趙 斌，趙善坤，李良暉，王 寅，，趙 陽

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京100013；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院，北京100083）

急傾斜煤層指的是傾角大于45°的一類煤層，是世界公認(rèn)的難采煤層[1-6]。目前部分急傾斜煤層在開采過程中可以采用走向長壁綜采技術(shù)來進(jìn)行開采，通常將工作面回風(fēng)巷滯后運(yùn)輸巷10～30 m，形成偽仰斜工作面，小角度的推移還可以避免工作面設(shè)備的下滑，從而實(shí)現(xiàn)該類煤層的安全高效開采。然而，偽仰斜開采過程中，采場空間呈現(xiàn)出上部區(qū)域＜中部區(qū)＜下部區(qū)域的非規(guī)則性，因此圍巖應(yīng)力分布規(guī)律與破壞模式具有新的特點(diǎn)，針對這一點(diǎn)很多學(xué)者都進(jìn)行了深入的研究。楊勝利等[4-7]結(jié)合大采高、仰斜、偽俯斜工作面等條件，建立了煤壁破壞的力學(xué)模型，定義了穩(wěn)定性系數(shù)，并對影響因素進(jìn)行敏感度分析，提出了煤壁破壞的失穩(wěn)機(jī)理；伍永平等[8-13]通過對急傾斜煤層工作面覆巖的變形特征進(jìn)行研究，提出了頂板應(yīng)力分布的不規(guī)則形，并且認(rèn)為頂板破斷后會形成不同種類的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；解盤石等[14]分析了大傾角煤層煤壁的失穩(wěn)機(jī)理，提出了防治煤壁片幫的綜合技術(shù)；平壽康教授課題組[15-20]研究了工作面采用偽傾斜布置方式下圍巖的破斷規(guī)律，并且提出了防治技術(shù)。綜上所述，現(xiàn)有的研究成果多以圍巖破壞影響因素、機(jī)理、類型及常規(guī)防治措施為主，尚未涉及1 種系統(tǒng)的分析煤壁滑移破壞的方法，同時在實(shí)驗(yàn)過程中忽略了傾角下滑力的影響。為此，借助改進(jìn)的底摩擦實(shí)驗(yàn)平臺，研究了煤體在傾角下滑力影響下的破壞模式，基于圓弧滑面準(zhǔn)則，采用瑞典條分法求解了煤體滑移危險性的臨界表達(dá)式，并提出了“棕繩+環(huán)形注漿管+漿液”三位一體的新型柔性加固技術(shù)。

1 相似模擬試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原理

急傾斜煤層開采條件下，大的傾角會使煤體自身重力和頂板壓力沿傾向分解形成下滑力，從根本上弱化煤壁的穩(wěn)定性，煤壁則會在下滑力的作用下發(fā)生破壞。前期結(jié)合底摩擦實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，分析了偽俯斜工作面采場圍巖的破壞模式，提出防治措施[5]。

底摩擦實(shí)驗(yàn)是利用摩擦力在摩擦方向上的分布與重力場相似的性質(zhì)，通過模型和底面之間的摩擦力來模擬模型的重力。將制作好的模型平行鋪在實(shí)驗(yàn)臺上，隨著輸送帶的連續(xù)轉(zhuǎn)動，兩者之間將會構(gòu)成相對運(yùn)動，底面就會受到摩擦力作用，由于模型厚度較小，可假設(shè)受到的摩擦力近似作用在模型的水平中心層上，以模擬整個變形過程模型受到的水平力F，本次試驗(yàn)中代表下滑力。

式中：F 為模型受到的水平力，N；ρ 為材料密度，t/m3；g 為重力加速度，m/s2；d 為材料厚度，m；μ為模型與輸送帶之間的動摩擦系數(shù)。

本次試驗(yàn)通過控制滾筒的轉(zhuǎn)速來模擬不同煤層傾角產(chǎn)生的下滑力，研究煤體在下滑力作用下的破壞程度、破壞區(qū)域以及破壞形式。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在下滑力的作用下，工作面中上部位置煤壁率先沿著工作面傾向方向產(chǎn)生微小裂隙，隨著膠帶的連續(xù)轉(zhuǎn)動，裂隙在煤壁發(fā)育貫通，裂隙附近煤體承載能力迅速減弱，隨后出現(xiàn)大面積的滑塌現(xiàn)象，并且破壞的煤體在自重作用下迅速向采空區(qū)滾動，對采區(qū)下部區(qū)域造成動載沖擊作用，并在采空區(qū)下部位置進(jìn)行不同程度的堆積，而工作面下部區(qū)域由于煤體有限的下滑空間，其穩(wěn)定性沒有迅速減弱，破壞相對上部區(qū)域比較滯后，破壞范圍也相對較小，最終發(fā)生煤壁片幫，產(chǎn)生大的片幫體。試驗(yàn)結(jié)果如圖1。

圖1 試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Experimental results

綜上，偽仰斜工作面開采時，采區(qū)空間呈現(xiàn)出上部區(qū)域＜中部區(qū)域＜下部區(qū)域的非對稱特點(diǎn)，大的傾角使得煤壁承受的下滑分力大于垂直分力，而煤體受力面積往下依次減小，下部煤體對上部煤體的承載能力依次減弱，使工作面中上部煤壁率先發(fā)生破壞，破壞的煤體沿著不同軌跡向工作面下部區(qū)域滾落，容易對工作面下部區(qū)域及采空區(qū)造成動載沖擊。

1.3 理論分析

通過底摩擦試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)破壞的煤體呈條柱狀滑落，假設(shè)煤體破壞面是1 個圓弧滑面，參照費(fèi)勒紐斯法[21-22]，將煤體條帶化，分解成若干個小條帶，定義小條帶的穩(wěn)定性系數(shù)為抗滑力與下滑力的比值，取第n 個小條帶進(jìn)行受力分析。條帶受力示意圖如圖2。

圖2 條帶受力示意圖Fig.2 Schematic diagram of the force on the strip

由圖2 可知，小條帶的極限抗滑力矩為：

式中：MR為抗滑力矩，N·m；R 為抗滑力，N；r 為圓弧滑面半徑，m；β 為條帶滑面傾角，（°）；L 為滑面的長度，m；c 為煤體黏聚力，MPa；φ 為煤體內(nèi)摩擦角，（°）；W 為條帶重力和頂板分力的復(fù)合力，N；S 為支撐力，N。

小條帶的滑動力矩為：

式中：MT為滑動力矩，N·m；a 為滑移破壞深度，m。

根據(jù)式（2）和式（3），求得小條帶穩(wěn)定性系數(shù)：

式中：Fs為條帶穩(wěn)定性系數(shù)。

通過對小條帶進(jìn)行累加求和，求得煤體的穩(wěn)定性系數(shù)為：

式中：βi為第i 個條帶滑面傾角，（°）；Wi為第i個條帶重力和頂板分力的復(fù)合力，N；Si為第i 個條帶支撐力，N；Li為第i 個條帶滑面的長度，m。

通過對穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行求解，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定性系數(shù)與煤體自身的重力、頂板壓力、底板支撐力、破壞面的長度以及黏聚力相關(guān)，生產(chǎn)實(shí)踐中可以通過控制采高、提升支架初撐力、調(diào)節(jié)底板比壓以及通過往煤壁破碎帶或裂隙注入膠結(jié)材料等控制煤壁穩(wěn)定性。

2 數(shù)值模擬

2.1 計算模型

以新疆艾維爾溝煤礦25221 工作面為工程背景，工作面長約110 m，煤層平均厚度約5 m，傾角約45°，平均密度1.4 t/m3，煤的硬度系數(shù)0.9。

設(shè)計模型尺寸長150 m（x 方向）、寬300 m（y 方向）、高260 m（z 方向），模型開挖前經(jīng)過初始平衡計算，確保模型處于原巖應(yīng)力狀態(tài)。數(shù)值計算模型如圖3。

沿煤層頂?shù)装甯鞑贾? 條測線，每條測線監(jiān)測3 個測點(diǎn)。測線1 各個測點(diǎn)的坐標(biāo)為：測點(diǎn)11（40，60，162）、 測 點(diǎn)12 （40，80，162）、 測 點(diǎn)13（40，120，162）；測線2 各個測點(diǎn)的坐標(biāo)為：測點(diǎn)21（100，60，92）、 測 點(diǎn)22 （100，80，92）、 測 點(diǎn)23（100，140，92）；測線3 各個測點(diǎn)的坐標(biāo)為：測點(diǎn)31（40，60，142）、 測 點(diǎn)32 （40，80，142）、 測 點(diǎn)33（40，140，142）；測線4 各個測點(diǎn)的坐標(biāo)為測點(diǎn)41（100，100，82）、測 點(diǎn)42 （100，120，82）、測 點(diǎn)43（100，140，82）。頂?shù)装逦灰票O(jiān)測結(jié)果如圖4 和圖5。

圖3 數(shù)值計算模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of the initial model

圖4 頂板位移監(jiān)測結(jié)果Fig.4 Roof displacement monitoring results

圖5 底板位移監(jiān)測結(jié)果Fig.5 Floor displacement monitoring results

2.2 模擬結(jié)果分析

由圖4 可知，偽仰斜工作面在開采過程中，頂板下沉量的最大區(qū)域位于工作面的中上部位置。當(dāng)工作面推進(jìn)200 m 時，各個測點(diǎn)變形量均達(dá)到最大值，沿x 方向測線1 上3 個測點(diǎn)變形量為57.6、64、10.1 mm，測線2 上3 個測點(diǎn)變形量達(dá)到10.4、22、23.5 mm，相對小于測線1 的變形量；沿y 方向測點(diǎn)11、測點(diǎn)12、測點(diǎn)13 變形量分別達(dá)到0.1、1.93、33.4 mm，而測點(diǎn)21、測點(diǎn)22、測點(diǎn)23 則分別達(dá)到了28、19.4、9.7 mm，沿z 方向測線1 上3 個測點(diǎn)變形量達(dá)到740、760、387 mm，測線2 上3 個測點(diǎn)變形量達(dá)到790、843、851 mm。

由圖5 可知，偽仰斜工作面底板2 條測線變化趨勢基本一致，工作面開采50 m 時，底板發(fā)生一定的變形量，此時沿著不同方向底板的變形量相對較小，從50 m 開始，底板逐漸產(chǎn)生底鼓現(xiàn)象，發(fā)生破壞。當(dāng)工作面推進(jìn)200 m 時，變形量基本達(dá)到最大值，此時沿x 方向測線3 上3 個測點(diǎn)的變形量達(dá)到95.3、118、124 mm，測線4 上3 個測點(diǎn)變形量達(dá)到24.6、27.5、30.9 mm，遠(yuǎn)小于前者，沿y 方向相差不大，沿z 方向測線3 上3 個測點(diǎn)變形量達(dá)到163、130、112 mm，而測線4 中3 個測點(diǎn)變形量達(dá)到52、41.5、40.3 mm，僅達(dá)到測線3 的1/4 左右。

綜上所述，工作面開采過程中底板上部區(qū)域容易發(fā)生底鼓現(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生滑移破壞，是采場圍巖控制的重點(diǎn)區(qū)域。

工作面在開采過程中，頂?shù)装鍛?yīng)力分布沿不同方向具有不同的分布特征，沿傾向呈長條形橢圓分布，主要集中在工作面中上部位置，基本上以拉應(yīng)力為主，沿走向以半圓拱形狀由低位巖層向高位巖層延伸，整體以壓應(yīng)力為主，但是局部區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力集中現(xiàn)象。應(yīng)力的非對稱分布造成圍巖受力不均，致使工作面中上部區(qū)域頂?shù)装迤茐膰?yán)重。頂?shù)装迤茐那闆r如圖6。

圖6 頂?shù)装迤茐那闆rFig.6 The destruction of the top and bottom plates

綜上所述，在開采過程中工作面中上部位置由于應(yīng)力集中，頂板會發(fā)生破斷下沉，底板鼓起滑移，并對其中間的煤體產(chǎn)生一定的擠壓作用，弱化煤體的穩(wěn)定性，促使煤體發(fā)生破壞，與前文的底摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本照應(yīng)。

3 預(yù)防措施

急傾斜煤層開采過程中，當(dāng)煤層傾角增加到一定程度時，工作面底板對采場圍巖穩(wěn)定性往往起到主導(dǎo)作用，一般通過研發(fā)工作面專用配套設(shè)備來控制圍巖穩(wěn)定，同時配合課題組自主研發(fā)的“棕繩+環(huán)形注漿管+漿液”新型柔性加固技術(shù)對工作面頂板和煤壁進(jìn)行加固，以便達(dá)到最佳效果，對于工作面底板滑移事故，可以在開切眼布置底板鉆孔配合高強(qiáng)錨桿和菱形金屬網(wǎng)來進(jìn)行加固[5]。

柔性加固示意圖如圖7，鉆機(jī)垂直煤壁打孔，將棕繩和環(huán)形注漿管捆綁后送入鉆孔，注漿管管壁設(shè)置一定數(shù)量的注漿孔，采用馬麗散等漿液材料進(jìn)行加固，注漿壓力約為1～2 MPa；最后用封孔器將孔口堵嚴(yán)。該技術(shù)在趙固二礦、山西瑞隆礦以及大遠(yuǎn)煤業(yè)均取得了良好的工業(yè)性成果。

圖7 柔性加固示意圖Fig.7 Flexible reinforcement

4 結(jié) 論

1）采用底摩擦實(shí)驗(yàn)?zāi)M煤體在下滑力作用下的破壞情況，結(jié)果表明工作面中上部位置容易發(fā)生煤壁片幫、飛濺等現(xiàn)象，破壞的煤體沿著不同軌跡向工作面下方及采空區(qū)滾落，會對工作面下方造成一定的沖擊破壞作用，是采場圍巖控制的重點(diǎn)區(qū)域，可以配合“棕繩+環(huán)形注漿管+漿液”柔性加固技術(shù)來提高煤壁的穩(wěn)定性。

2）定義了煤體的穩(wěn)定性系數(shù)，參照費(fèi)勒紐斯法對穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行求解，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定性系數(shù)與煤體自身的重力、頂板壓力、底板支撐力、破壞面的長度以及黏聚力息息相關(guān)，現(xiàn)場生產(chǎn)中可以通過對工作面采高、支架初撐力、底板比壓等因素進(jìn)行調(diào)節(jié)來控制煤體的穩(wěn)定性，為防治煤體破壞提供理論指導(dǎo)。

3）開采過程中工作面頂?shù)装鍛?yīng)力分布具有明顯的不對稱性，沿工作面傾向，垂直應(yīng)力以長條形半圓拱狀向外擴(kuò)散，沿工作面走向則呈駝峰狀，并以圓盤形向高位巖層擴(kuò)散，整體上工作面頂?shù)装逯猩戏綉?yīng)力相對比較集中，易發(fā)生破壞。

4）急傾斜煤層底板的穩(wěn)定性在很大程度上決定了采場圍巖的穩(wěn)定性，工作面中上部位置頂?shù)装宓淖冃瘟肯鄬^大，容易發(fā)生頂板破斷下沉和底板鼓起滑移等災(zāi)害，同時頂板還會對其下部煤體產(chǎn)生一個傾向分力，弱化下部煤體的穩(wěn)定性，易誘發(fā)動載礦壓現(xiàn)象。