王 澤

(中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司，北京 100120)

淺埋深煤層由于其特殊的賦存條件，其礦壓顯現(xiàn)具有如下特征：來壓步距小，來壓強(qiáng)烈；工作面覆巖垮落基本上為垮落帶和斷裂帶“兩帶”；工作面上方頂板破斷運(yùn)動直接波及地表；來壓的主要特征是頂板大面積冒頂并呈現(xiàn)臺階下沉。其礦壓特征受諸多因素的影響，如地表松散層厚度、基巖層厚度、地表地形、上覆巖層性質(zhì)等客觀地質(zhì)因素和采高、推進(jìn)速度等主觀可控因素[1-3]。

目前，井下采場礦壓理論和假說具有代表性的主要有：壓力拱假說、懸臂梁假說、砌體梁理論、鉸接巖塊假說、傳遞巖梁理論、關(guān)鍵層理論等[4-6]。但上述理論和假說主要聚焦于采場推進(jìn)方向的頂板覆巖結(jié)構(gòu)和礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律，且大都認(rèn)為采場支架載荷與采場推進(jìn)時(shí)形成的臨時(shí)結(jié)構(gòu)及煤層厚度有關(guān)，而與工作面長度關(guān)系不大。對于無關(guān)鍵層的淺埋深、厚基巖松軟頂板采場的工作面長度變化對采場礦壓規(guī)律影響的有關(guān)研究尚未發(fā)現(xiàn)。本文以鐵煤集團(tuán)敬老院煤礦為例，分析了淺埋深、厚基巖松軟頂板情況下，工作面長度方向的“壓力拱”結(jié)構(gòu)，并通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場觀測的方法研究了不同工作面長度的礦壓特征。

1 工程概況

鐵煤集團(tuán)敬老院煤礦現(xiàn)開采4-2煤層，結(jié)構(gòu)簡單，煤厚2.30～4.01m，平均煤厚3.3m，平均單軸抗壓強(qiáng)度為11MPa，傾角0°～4°。煤層瓦斯含量較小，含硫量高。煤層自然發(fā)火期為3～6個(gè)月，極易自燃。煤層埋深120.2m，基巖以泥巖和泥頁巖為主，屬第四紀(jì)沉積。井下現(xiàn)場試驗(yàn)和理論分析研究均表明，煤層上方巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，無法形成梁、板及關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)。8406工作面走向推進(jìn)長度為1455m，工作面長度為219m，8422工作面推進(jìn)長度為1436m，工作面長度為130m，可采煤層厚度平均為3.17m。工作面支架有兩種型號：一種為ZZ6800，工作阻力為6800kN，初撐力5438kN；另一種為ZZ8800，工作阻力為8800kN，初撐力6240kN。兩種支架間隔一組交錯(cuò)布置。端頭支架型號為ZTZ22500。

2 采煤工作面復(fù)合應(yīng)力拱特點(diǎn)

采煤工作面的煤層被采出后，老頂呈現(xiàn)鉸接結(jié)構(gòu)，與其上方的松軟覆蓋層互相作用，形成復(fù)合應(yīng)力拱結(jié)構(gòu)，如圖1所示。在該結(jié)構(gòu)中，工作面一定范圍內(nèi)的上覆巖層重量通過前后兩個(gè)拱腳傳遞到兩端實(shí)體煤內(nèi)，拱內(nèi)圍巖整體呈冒落拱形式下沉。由圖1可以看出，“外應(yīng)力拱”的兩個(gè)拱腳“支撐”在工作面兩端的實(shí)體煤內(nèi)，其跨度覆蓋整個(gè)工作面長度?！巴鈶?yīng)力拱”有兩個(gè)作用，首先要承擔(dān)懸空煤巖體的重量，其次還要把應(yīng)力傳遞到“外應(yīng)力拱”兩側(cè)的煤柱中。在“外應(yīng)力拱”內(nèi)，破碎煤巖體相互鉸接還會生成諸多的“內(nèi)應(yīng)力拱”，其與“外應(yīng)力拱”以鉸接形式鏈接。隨著采煤工作面不斷推進(jìn)，“內(nèi)應(yīng)力拱”不斷變化，最后與“外應(yīng)力拱”合并。根據(jù)已有壓力拱理論[7]，“外應(yīng)力拱”跨度可用式(1)計(jì)算：

圖1 應(yīng)力拱計(jì)算簡圖

式中，hh為應(yīng)力拱高度，m；b為應(yīng)力拱跨度，m；f為工作面上覆巖層的堅(jiān)固性系數(shù)，取2.5；d為工作面長度，m；a為工作面前后拱腳各自在煤體內(nèi)占有的距離，m；hl為工作面煤厚，取3.3m，φ為頂板巖層內(nèi)摩擦角，取30°。

通過“外應(yīng)力拱”跨度計(jì)算式(1)可知，“外應(yīng)力拱”的高度hh隨著采煤工作面長度d的變化而改變，且工作面長度d越大，則壓力拱高度hh越大，因而導(dǎo)致工作面頂板被壓碎破裂的程度就越大。

數(shù)據(jù)擬合結(jié)果表明：工作面上方壓力拱高度與工作面長度關(guān)系為二次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系，且工作面長度超過240m后，應(yīng)力拱的高度逐漸趨于恒定值，如圖2所示。

圖2 “應(yīng)力拱”的高度與采煤工作面長度關(guān)系

3 數(shù)值模擬研究

3.1 數(shù)值模型的建立

上述采場復(fù)合應(yīng)力拱特點(diǎn)分析結(jié)果僅僅考慮了工作面的長度因素，但沒有考慮采場推進(jìn)長度的影響，而有關(guān)研究表明[6]：增加采空區(qū)寬度對巖石壓力拱影響最大；增加采空區(qū)長度對覆巖走向壓力拱的空間形態(tài)影響較明顯。另外，采場超前支承壓力影響范圍、壓力峰值的位置和大小等信息也無法從上述采場復(fù)合應(yīng)力拱特點(diǎn)分析得到，這些未考慮的因素需要通過數(shù)值模擬方法進(jìn)行分析研究。

敬老院煤礦4#煤厚度平均為3.3m，煤層為近水平煤層(平均傾角為2°)。實(shí)驗(yàn)測試數(shù)目表明：4#煤層單軸抗拉強(qiáng)度、單軸抗壓強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度分別為1.40MPa、10.51MPa和 8.61MPa，煤層彈性模量為4.28GPa，泊松比為0.33，內(nèi)摩擦角為30.4°。本次數(shù)值模擬采用FLAC3D軟件為工具，所選用模型的走向長度、傾向長度和高度分別為200m、400m和120m，模型共劃分為58000個(gè)三維單元。計(jì)算模型模擬工作面長度分別為130m、180m、220m時(shí)，開挖過程中選取常用的摩爾-庫倫準(zhǔn)則，從一側(cè)開挖，每一工作面長度都依次推進(jìn)10m、30m、60m、90m、120m。通過以上步驟，模擬工作面充分采動后應(yīng)力場特征。

3.2 數(shù)值模型結(jié)果分析

工作面長度分別為130m、180m、220m時(shí)在不同推進(jìn)距離時(shí)支承壓力分布模擬結(jié)果如圖 3—5所示。 由圖3—5可知，不同工作面長度情況下，隨著工作面推進(jìn)距離增加，工作面的圍巖應(yīng)力場將發(fā)生變化，隨著采煤工作面推進(jìn)距離逐漸增加，在其前方依次形成三個(gè)區(qū)，即：低壓區(qū)、高壓區(qū)和原始應(yīng)區(qū)；同時(shí)隨著采煤工作面長度的遞增，工作面前方的支承壓力影響范圍、峰值位置和大小均有所不同。當(dāng)采煤工作面長度為130m時(shí)，支承壓力的峰值位于其前方13m處，應(yīng)力峰值為6.7MPa(工作面推進(jìn)90m)，如圖3所示。當(dāng)采煤工作面長度增加到180m時(shí)，支承壓力峰值位置處于煤壁前方8m處，應(yīng)力峰值為7.5MPa(工作面推進(jìn)60m)，如圖4所示。當(dāng)工作面長度增加至220m時(shí)，支承壓力峰值位置位于煤壁前方8m，其峰值大小為8.5MPa(工作面推進(jìn)50m)，如圖5所示?？梢姡S著采面長度的遞增，其前方支承壓力的影響范圍會變大，其峰值位置也將愈加靠近采面煤壁，同時(shí)應(yīng)力峰值也會增大。此后，當(dāng)工作面長度繼續(xù)增加時(shí)，壓力的峰值位置將略有變化。當(dāng)采面長度增至220m后，支承壓力的峰值基本上趨于恒定不變。

圖3 工作面長度為130m時(shí)在不同推進(jìn)距離時(shí)支承壓力分布

圖4 工作面長度為180m時(shí)在不同推進(jìn)距離時(shí)支承壓力分布

圖5 工作面長度為220m時(shí)在不同推進(jìn)距離時(shí)支承壓力分布

同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，隨著采面推進(jìn)距離的遞增，其前方支承壓力的影響范圍也逐步前移，支承壓力峰值也呈現(xiàn)對數(shù)規(guī)律增加。實(shí)際上當(dāng)頂板出現(xiàn)老頂來壓后，圍巖應(yīng)力得到釋放，支承壓力峰值發(fā)生突然降低，然后隨著工作面推進(jìn)而繼續(xù)增大，其變化周期應(yīng)和老頂來壓周期步調(diào)一致[8-9]。不同長度工作面沿工作面長度方向的支承壓力峰值分布如圖6所示，從圖6可以看出，首先不同長度的工作面推進(jìn)50m時(shí)，支承壓力峰值在采面長度方向呈現(xiàn)明顯的拱形分布；其次，采面越長，壓力拱高度越大，這就意味著支承壓力峰值與采面長度正相關(guān)，與至工作面中線距離負(fù)相關(guān)，這與上述壓力拱規(guī)律一致；最后，在工作面兩端，支承壓力降低幅度顯著加大，且隨著采面長度增加，壓力拱扁平率(跨度)趨于增大，壓力峰值高于煤單軸抗壓強(qiáng)度區(qū)段所占比例顯著增大。

圖6 不同長度工作面沿工作面長度方向的支承壓力峰值分布

4 井下現(xiàn)場實(shí)測

4.1 采煤工作面長度對上覆巖層跨落步距的影響

通過對敬老院煤礦Ⅳ-2煤8422(工作面長為130m)、8406(工作面長度為219m)工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律實(shí)測發(fā)現(xiàn)，頂?shù)装鍘r層結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)與強(qiáng)度、采高(3.3m)、支架結(jié)構(gòu)形式與技術(shù)參數(shù)均相同時(shí)，采煤工作面長度和工作面不同相對位置均會對采場礦壓顯現(xiàn)造成影響。

Ⅳ-2煤8422(工作面長為130m)和8406(工作面長度為219m)工作面來壓步距實(shí)測數(shù)據(jù)見表1。從表1中可以看出，8422工作面(長度130m)初次來壓步距為48.5～60.0m，平均周期來壓步距為16.0～20.0m；8406工作面(長度219m)初次來壓步距為30.9～42.0m，平均周期來壓步距為10.0～15.0m?？梢姡S著工作面長度增加，來壓步距整體減小，說明加長工作面后，煤壁被壓碎的程度增大，因而塊煤率相對增高，這與前面公式(1)的表達(dá)含義及其分析情況是一致的。

表1 不同工作面長度來壓步距實(shí)測數(shù)據(jù)

從表1還可以看出，8422工作面(長度130m)周期來壓步距為16.0～20.0m，頂板周期性來壓在工作面長度方向變化范圍較??；8406工作面周期來壓步距為10.0～15.0 m，再結(jié)合井下若干測站的測試數(shù)據(jù)可以推測，隨著采面長度增大，井下采煤工作面頂板活動頻率有增加趨勢。

4.2 采煤工作面來壓期間礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

Ⅳ-2煤8422(工作面長為130m)和8406(工作面長度為219m)工作面來壓期間不同位置礦壓分布情況見表2，Ⅳ-2煤8422(工作面長為130m)和8406(工作面長度為219m)工作面不同位置的礦壓載荷分布曲線如圖7所示。由表2和圖7可以看出：

圖7 工作面長度為130m和219m時(shí)礦壓分布曲線

表2 不同長度工作面礦壓分布

1)支架受載最大(Pmax)位置在工作面中部，機(jī)尾位置次之，機(jī)頭位置最小(略小于機(jī)尾位置)。對于平均載荷(Pm)而言，8406工作面(長度為219m)的中部載荷為8422工作面(長度為130m)的中部載荷的1.04倍，下部和上部分別為1.02和1.0倍。根據(jù)前面對采煤工作面復(fù)合應(yīng)力拱特點(diǎn)的分析及式(1)的特點(diǎn)可知，工作面長度不超過240m時(shí)，其上方壓力拱高度與工作面長度關(guān)系為二次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系。因此Ⅳ-2煤8406(工作面長度為219m)的壓力拱高度較8422(工作面長為130m)工作面的壓力拱高度要大，導(dǎo)致在同樣工作面相對位置前者支架受載較大。

2)8406(工作面長度為219m)工作面和8422(工作面長為130m)的支架載荷(包括Pmax和Pm)與工作面位置均近似呈現(xiàn)二次拋物線曲線，如圖7所示。觀測數(shù)據(jù)表明：工作面支架載荷沿著工作面方向呈現(xiàn)為拱形分布，且工作面中點(diǎn)為其對稱軸。這表明，存在平行于采面的上覆巖層冒落拱，其尺寸與采面長度正相關(guān)。因而，采煤工作面支架選型時(shí)應(yīng)該考慮到，工作面長度越長時(shí)，工作面礦壓顯現(xiàn)就越強(qiáng)烈，故其所需要的支架工作阻力就應(yīng)該越大。而由于采面中部所受載荷大于工作面上下兩端，所以在確定采煤工作面支架的工作阻力時(shí)，應(yīng)該以工作面中部載荷(最大載荷)為選擇依據(jù)，而工作面兩端的支架工作阻力可以適當(dāng)減小[10-14]。

5 結(jié) 論

1)工作面支承壓力的影響范圍、支承壓力峰值以及壓力拱扁平率與工作面長度正相關(guān)，來壓步距整體上與工作面長度負(fù)相關(guān)。采煤工作面長度超過220m后，支承壓力的峰值基本上趨于穩(wěn)定。隨著工作面長度正增加，煤壁被壓碎的程度增大，因而塊煤率相對增高。

2)工作面支架載荷沿著工作面方向呈現(xiàn)為拱形分布，且工作面中點(diǎn)為其對稱軸。冒落拱尺寸與工作面長度正相關(guān)。采煤工作面支架的工作阻力的確定應(yīng)該以工作面中部載荷(最大載荷)為選擇依據(jù)，而工作面兩端的支架工作阻力可以適當(dāng)減小。