石花軍

(國(guó)家能源投資集團(tuán)國(guó)源公司 上榆泉煤礦，山西 河曲 036500)

我國(guó)近距離煤層分布范圍廣泛，多個(gè)礦區(qū)都有開(kāi)采實(shí)踐，隨著開(kāi)采規(guī)劃進(jìn)展的不斷推進(jìn)，許多礦井上煤層回采工作已經(jīng)結(jié)束，工作面移至下煤層開(kāi)采[1，2]。在下煤層開(kāi)采過(guò)程中，煤柱受到超前支承力與應(yīng)力集中影響，在進(jìn)出煤柱期間常會(huì)出現(xiàn)冒頂、片幫及壓架事故，對(duì)安全開(kāi)采造成困難[3，4]。

關(guān)于沖溝地貌下煤層進(jìn)出煤柱期間頂板活動(dòng)情況及應(yīng)力分布規(guī)律，已有學(xué)者進(jìn)行了研究。鞠金峰[5，6]針對(duì)工作面過(guò)煤柱時(shí)的動(dòng)載礦壓?jiǎn)栴}，以煤柱上方關(guān)鍵塊體的穩(wěn)定性為切入點(diǎn)，研究得出煤柱上方兩關(guān)鍵塊體形成的不穩(wěn)定三鉸式結(jié)構(gòu)的相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是動(dòng)載礦壓發(fā)生的根本原因。朱衛(wèi)兵、許家林、王旭鋒等[7，8]通過(guò)物理模擬與數(shù)值模擬研究了下煤層采動(dòng)影響下上覆煤柱的超前失穩(wěn)回轉(zhuǎn)破斷過(guò)程，并從關(guān)鍵塊體相對(duì)運(yùn)動(dòng)角度揭示了工作面壓架機(jī)理。楊俊哲、李浩蕩、許猛堂等[9-11]以石圪臺(tái)礦為背景，通過(guò)分析關(guān)鍵層中關(guān)鍵巖塊的回轉(zhuǎn)破斷過(guò)程，得出了下煤層工作面過(guò)煤柱期間頂板破斷規(guī)律，并針對(duì)壓架問(wèn)題提出爆破集中煤柱、縮短工作面長(zhǎng)度等防治方法。王旭鋒、封金權(quán)等[12-15]采用物理相似模擬探究了沖溝地貌影響下分層開(kāi)采的可行性與覆巖破斷規(guī)律。上述成果多集中在過(guò)煤柱期間頂板致災(zāi)機(jī)理與動(dòng)壓?jiǎn)栴}，在分析時(shí)未結(jié)合地貌影響，對(duì)沖溝條件下進(jìn)出煤柱期間頂板的應(yīng)力演化規(guī)律及穩(wěn)定性的研究較少[16]。

采用數(shù)值模擬及理論分析方法，結(jié)合地表沖溝地貌影響，分析工作面頂板垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力變化規(guī)律，對(duì)頂板穩(wěn)定性進(jìn)行定量計(jì)算判定，并針對(duì)頂板巖塊失穩(wěn)形式提出進(jìn)出煤柱期間頂板災(zāi)害防治。

1 地質(zhì)概況及生產(chǎn)條件

1.1 地質(zhì)概況

上榆泉煤礦I031002綜放工作面以石炭紀(jì)10#煤層為主采煤層，開(kāi)采深度152m，煤層傾角1°～4°，煤層平均厚度11.45m。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含有6層夾矸，夾矸平均厚度0.57m，煤層瓦斯涌出量較低，不會(huì)對(duì)開(kāi)采工作造成影響。10#煤層煤體抗壓強(qiáng)度為12.35MPa，抗拉強(qiáng)度為0.69MPa；粉砂巖抗壓強(qiáng)度57.44MPa，抗拉強(qiáng)度2.75MPa；泥巖抗壓強(qiáng)度30.66MPa，抗拉強(qiáng)度1.79MPa。煤層柱狀如圖1所示。

圖1 煤層柱狀

1.2 工作面生產(chǎn)條件

I031002綜放工作面位于三采區(qū)，I031002工作面上方為I010906采空區(qū)和I010904采空區(qū)，中部留設(shè)寬為20m的區(qū)段保護(hù)煤柱，其距I031002運(yùn)輸巷道138m、材料巷道76m，工作面推進(jìn)初期將在邊界保護(hù)煤柱下回采，切眼距I010904工作面切眼100m，距I010902工作面切眼-55m，推進(jìn)末期將在大巷保護(hù)煤柱下回采，終采線(xiàn)距I010904工作面終采線(xiàn)62m，距I010902工作面終采線(xiàn)127m。綜放工作面布置情況如圖2所示。

圖2 I031002綜放工作面布置情況

2 9#煤層遺留煤柱下應(yīng)力分布特征

基于上榆泉煤礦三采區(qū)9#和10#煤層地質(zhì)條件與區(qū)域地貌，利用CAD軟件從地形圖中提取目標(biāo)區(qū)域地表等高線(xiàn)進(jìn)行三維繪圖并輸出為ANSYS命令流文件，在A(yíng)NSYS中執(zhí)行SFANS命令并借助Surfer空間插值功能，建立FLAC3D模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終導(dǎo)入至FLAC3D中進(jìn)行模擬計(jì)算。為細(xì)化研究沖溝參數(shù)對(duì)頂板應(yīng)力演化影響，根據(jù)上榆泉煤礦三采區(qū)地表沖溝統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，建立沖溝切割系數(shù)k=0.5，沖溝坡角α=30°沖溝條件FLAC計(jì)算模型。模型走向長(zhǎng)度、傾向?qū)挾燃案叨染O(shè)置為600m、450m、230m，并在模型頂界面施加荷載以對(duì)上覆巖層的壓力進(jìn)行模擬，采用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則進(jìn)行模擬計(jì)算。

9#煤區(qū)段保護(hù)煤柱雙側(cè)采空條件下底板20m范圍內(nèi)應(yīng)力分布情況如圖3所示，由圖3可知，受采動(dòng)影響煤層底板在區(qū)段保護(hù)煤柱附近出現(xiàn)應(yīng)力集中，水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力在其兩側(cè)均出現(xiàn)峰值，并隨著距底板距離的增加逐漸減小，垂直應(yīng)力最大值為距底板2m處的9.81MPa，水平應(yīng)力最大值為距底板2m處的3.21MPa。由于10#煤與9#煤間隔距離9m，當(dāng)下煤層開(kāi)采時(shí)，區(qū)段煤柱附近煤體與頂板均受到上層開(kāi)采擾動(dòng)影響。

圖3 9#煤煤柱雙側(cè)采空底板應(yīng)力分布

3 下煤層進(jìn)出煤柱期間頂板應(yīng)力動(dòng)態(tài)演化

3.1 工作面進(jìn)煤柱期間頂板應(yīng)力動(dòng)態(tài)演化

工作面進(jìn)煤柱前后頂板應(yīng)力變化如圖4所示，由圖可知，工作面進(jìn)大巷保護(hù)煤柱前，頂板水平應(yīng)力受上煤層開(kāi)采集中應(yīng)力和下煤層采動(dòng)應(yīng)力影響，峰值維持在區(qū)段保護(hù)煤柱兩側(cè)，分別為5.48MPa和6.68MPa，I010904采空區(qū)范圍內(nèi)垂直應(yīng)力穩(wěn)定在原巖應(yīng)力附近。區(qū)段保護(hù)煤柱下方頂板垂直應(yīng)力恒為最大值，其左側(cè)30m范圍恒為應(yīng)力增高區(qū)。工作面推過(guò)煤柱后，I010906工作面采空區(qū)下方頂板垂直應(yīng)力則逐漸降低，最終接近零。工作面位于煤柱下時(shí)，I010904采空區(qū)下頂板水平應(yīng)力逐步降低，區(qū)段煤柱右側(cè)應(yīng)力峰值逐漸消失，同時(shí)隨著工作面接近I010906終采線(xiàn)，采空區(qū)下頂板水平應(yīng)力大幅下降。推過(guò)大巷保護(hù)煤柱后，區(qū)段煤柱下方頂板垂直應(yīng)力減小5%～7%，I010904采空區(qū)下頂板垂直應(yīng)力受采動(dòng)影響迅速降低，I010906工作面采空區(qū)下頂板垂直應(yīng)力由于超前應(yīng)力影響增大8%～12%。

圖4 10#煤層綜放工作面進(jìn)煤柱前后應(yīng)力曲線(xiàn)

3.2 工作面出煤柱期間頂板應(yīng)力動(dòng)態(tài)演化

工作面出煤柱期間頂板應(yīng)力演化如圖5所示，由圖5可知，工作面出邊界保護(hù)煤柱前，采動(dòng)影響與區(qū)段保護(hù)煤柱應(yīng)力集中的疊加效應(yīng)，使工作面頂板水平與垂直應(yīng)力均隨工作面推進(jìn)而增高，其中垂直應(yīng)力增量逐漸減小，水平應(yīng)力增量不斷加大，在推出煤柱20m范圍內(nèi)，水平應(yīng)力增幅尤為明顯，最多達(dá)45%。工作面位于煤柱下時(shí)，頂板水平應(yīng)力達(dá)到最大值，垂直應(yīng)力出現(xiàn)減弱。工作面推出煤柱后，兩側(cè)采空區(qū)下頂板水平應(yīng)力迅速降低，區(qū)段保護(hù)煤柱兩側(cè)由于應(yīng)力集中，水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力則出現(xiàn)增高區(qū)，峰值分別為5.43MPa和13.46MPa，采空區(qū)下頂板垂直應(yīng)力則迅速降低至1MPa。

圖5 10#煤層綜放工作面出煤柱前后應(yīng)力曲線(xiàn)

圖6 沖溝地貌下綜放工作面進(jìn)出煤柱前后應(yīng)力曲線(xiàn)

3.3 工作面進(jìn)出煤柱期間頂板應(yīng)力動(dòng)態(tài)演化影響

極端沖溝條件下工作面進(jìn)出煤柱期間頂板垂直應(yīng)力演化過(guò)程如圖6所示，由圖6可知，其變化趨勢(shì)與上述分析結(jié)果基本保持一致。隨著沖溝坡角α與沖溝切割系數(shù)k增大，工作面出煤柱時(shí)，頂板垂直應(yīng)力峰值為普通沖溝地貌的1.2～1.4倍，區(qū)段保護(hù)煤柱應(yīng)力峰值為13.5MPa，較普通沖溝影響增加8%；工作面進(jìn)煤柱時(shí)，兩側(cè)采空區(qū)下頂板垂直應(yīng)力約為11.6MPa，是普通沖溝影響下的1.48倍，該影響持續(xù)至工作面推進(jìn)煤柱后，較普通沖溝條件增大30%～45%。

由上述分析可知，出煤柱期間由于工作面先后經(jīng)過(guò)未開(kāi)采原巖應(yīng)力區(qū)、采區(qū)邊界應(yīng)力增高區(qū)和采空區(qū)應(yīng)力降低區(qū)，故垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，但兩者應(yīng)力峰值出現(xiàn)位置不同，垂直應(yīng)力一般出現(xiàn)于出煤柱之前，水平應(yīng)力則出現(xiàn)于出煤柱之后。進(jìn)煤柱期間工作面經(jīng)過(guò)順序相反，垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力總體呈現(xiàn)持續(xù)減小趨勢(shì)，且在進(jìn)煤柱后減小量迅速增大。同時(shí)，沖溝地貌對(duì)于進(jìn)出煤柱期間頂板應(yīng)力峰值有降低效果，對(duì)空區(qū)部分應(yīng)力有增高作用。

4 綜放面進(jìn)出煤柱時(shí)頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

由上述分析可知，綜放工作面進(jìn)出煤柱期間頂板應(yīng)力變化明顯，應(yīng)力峰值持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，針對(duì)期間頂板關(guān)鍵巖塊運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行力學(xué)分析，判斷頂板失穩(wěn)形式及其穩(wěn)定性，為頂板災(zāi)害防治提供理論指導(dǎo)。根據(jù)關(guān)鍵層定義與變形特征判斷式，可確定第29層為頂板巖層中的關(guān)鍵層，其厚度h=5.2m，巖層破斷距l(xiāng)=24.6m。

4.1 頂板巖塊受力情況分析

頂板巖層砌體梁結(jié)構(gòu)中塊體的穩(wěn)定性決定了整個(gè)頂板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，其失穩(wěn)可分為滑落失穩(wěn)與回轉(zhuǎn)變形失穩(wěn)兩種[17]，根據(jù)塊體運(yùn)動(dòng)受力與幾何關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行定量計(jì)算，對(duì)關(guān)鍵塊體穩(wěn)定性進(jìn)行判別，塊體運(yùn)動(dòng)受力及幾何關(guān)系如圖7所示。

圖7 塊體運(yùn)動(dòng)受力及幾何關(guān)系

巖塊下沉量W1與直接頂總厚度∑h，采高M(jìn)及巖層破斷后的碎脹系數(shù)Kp有關(guān)，即：

W1=M-∑h(Kp-1)

(1)

鑒于塊與塊之間的接觸是塑性鉸接關(guān)系，因此水平推力T作用點(diǎn)可取a/2處。由于巖塊長(zhǎng)度取決于其受力條件，而巖層形成周期性斷裂條件與其所受荷載相關(guān)，因此，沖溝地貌條件下工作面進(jìn)出煤柱期間巖層斷裂長(zhǎng)度可假設(shè)為l1=kl2(k<1)，結(jié)合巖塊回轉(zhuǎn)后的接觸幾何關(guān)系，則：

根據(jù)對(duì)全砌體梁結(jié)構(gòu)的計(jì)算可得R2=1.03P2，因此近似認(rèn)為R2=P2。由巖塊回轉(zhuǎn)后的接觸幾何關(guān)系2a=h-w1=h-l1sinθ1與巖塊下沉量與長(zhǎng)度之間幾何關(guān)系w1=l1sinθ1，w2=l1sinθ1+l2sinθ2，以及斷裂度表達(dá)式i=h/l，可將上述兩表達(dá)式化簡(jiǎn)為：

根據(jù)全結(jié)構(gòu)計(jì)算位移規(guī)律θ2≈θ1/4，并將兩巖塊所受荷載假設(shè)為P1=cP2(c<1)，可表達(dá)式進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

最后由QA+QB=P1得出QA表達(dá)式為：

4.2 巖塊滑落失穩(wěn)判定

當(dāng)鉸接巖塊發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，作用于巖塊上水平推力T不斷增大，最終導(dǎo)致鉸接處巖塊滑動(dòng)失穩(wěn)，因此，判斷頂板關(guān)鍵塊體結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)需保證結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足：

Ttanφ≥QA

(9)

式中，tanφ為巖塊間的摩擦系數(shù)，取0.3。將其帶入式(9)可得：

由此可知，結(jié)構(gòu)是否發(fā)生滑落失穩(wěn)與斷裂度i和回轉(zhuǎn)角θ有著直接關(guān)系，且由于0°<θ<90°，因此sinθ>0，而一般情況下k取1.2～1.3，故當(dāng)斷裂度i>0.1875時(shí)必會(huì)發(fā)生滑落失穩(wěn)。將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入后可求得斷裂度i為：

頂板關(guān)鍵巖塊斷裂度i滿(mǎn)足滑落失穩(wěn)條件，將發(fā)生滑落失穩(wěn)。

4.3 巖塊回轉(zhuǎn)失穩(wěn)判定

當(dāng)鉸接處兩巖塊發(fā)生逆向運(yùn)動(dòng)時(shí)，水平推力T不斷增大，最終致使轉(zhuǎn)角處巖塊擠壓破碎失穩(wěn)，因此，判斷關(guān)鍵塊體是否發(fā)生回轉(zhuǎn)破斷需保證結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足：

T≤αησc

(11)

式中，T/α表示接觸面上得平均擠壓應(yīng)力，MPa；ησc表示巖塊在角端處的擠壓強(qiáng)度，MPa。將P1=ρg(h+h1)l與相關(guān)數(shù)據(jù)代入可得：

由此可知，關(guān)鍵層與荷載層總厚度h+h1隨θ增加而減小，即隨θ的增加，回轉(zhuǎn)變形失穩(wěn)的可能性增加。而巖塊回轉(zhuǎn)角θ主要與煤層采高M(jìn)、關(guān)鍵層破斷距有關(guān)l以及關(guān)鍵層與煤層之間巖層總厚度決定，即：

將相關(guān)參數(shù)帶入后計(jì)算可得頂板內(nèi)關(guān)鍵巖塊回轉(zhuǎn)角度的余弦值為：

結(jié)合前述斷裂度i計(jì)算結(jié)果可知，頂板關(guān)鍵巖層上方總荷載層厚度h+h1<0，故關(guān)鍵巖塊必發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn)。

5 進(jìn)出煤柱期間壓架災(zāi)害防治措施

5.1 煤柱下掘工藝巷

為降低進(jìn)出煤柱期間10#煤層頂板滑落失穩(wěn)危害，可在煤柱下掘進(jìn)工藝巷對(duì)煤層進(jìn)行卸壓處理，實(shí)現(xiàn)頂板巖塊人為分段破斷，減小跨落步距[18]。具體為可從10#煤層回采巷道內(nèi)向上掘一條布置于上層終采煤柱內(nèi)專(zhuān)用于對(duì)大巷保護(hù)煤柱進(jìn)行卸壓的巷道，距9#煤層I010906工作面終采線(xiàn)35m，距I010904工作面終采線(xiàn)90m，距10#煤層終采線(xiàn)22m，巷道內(nèi)采用鉆孔卸壓并以注水軟化處理作為輔助，以減小工作面進(jìn)出煤柱期間的應(yīng)力集中影響，降低煤柱下支架支承壓力與壓架災(zāi)害發(fā)生幾率，其中鉆孔深度35m，直徑150mm，間距8m，布置方式如圖8所示。

圖8 上層終采煤柱內(nèi)掘工藝巷

5.2 減小采厚

工作面進(jìn)出煤柱期間適當(dāng)減小采厚，可減小工作面頂板關(guān)鍵巖塊的回轉(zhuǎn)空間從而降低工作面支架壓力[19]，減小動(dòng)載沖擊，但采厚減小同時(shí)也會(huì)降低煤炭回采率，減小支架活柱伸縮空間，因此需根據(jù)煤層賦存情況與覆巖特性確定合理采厚[20]。

為確定上榆泉煤礦沖溝地貌下進(jìn)出煤柱期間工作面合理采厚，在上述基礎(chǔ)上調(diào)整工作面開(kāi)采厚度進(jìn)行模擬，回轉(zhuǎn)角與垂直應(yīng)力隨采厚的變化曲線(xiàn)如圖9所示。由圖可知，煤柱下方工作面頂板垂直應(yīng)力峰值和回轉(zhuǎn)角均隨采厚增加而增大，減小幅度則均呈現(xiàn)先減后增趨勢(shì)。當(dāng)采厚減小時(shí)，10#煤層傳遞給支架的荷載也將增大，因此結(jié)合礦井實(shí)際情況，可將工作面采厚控制在3.4～3.6m范圍內(nèi)，使得頂板回轉(zhuǎn)角由1.43°減小為1.08°，減少25%左右，頂板內(nèi)垂直應(yīng)力峰值由8.53MPa減小為7.7MPa，減小10%左右，在保證支架阻力增高量在可控范圍的同時(shí)，可減小壓架災(zāi)害發(fā)生可能。

圖9 回轉(zhuǎn)角與垂直應(yīng)力隨采厚變化曲線(xiàn)

6 結(jié) 論

1)出煤柱期間頂板垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力總體呈現(xiàn)先增后減趨勢(shì)，但兩者應(yīng)力峰值出現(xiàn)位置不同；進(jìn)煤柱期間垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力總體呈現(xiàn)持續(xù)減小趨勢(shì)，且在進(jìn)煤柱后減小量迅速增大。同時(shí)，沖溝地貌參數(shù)沖溝坡角α與沖溝切割系數(shù)k對(duì)于進(jìn)出煤柱期間頂板應(yīng)力峰值有降低效果，對(duì)采空區(qū)部分應(yīng)力有增高作用。

2)根據(jù)塊體運(yùn)動(dòng)受力情況與幾何關(guān)系，定量計(jì)算得出研究區(qū)域上方關(guān)鍵塊體發(fā)生滑落失穩(wěn)的條件為i≥0.1875，發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn)的條件為h+h1<0，計(jì)算可知頂板巖塊將同時(shí)發(fā)生滑落失穩(wěn)與回轉(zhuǎn)失穩(wěn)。

3)依據(jù)頂板關(guān)鍵塊體破斷形式與機(jī)理提出煤柱下掘進(jìn)工藝巷和減小采厚兩種壓架防治措施并驗(yàn)證其有效性。結(jié)果表明，工作面合理減小采厚后，頂板巖塊回轉(zhuǎn)角25%左右，頂板內(nèi)垂直應(yīng)力峰值減小10%左右。