 m，底板破壞深度達(dá)21.5 ～25.5 m。 沿工作面傾向，與工作面中下部相比，工作面上部基本頂破斷較為滯后，表明在基本頂初次破斷時(shí)，工作面呈現(xiàn)非對(duì)稱來壓特征；受煤層傾角和煤巖體自重影響，工作面中部煤體塑性區(qū)擴(kuò)張深度較大，為煤壁片幫的重點(diǎn)防控制區(qū)域。

表2 圍巖塑性區(qū)分布形態(tài)Table 2 Distribution of plastic zone in surrounding rock

利用FLAC3D內(nèi)嵌的Fish 語言自編程序，提取出煤巖體中的塑性單元，獲得基本頂初次破斷時(shí)采動(dòng)巖體塑性區(qū)三維形態(tài)，如圖3 所示。 結(jié)合表2、圖3分析可知，由于厚硬細(xì)砂巖強(qiáng)度高、整體性好，基本頂難以及時(shí)破斷，而厚硬頂板的大面積懸露易引起采空區(qū)瓦斯積聚，工作面前方煤巖體內(nèi)應(yīng)力積聚，加劇煤巖體的損傷破壞，進(jìn)而增大煤壁片幫概率，且厚硬頂板破斷時(shí)會(huì)沖擊回采空間，推垮、壓垮支架，易誘發(fā)沖擊地壓、煤與瓦斯突出等動(dòng)力災(zāi)害，造成采煤系統(tǒng)的癱瘓［15］。

圖3 基本頂初次破斷圍巖塑性區(qū)三維形態(tài)Fig.3 Three-dimensional morphology of plastic zone of surrounding rock at the initial rupture of main roof

2.2 采場(chǎng)圍巖位移特征

由采場(chǎng)附近圍巖位移云圖（圖4）可知，在鄰近工作面區(qū)域煤巖體位移表現(xiàn)出煤壁擠出位移＞底板鼓起位移＞頂板下沉位移的特點(diǎn)；且隨著工作面推進(jìn)距離的增大，煤壁向自由空間擠出位移量逐漸增大，說明煤體越易發(fā)生片幫失穩(wěn)。 由現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)可知（圖1），當(dāng)煤壁發(fā)生片幫時(shí)，支架上方破碎直接頂將沿片幫形成的自由空間發(fā)生漏冒，小塊破碎直接頂直接冒落到回采工作面，大塊破碎直接頂卡在冒落通道中，導(dǎo)致支架護(hù)幫板無法對(duì)煤壁施加有效護(hù)幫力，將進(jìn)一步加劇工作面片幫和冒頂?shù)陌l(fā)生與發(fā)展；其次破碎直接頂漏冒后，將造成局部支架空載，支架穩(wěn)定性降低，受煤層傾角和冒落滑移巖塊沿傾向的摩擦滑移與沖擊作用，支架易沿傾向發(fā)生倒斜、擠咬［12］，造成局部區(qū)域“支架-圍巖”系統(tǒng)的紊亂。

在煤壁鄰空側(cè)由于煤層開挖卸荷作用，煤層底板發(fā)生塑性區(qū)的萌生與擴(kuò)張（表2），底板鼓起位移量增大（圖4），說明煤層底板向回采空間發(fā)生鼓脹、變形，在三維空間內(nèi)煤層底板破壞形態(tài)沿傾向呈“勺”狀分布（圖3）。 當(dāng)局部“支架-圍巖”系統(tǒng)發(fā)生紊亂時(shí)，導(dǎo)致支架空載無法對(duì)底板形成有效增載作用，此時(shí)，煤層底板發(fā)生鼓脹、斷裂的可能性增大，受自重和煤層傾角的影響破碎底板將沿巖層層面方向產(chǎn)生發(fā)生錯(cuò)動(dòng)和滑移［16］，進(jìn)而引發(fā)工作面“支架-圍巖”系統(tǒng)大范圍災(zāi)變的發(fā)生。

圖4 圍巖位移Fig.4 Displacement of surrounding rock

3 厚硬頂板下大傾角軟煤開采災(zāi)變機(jī)制

根據(jù)上述分析，構(gòu)建厚硬頂板下大傾角軟煤開采災(zāi)變機(jī)制，如圖5 所示。 厚硬頂板的存在導(dǎo)致工作面前方煤巖體的應(yīng)力環(huán)境被“惡化”，加劇工作面前方煤體發(fā)生超前損傷，破壞了煤體的整體性，提高了煤壁發(fā)生片幫失穩(wěn)的概率；煤壁片幫后破碎直接頂沿片幫通道發(fā)生漏冒，造成局部支架空載，引發(fā)局部支架失穩(wěn)和底板增載失效，導(dǎo)致煤層底板發(fā)生鼓脹、斷裂、滑移等問題，進(jìn)而引起支架的大范圍失穩(wěn)，誘發(fā)工作面發(fā)生大面積煤壁片幫和冒頂；其次支架失穩(wěn)后，巨厚砂巖頂板失去控制，存在基本頂大面積垮落推倒、壓垮支架的可能，工作面安全作業(yè)上處于危險(xiǎn)狀態(tài)。 因此，厚硬頂板下大傾角軟煤開采存在2 種災(zāi)害模式，一是以“片幫-冒頂”為主導(dǎo)，誘發(fā)“支架-圍巖”系統(tǒng)發(fā)生大范圍失穩(wěn)的動(dòng)態(tài)互饋性質(zhì)的時(shí)發(fā)性災(zāi)害，二是厚硬頂板破斷引發(fā)沖擊動(dòng)力事故的瞬發(fā)性災(zāi)害。

4 厚硬頂板下大傾角軟煤開采災(zāi)害防控技術(shù)

圖5 厚硬頂板下大傾角軟煤開采災(zāi)變機(jī)制Fig.5 Catastrophic mechanism of large-dip soft coal mining under thick and hard roof

11513 工作面在停產(chǎn)6 個(gè)月后重開切眼，結(jié)合上述分析，在已有研究基礎(chǔ)上［10，12］，為防治厚硬頂板條件下大傾角軟煤開采“煤壁片幫-頂板漏冒-支架失穩(wěn)-底板鼓脹滑移”的災(zāi)害以及強(qiáng)礦壓的危害，實(shí)現(xiàn)厚硬頂板條件下大傾角軟煤的安全高效開采，現(xiàn)場(chǎng)開展了厚硬頂板深孔預(yù)裂爆破初次放頂技術(shù)、“片幫-冒頂”防治措施、支架防倒防滑等安全回采措施。

4.1 厚硬頂板深孔預(yù)裂爆破

為防止強(qiáng)礦壓動(dòng)力災(zāi)害的孕育與發(fā)生，采用超前深孔預(yù)爆破技術(shù)，對(duì)完整性較好的厚硬細(xì)砂巖基本頂開展初次放頂試驗(yàn)。 在爆炸沖擊波和應(yīng)力波作用下，炮孔周圍的巖體沿徑向發(fā)生不同程度的破壞，巖體結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)特性被“劣化”［17］，實(shí)現(xiàn)對(duì)厚硬細(xì)砂巖頂板運(yùn)動(dòng)的控制，有效改善工作面前方煤體的應(yīng)力環(huán)境［18］。

根據(jù)11513 工作面開采設(shè)計(jì)方案，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件，確定11513 工作面厚硬頂板初次放頂爆破方案，如圖6 所示。 在運(yùn)輸巷道和回風(fēng)巷道超前開切眼10 ～15 m 處，選用ZLJ-350 型鉆機(jī)，各布置一組爆破孔，每組爆破孔包括3 個(gè)炮孔，設(shè)計(jì)相鄰炮孔走向間距為2.5 m。 為確保爆破網(wǎng)路安全起爆，爆破孔內(nèi)采用連續(xù)耦合裝藥，雙雷管孔外并聯(lián)連接的方式進(jìn)行引爆，水泥作為封堵材料，風(fēng)動(dòng)封孔機(jī)封堵炮孔，此外，運(yùn)輸巷道和回風(fēng)巷道采用串聯(lián)的聯(lián)線方式，一次裝藥一次起爆，鉆孔水平轉(zhuǎn)角為84°，各炮孔參數(shù)見表3。

表3 炮孔參數(shù)Table 3 Hole parameters

4.2 “片幫-冒頂”防治措施

11513 工作面開采初期沿傾向在工作面中部煤壁和回風(fēng)巷幫部施工鉆孔（圖7），向破碎區(qū)煤體和頂板注入化學(xué)漿（久米納），漿液在破碎煤巖體裂隙間流動(dòng)凝結(jié)后，提高結(jié)構(gòu)弱面的黏聚力和內(nèi)摩擦角，進(jìn)而提高工作面前方破碎區(qū)煤體的整體性，改善煤壁的自穩(wěn)性和承載能力。

液壓支架主要作用是與煤壁共同支撐頂板、抵抗來壓，在工作面回采過程中，受采動(dòng)應(yīng)力和支架的反復(fù)支撐作用，直接頂破碎程度較高，破碎頂板在工作面割煤、移架期間易發(fā)生漏冒，導(dǎo)致支架空載，液壓支架傾倒滑移的概率倍增。 現(xiàn)場(chǎng)采用“鋪設(shè)雙層金屬頂網(wǎng)+工字鋼”輔助液壓支架管理破碎頂板（圖8），形成煤壁和支架耦合承載系統(tǒng)，其次在工作面移架、推溜時(shí)，自下而上應(yīng)做到少降快拉及時(shí)支護(hù)煤壁和破碎頂板。

圖6 11513 工作面基本項(xiàng)預(yù)裂爆破方案Fig.6 Main roof pre-splitting blasting scheme of No.11513 working face

圖7 煤壁注漿方案Fig.7 Coal wall grouting scheme

圖8 “金屬網(wǎng)+工字鋼”管理破碎頂板Fig.8 Broken roof management based on“metal mesh+I-steel”

4.3 支架穩(wěn)定性控制措施

由厚硬頂板下大傾角軟煤開采災(zāi)變機(jī)制可知，保證支架的正常工作姿態(tài)，防止支架發(fā)生滑移和傾倒，做到及時(shí)調(diào)架扶架，對(duì)工作面的正常循環(huán)作業(yè)尤為重要。 針對(duì)11513 工作面地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、斷層節(jié)理較為發(fā)育、富含煤層異常區(qū)的特殊地質(zhì)條件，制定支架防倒防滑，維系支架穩(wěn)定工作姿態(tài)的措施（圖9）如下：

1）回采期間嚴(yán)格控制采高，遇到復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造帶，提前降低采高，提高支架穩(wěn)定性。

2）為實(shí)現(xiàn)支架姿態(tài)的實(shí)時(shí)調(diào)控，防止支架發(fā)生傾倒，在支架頂梁處安設(shè)放倒千斤頂和側(cè)推彈簧，兩側(cè)側(cè)護(hù)板處按設(shè)側(cè)推千斤頂。

3）為提高支架整體性，防止支架滑移，每三架支架安設(shè)1 套斜拉防滑千斤頂與工作面輸送機(jī)連接，在支架底座前后安設(shè)調(diào)架千斤頂，端頭支架的后端安設(shè)防滑千斤頂和防滑鏈。

圖9 支架防倒防滑措施Fig.9 Anti-slip and anti-fall measures of supports

5 防控效果分析

為分析防控措施的效果，對(duì)11513 工作面支架工作阻力和煤壁片幫情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。 當(dāng)11513工作面推進(jìn)到35 ～45 m 時(shí)，工作面發(fā)生初次破斷，比數(shù)值模擬得到的50 ～60 m，提前了15 m 左右（圖10）。 在11513 工作面初次來壓期間，支架平均阻力在7 445.6 ～8 041.7 kN，為支架額定工作阻力的80.9%～87.4%（ZZ9200/24/50 支撐掩護(hù)式液壓支架，初撐力為7 758 kN，額定工作阻力為9 200 kN）；非來壓期間支架平均阻力在5 536.8 ～6 211.7 kN，為支架額定工作阻力的60.2%～67.5%，支架工阻富裕較大，且初次來壓期間支架安全閥開啟較少，表明厚硬頂板得到有效控制。

圖10 支架工作阻力Fig.10 Working resistance of supports

在11513 采取防控措施前，工作面推進(jìn)到30 ～45 m 時(shí)，煤壁中上部發(fā)生大面積片幫且工作面上部煤壁片幫頻次和片幫深度較大（圖11）。

圖11 11513 工作面煤壁片幫統(tǒng)計(jì)Fig.11 Rib spalling statistics of No.11513 working face

當(dāng)工作面新開切眼，采取防控措施后，在化學(xué)漿的膠結(jié)作用和煤壁、支架耦合系統(tǒng)的承載防護(hù)作用下，煤壁片幫得到了有效遏制，煤壁完整性較好；工作面初次來壓時(shí)，煤壁中下部出現(xiàn)小范圍片幫。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，支架傾向歪斜角為-6°～7°，未有傾倒和大范圍滑移現(xiàn)象發(fā)生，說明煤壁防治和支架穩(wěn)定性控制效果較好。

6 結(jié) 論

1）厚硬頂板下大傾角軟煤開采初期，圍巖塑性區(qū)主要集中在煤壁前方煤體和煤層底板巖石；沿工作面傾向，工作面中部煤體塑性區(qū)擴(kuò)展深度較大，為煤壁片幫的重點(diǎn)防控區(qū)域；當(dāng)局部支架穩(wěn)態(tài)工作被打破，導(dǎo)致支架對(duì)底板增載失效，對(duì)頂板失去控制，繼而引起底板的鼓脹、滑移和大塊砂巖泥巖互層結(jié)構(gòu)的沖擊失穩(wěn)。

2）厚硬頂板下大傾角軟煤開采存在著“煤壁片幫-頂板漏冒-支架失穩(wěn)-底板鼓脹滑移”的時(shí)發(fā)性災(zāi)害和強(qiáng)礦壓瞬發(fā)性災(zāi)害的威脅，各致災(zāi)和誘災(zāi)因素間相互誘導(dǎo)，動(dòng)態(tài)互饋，易引發(fā)工作面支架-圍巖系統(tǒng)的大面積災(zāi)變。

3）根據(jù)厚硬頂板下大傾角軟煤開采災(zāi)變機(jī)制，結(jié)合11513 工作面工程地質(zhì)和開采條件，開展了厚硬頂板深孔預(yù)裂爆破初次放頂試驗(yàn)、煤壁注漿加固、支架防倒防滑以及鋪金屬網(wǎng)加工字鋼輔助支架管理破碎直接頂?shù)确揽卮胧?通過對(duì)11513 工作面支架工作阻力和煤壁片幫統(tǒng)計(jì)分析，采取系列防控措施后，厚硬基本頂初次來壓步距減少了約15 m，煤壁片幫得到有效控制，實(shí)現(xiàn)了厚硬頂板下大傾角軟煤支架-圍巖系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工作和安全高效開采。