肖劍儒，滿 洋，陳建華

(1.國能神東煤炭集團有限責(zé)任公司 生產(chǎn)管理部，陜西 神木 719300；2.國能神東煤炭集團有限責(zé)任公司 機電管理部，陜西 神木 719300；3.國能神東煤炭集團有限責(zé)任公司 大柳塔煤礦，陜西 神木 719300)

隨著東部煤炭資源開采殆盡，西部礦區(qū)成為我國煤炭資源的主要產(chǎn)地[1，2]。煤層埋深淺、地質(zhì)條件簡單、開采技術(shù)及設(shè)備先進是西部礦區(qū)最顯著的地質(zhì)和技術(shù)特點[3]。基于優(yōu)越的地質(zhì)和技術(shù)條件，西部礦區(qū)工作面開采水平不斷提高，工作面長度也不斷增加[4]。例如，神東集團哈拉溝煤礦12上101-2工作面，該工作面開采長度已經(jīng)達到450m。隨著工作面長度增加，能有效減少工作面搬家倒面的次數(shù)，節(jié)約生產(chǎn)成本和生產(chǎn)時間，同時還能減少煤柱損失，提高采區(qū)整體回采率，但工作面長度增加也會帶來瓦斯涌出量增加、設(shè)備故障率增高、遺煤自燃可能性增大等生產(chǎn)技術(shù)問題。

為探求合理工作面長度，眾多專家學(xué)者展開了諸多研究。張春等[5]建立了工作面長度與采空區(qū)遺煤自燃的關(guān)系模型，以防止遺煤自燃為原則確定出了合理工作面長度。劉偉韜[6]對超長工作面的“三機”生產(chǎn)能力進行了校核，指出刮板輸送機的運輸能力是限制工作面長度增加的主要裝備因素。宋立兵等[7]計算了不同長度工作面的生產(chǎn)成本、產(chǎn)量及利潤，結(jié)果表明工作面長度增加能顯著增加礦井經(jīng)濟效益。這些成果極大推進了合理工作面長度確定的研究進展，但其中缺乏以覆巖穩(wěn)定性控制為基礎(chǔ)確定工作面合理長度的研究。煤層被采出后，工作面內(nèi)形成可供上覆巖層垮落運動的自由空間，頂板覆巖破斷失穩(wěn)，引發(fā)工作面礦壓顯現(xiàn)。西部礦區(qū)大多以淺埋煤層為主，相關(guān)研究表明淺埋煤層工作面礦壓顯現(xiàn)更強烈，若工作面長度不合理將給生產(chǎn)管理帶來更大挑戰(zhàn)[8]。因此，研究淺埋煤層工作面長度與覆巖穩(wěn)定的作用關(guān)系，并以此為基礎(chǔ)確定合理工作面長度成為亟待解決的重要課題。本文以石圪臺煤礦22306淺埋煤層工作面為工程背景，采用理論分析與數(shù)值模擬研究覆巖穩(wěn)定與工作面長度之間的關(guān)系，確定合理的工作面長度，并通過現(xiàn)場工業(yè)性試驗對研究結(jié)果進行驗證。研究成果對保證淺埋煤層工作面安全高效開采、提高經(jīng)濟技術(shù)效益及保護西部地區(qū)的脆弱生態(tài)環(huán)境具有重要理論和實踐意義。

1 工程概況

石圪臺煤礦是神東煤炭集團的主力生產(chǎn)礦井之一，為保證礦井高產(chǎn)高效，在先進技術(shù)裝備水平和優(yōu)越地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，礦井對生產(chǎn)工作面長度提出了更精準的設(shè)計要求。22306工作面位于石圪臺井田22煤三盤區(qū)，工作面埋深95.2m，煤層厚度1.1～2.9m，平均厚度2.1m，傾角為1°～3°，工作面范圍內(nèi)地質(zhì)條件簡單，無明顯構(gòu)造發(fā)育，整體呈負坡回采，局部有波狀起伏。工作面綜合柱狀圖如圖1所示，頂?shù)装鍡l件良好。22306工作面是典型的淺埋煤層工作面，在借鑒礦井已有生產(chǎn)工作面長度的基礎(chǔ)上，以覆巖穩(wěn)定為主要切入點對該工作面長度進行合理優(yōu)化。

圖1 22306工作面綜合柱狀圖

2 覆巖穩(wěn)定理論研究

煤層被采出后，上覆巖層具備了可自由運動的垮落空間，從而形成包含應(yīng)力傳遞和變形傳遞的復(fù)雜失穩(wěn)破壞。為保證頂板覆巖穩(wěn)定，實際生產(chǎn)中利用液壓支架對頂板進行高強度支護，然而上覆巖層的壓力除作用在液壓支架上外，其自身也能形成不同的自穩(wěn)結(jié)構(gòu)以保持其穩(wěn)定[9]。對于采場覆巖形成的承載結(jié)構(gòu)，最有代表性的理論分為兩類：一類是基于板或者梁力學(xué)結(jié)構(gòu)提出的懸臂梁假說、砌體梁假說和關(guān)鍵層理論等，其認為采高和關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)是影響采場覆巖運動特征的主要因素[10]；另一類是以拱為承載結(jié)構(gòu)的理論[11]。以拱為承載結(jié)構(gòu)的理論認為覆巖的失穩(wěn)破壞呈動態(tài)發(fā)展形式，上覆巖層由靠近采空區(qū)側(cè)從下向上失穩(wěn)破斷進而冒落，當煤層頂板結(jié)構(gòu)及開采條件等外部環(huán)境合適時，堅硬頂板破斷形成鉸接結(jié)構(gòu)，但鉸接的點不在同一直線上，進而形成具有自穩(wěn)結(jié)構(gòu)的壓力拱保持覆巖穩(wěn)定。隨著時間發(fā)展，覆巖內(nèi)應(yīng)力轉(zhuǎn)移變化造成壓力拱失穩(wěn)，覆巖變形破壞繼續(xù)向上發(fā)展，直至形成穩(wěn)定不再破壞的壓力拱[12，13]。

壓力拱結(jié)構(gòu)模型認為覆巖的破壞范圍與采場尺寸有關(guān)，工作面長度是工作面空間尺寸的有效衡量標準，因此一定范圍內(nèi)工作面長度變化對壓力拱高度具有明顯影響[14]。為研究工作面長度與壓力拱高度的作用關(guān)系，建立幾何模型，如圖2所示，壓力拱整體以拋物線形態(tài)出現(xiàn)，拱腳作用于工作面兩端煤壁內(nèi)，跨度涵蓋整個工作面長度，且沿中線對稱分布。前人基于工作面長度對壓力拱高度進行了求解，求解公式如下[15]：

圖2 壓力拱幾何模型

式中，h為壓力拱高度，m；l為工作面長度，m；f為覆巖平均堅固系數(shù)。

式(1)給出了壓力拱高度與工作面長度的作用關(guān)系，為研究與生產(chǎn)提供了重要支持，但式(1)計算中忽略了壓力拱拱腳作用于煤壁內(nèi)的距離。為便于更精準求解壓力拱高度，對式(1)進行修正。結(jié)合前人研究成果，可得壓力拱高度為：

根據(jù)幾何關(guān)系，可得：

式中，b為壓力拱跨度，m；a為壓力拱拱腳作用于煤壁內(nèi)的距離，m；m為煤層厚度，m；θ為工作面煤壁裂隙滑移面與煤壁側(cè)間的夾角，(°)；φ為覆巖內(nèi)摩擦角，(°)。

聯(lián)立式(2)、式(3)，得壓力拱跨度和壓力拱高度為：

石圪臺煤礦22306工作面采高為2.1m、覆巖平均堅固系數(shù)為3.25、內(nèi)摩擦角為30°，根據(jù)式(4)計算可得不同工作面長度時覆巖壓力拱高度，計算結(jié)果如圖3所示。在計算范圍內(nèi)，隨著壓力拱跨度即工作面長度增加，覆巖壓力拱高度隨之線性增加，增長斜率約為15.4%。當工作面長度為280m時，壓力拱高度約為43.5m；當工作面長度為310m時，壓力拱高度約為48.1m。根據(jù)普氏壓力拱理論及相關(guān)研究[16]，可知當H≤2h，也即工作面埋深小于兩倍壓力拱高度時，覆巖內(nèi)不能形成穩(wěn)定壓力拱。結(jié)合22306工作面壓力拱高度計算結(jié)果可知當工作面長度超過307m后，工作面埋深(95.2m)將小于兩倍壓力拱高度。因此，工作面長度超過307m后，工作面回采后覆巖不能形成完整壓力拱，覆巖結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)，變形破壞發(fā)育到地表將導(dǎo)致地表沉陷。最終，基于壓力拱理論確定22306工作面長度應(yīng)小于307m。

圖3 壓力拱理論計算高度

3 數(shù)值模擬研究

在工程實踐應(yīng)用中，工作面在開挖過程中所受外界干擾復(fù)雜多變，借助FLAC3D數(shù)值軟件，可以模擬開挖不同工作面長度的覆巖變形破壞特征，最終反演確定合理的工作面長度。

3.1 模型建立

根據(jù)22306工作面煤巖賦存情況建立數(shù)值模型，模型建至地表，研究以工作面長度為主要對象，兼顧計算成本和時間，模型推進長度控制一致且保持相對較小尺寸，最終確定模型尺寸為410m×300m×105.7m(長×寬×高)，頂部為自由邊界，底部邊界固定。模型一共劃分為19層，累計巖性為8種，各巖層采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，具體力學(xué)參數(shù)見表1。結(jié)合前文理論計算結(jié)果，分別模擬工作面長度為280m、290m、300m及310m回采后覆巖的破壞情況，工作面一次開挖，兩端煤柱留設(shè)尺寸為50～65m，煤柱尺寸均較大，能有效避免尺寸效應(yīng)。

表1 煤巖層物理參數(shù)

3.2 結(jié)果分析

不同長度工作面回采后塑性區(qū)分布演化情況如圖4所示，工作面回采后，頂板巖層卸壓而出現(xiàn)剪切和拉伸破壞，且以拉伸破壞為主。工作面長度不同，上覆巖層破壞范圍表現(xiàn)出明顯差異，總體表現(xiàn)為工作面長度越大，上覆巖層破壞高度越高。280m、290m、300m、310m長度工作面對應(yīng)塑性區(qū)破壞高度分別為11.07m、12.54m、14.32m和14.88m。工作面長度小于300m時塑性區(qū)破壞高度發(fā)育迅速，290m工作面塑性區(qū)高度較280m增高13.28%，300m工作面塑性區(qū)高度較290m增高14.19%；而工作面長度大于300m時塑性區(qū)破壞高度發(fā)育平緩，310m工作面塑性區(qū)高度較300m僅增高3.91%，說明工作面長度增加到一定范圍后其對覆巖的破壞影響趨于穩(wěn)定。此外，22306工作面頂板距主關(guān)鍵層(關(guān)鍵層2)13.4m，工作面長度達到300m后覆巖塑性破壞達到主關(guān)鍵層，隨時間發(fā)育主關(guān)鍵層及其上覆隨動層破斷，覆巖結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)，變形破壞發(fā)育至地表而造成地表沉降。為保證覆巖的整體穩(wěn)定，工作面長度應(yīng)布置在300m以下。

圖4 不同長度工作面回采塑性區(qū)分布

4 現(xiàn)場應(yīng)用及驗證

理論計算結(jié)果得到22306工作面長度不應(yīng)超過307m，數(shù)值模擬計算結(jié)果得到工作面長度應(yīng)布置300m以下，在保證安全的最大原則下，結(jié)合礦井已采工作面生產(chǎn)狀況和現(xiàn)有生產(chǎn)裝配配套情況，最終確定22306工作面長度為290m。為驗證研究結(jié)果的可靠性，將設(shè)計工作面長度應(yīng)用于實際生產(chǎn)，生產(chǎn)過程中通過監(jiān)測液壓支架工作阻力及巷道圍巖變形，對確定的工作面長度的合理性進行驗證。

4.1 液壓支架工作阻力監(jiān)測

22306工作面共布置168臺液壓支架，工作面回采過程中，支架立柱安全閥基本不開啟，立柱無下沉現(xiàn)象，為了進一步準確預(yù)報工作面回采過程中的礦壓規(guī)律，利用頂板在線監(jiān)測系統(tǒng)對支架的工作阻力進行實時監(jiān)測。工作面共設(shè)置上、中、下三個測區(qū)(上部測區(qū)靠近輔運巷、下部測區(qū)靠近主運巷)，1至56號支架為上部測區(qū)，57至112號支架為中部測區(qū)，113至168號為下部測區(qū)，如圖5所示。

圖5 測區(qū)布置

22606工作面設(shè)計走向推進長度為5097m，選取工作面走向中段150m范圍內(nèi)(2600～2750m)上部測區(qū)、中部測區(qū)和下部測區(qū)典型液壓支架的工作阻力繪制成曲線，如圖6所示。由于在工作面長度方向存在壓力拱，壓力拱內(nèi)的圍巖在自重作用下垮落，形成對支架的壓力，壓力拱中部頂板下沉最明顯，管理難度最大，支架工作阻力最高，因此沿工作面長度方向，中部測區(qū)液壓支架的工作阻力大于上部和下部測區(qū)。工作面來壓判據(jù)值為45MPa，三個測區(qū)支架壓力值均主要分布在40MPa以下，僅中部測區(qū)支架在監(jiān)測范圍內(nèi)140m時阻力值超過45MPa，說明工作面回采過程中無明顯動載來壓，工作面長度290m能保證安全回采。

圖6 支架阻力演化曲線

4.2 巷道圍巖變形監(jiān)測

工作面巷道是工作面生產(chǎn)中運煤、運料、行人等的主要通道，若工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈會對巷道圍巖變形產(chǎn)生極大影響，因此本次現(xiàn)場監(jiān)測還包括巷道圍巖變形的監(jiān)測。巷道圍巖變形監(jiān)測主要為頂板離層監(jiān)測，監(jiān)測范圍仍是工作面走向2600～2750m范圍，分別在22306工作面主運巷和輔運巷走向2750m頂板中心位置布置頂板離層儀，工作面每推進10刀觀測一次，監(jiān)測結(jié)果如圖7所示。隨工作面推進至測站，工作面主運巷和輔運巷頂板離層量均不斷增大，受超前支承壓力影響，采煤機回采至120～130刀范圍內(nèi)回采巷道頂板離層量出現(xiàn)微突增，其后離層變形逐漸穩(wěn)定，但總體頂板離層量均未超過30mm，在巷道圍巖變形可控范圍內(nèi)，巷道完整性良好，說明290m工作面長度不會對巷道圍巖穩(wěn)定造成明顯影響。

圖7 頂板離層位移

5 結(jié) 論

1)在考慮壓力拱拱腳作用于煤壁內(nèi)距離的基礎(chǔ)上，對壓力拱高度計算公式進行了修正，理論計算得到工作面長度越大，壓力拱高度越大；22306工作面長度超過307m后，工作面回采后覆巖不能形成完整壓力拱，基于壓力拱理論確定22306工作面長度應(yīng)小于307m。

2)工作面覆巖塑性破壞高度與工作面長度正相關(guān)，但工作面長度增加到一定范圍后覆巖塑性破壞范圍趨于穩(wěn)定；22306工作面長度達到300m后覆巖塑性破壞達到主關(guān)鍵層，覆巖結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)，為保證覆巖的整體穩(wěn)定，工作面長度應(yīng)布置在300m以下。

3)綜合理論分析和數(shù)值計算結(jié)果，結(jié)合礦井已采工作面生產(chǎn)狀況和現(xiàn)有生產(chǎn)裝配配套情況，最終確定22306工作面長度為290m，通過監(jiān)測液壓支架工作阻力及巷道圍巖變形，驗證了當工作面290m時能充分保證覆巖穩(wěn)定以及礦井安全生產(chǎn)。