楊靜波

（晉能控股煤業(yè)集團晉城事業(yè)部長平煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006）

引言

綜采工作面通常要求工作面的長度一致并且整體推進長度較大?；夭上锏劳七M至礦井斷層處時，需要將工作面開切眼同斷層平行布置，采用綜采工作面先行調(diào)斜開采的方式，提升礦井的開采效率。許多學(xué)者圍繞調(diào)斜開采方案、巷道設(shè)計形式以及礦壓作用等內(nèi)容進行研究，得出結(jié)論：工作面調(diào)斜開采的方式極易造成巷道頂板出現(xiàn)三角形懸頂，三角形懸頂?shù)钠茢鄼C理和礦壓作用效果和常規(guī)的回采過程有所差異。所以，對調(diào)斜開采相關(guān)內(nèi)容的研究對于提升礦井開采效率有著重要意義[1]。

本文以某礦調(diào)斜工作面為分析對象，在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上進行細化，將監(jiān)測到的調(diào)斜開采工作面礦壓數(shù)據(jù)進行匯總，使用ANSYS 軟件對探測數(shù)值進行分析進而總結(jié)出調(diào)斜開采頂板的破斷機理，根據(jù)破斷機理和礦壓間的關(guān)系提出針對性的建議，提高礦壓的控制效果。

1 工程特征

工作面平面布置示意圖，如圖1 所示，該礦井綜采工作面同巷道斷層斜交。采取開切眼同斷層平行以及回采巷道同開切眼斜交的布置形式，通過綜采工作面先行調(diào)斜開采的方式，提升巷道的回采效率。調(diào)斜開采過程中，應(yīng)當將回風(fēng)平巷端作為旋轉(zhuǎn)中心，運輸平巷側(cè)進尺60 m，分20 刀進行，進尺至工作面方位偏轉(zhuǎn)30°后，調(diào)斜工作進行完畢，可以開始進行常規(guī)的開采任務(wù)。

圖1 工作面平面布置示意圖

研究礦井工作面煤層深度465 m，傾斜角近似為0°。直接頂由中砂巖組成，厚度為6.2 m，老頂由細砂巖組成，厚度為6.5 m，底板由泥巖和細砂巖組成，煤巖層綜合柱狀圖，如圖2 所示。

圖2 煤巖層綜合柱狀圖

2 調(diào)斜開采礦壓顯現(xiàn)特征

調(diào)斜開采產(chǎn)生的采空區(qū)頂板形狀和常規(guī)開采方式形成的頂板形狀有所差異，因此對于礦壓的作用也發(fā)生了一定的變化。對于綜采工作面液壓支架的載荷變化進行動態(tài)監(jiān)測，結(jié)合回采巷道超期支護的變形情況，對于整個調(diào)斜開采過程中礦壓的變化規(guī)律進行了研究。

監(jiān)測期為該工作面自調(diào)斜開采開始至工作面正常推進40 m。該期間內(nèi)，一共觀測到1 次初次來壓和2 次周期來壓。

2.1 工作面支架載荷分布情況

工作面液壓支架共計84 臺。將10 臺礦用本安型數(shù)字壓力表等間距布置在液壓支架間。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可知，調(diào)斜開采完畢時，支架載荷發(fā)生了明顯的變化，也就是巷道頂板的初次來壓，來壓步距約為60 m，進入常規(guī)回采階段后，來壓步距下降至20 m。3 次來壓時支架載荷分布圖，如下頁圖3 所示。

圖3 來壓時支架載荷分布圖

根據(jù)圖3 不難發(fā)現(xiàn)：頂板初次來壓過程中，支架載荷呈現(xiàn)出非對稱分布的形式，其中運輸平巷側(cè)的支架載荷相較于另一側(cè)較大，最大值已經(jīng)超過額定工作阻力要求。靠近回風(fēng)平巷側(cè)的支架載荷相對較小，支架載荷遠遠低于額定初撐力。第1 次周期來壓過程中，支架載荷仍然呈現(xiàn)出非對稱分布的形式，但是相較于初次來壓階段差值有所減小。第2 次周期來壓過程中，支架載荷呈現(xiàn)出對稱分布的形式，調(diào)斜開采對礦壓的影響已經(jīng)基本消失。

調(diào)斜開采過程中，工作面頂板壓力分布不對稱、不均勻且局部壓力超過限度要求。調(diào)斜開采完畢后，頂板的壓力分布逐漸恢復(fù)對稱。

2.2 回采巷道超前支護段變形情況

工作面回風(fēng)平巷以及運輸平巷斷面均為梯形，并未將巷道支護同超前支護加以區(qū)分，而是選用同樣的支護參數(shù)，巷道選取11#礦用工字鋼棚進行支護，相鄰鋼棚間的距離為800 mm；超前支護選取液壓支柱，相鄰液壓支柱間的距離為800 mm。在超前支護區(qū)域內(nèi)布置1 個監(jiān)測點對巷道的變形情況進行監(jiān)測，監(jiān)測點同開切眼間的距離為30 m?；夭上锏雷冃瘟繉Ρ葓D，如圖4 所示。

圖4 回采巷道變形量對比圖

根據(jù)圖4 不難發(fā)現(xiàn)，調(diào)斜開采過程中，兩回采巷道的變形呈現(xiàn)出顯著差異，其中運輸平巷的變形大幅提升，回風(fēng)平巷在監(jiān)測過程中幾乎未發(fā)生變化。調(diào)斜開采完畢后，兩回采巷道變形恢復(fù)一致。

根據(jù)上述液壓支架載荷變化以及回采巷道變形情況綜合分析可知，調(diào)斜開采使得對工作面的礦壓分布產(chǎn)生了一定的影響，使得工作面礦壓呈現(xiàn)出非對稱分布的規(guī)律，并且運輸平巷側(cè)存在一定的壓力集中，該規(guī)律同工作面頂板破斷機理存在一定關(guān)系[2]。

3 調(diào)斜開采頂板破斷機理分析

調(diào)斜開采初期至初次來壓前，頂板呈現(xiàn)出“三角形”懸頂。調(diào)斜開采使得頂板的破斷規(guī)律同常規(guī)的“0-X 破斷”有所差異。采空區(qū)頂板的破斷機理和工作面的礦壓規(guī)律存在著密切的聯(lián)系。

3.1 頂板的力學(xué)模型

薄板指的是板的厚度和寬度間的比值在1∶1001∶80 和1∶81∶5 之間。該工作面頂板厚度和寬度的比值最小為1∶10。頂板圍巖屬于脆性材料，未達到載荷極限時始終處于彈性變形狀態(tài)，因此在進行頂板建模時可以將其設(shè)定為彈性薄板。將初次來壓前的頂板設(shè)定為采空區(qū)側(cè)簡支，其余兩側(cè)固定支撐的三角形薄板，三角形薄板模型，如圖5 所示。途中，y 軸代表運輸平巷走向，薄板受均布載荷q。

圖5 三角薄板模型

對形狀復(fù)雜的彈性薄板進行理論計算是難以實現(xiàn)的，但是通過有限元分析的方法則能夠很好的解決相關(guān)數(shù)值的計算問題。建模通過ANSYS 板殼模型模塊進行運算，相關(guān)參數(shù)能夠達到三角板模型參數(shù)計算要求。設(shè)置該彈性薄板的彈性模量為38 GPa，泊松比為0.18，在此基礎(chǔ)上對模型進行邊界條件施加。

3.2 調(diào)采頂板來壓前的內(nèi)力分析

三角板力學(xué)模型加載計算后的撓度分布圖、應(yīng)變能分布圖和應(yīng)力強度分布圖，如圖6 所示。

根據(jù)圖6-1 不難看出，均布載荷作用下，三角板發(fā)生撓曲變形，且越靠近三角形幾何中心處撓度越大。最大撓度點到三角形三邊的距離相等，到三角形三角點的距離和每個角的大小呈反比。

圖6 三角板計算結(jié)果

根據(jù)圖6-2、圖6-3 不難看出，調(diào)斜開采過程中，頂板在自身載荷以及圍巖間的共同作用下，內(nèi)部結(jié)構(gòu)由于變形做功產(chǎn)生一定的能量，能量以應(yīng)變能的形式轉(zhuǎn)化為三角板內(nèi)部的應(yīng)變能。部分應(yīng)變能存儲聚集在固支處，部分應(yīng)變能儲存在三角形內(nèi)心處。應(yīng)力強度的集中區(qū)域和應(yīng)變能的存儲區(qū)域保持一致，此外在三角薄板的直角位置有一定集中。通過對三角板不同角點的應(yīng)力強度和應(yīng)變能分布分析可知，應(yīng)力和應(yīng)變能的集中同角度大小成正比關(guān)系。因此兩個銳角角點處的應(yīng)力和應(yīng)變能集中區(qū)域和程度相對較小。

3.3 調(diào)采頂板的破斷演化過程探討

根據(jù)最大剪應(yīng)力強度理論對頂板的破斷機理進行分析?？芍敯鍋韷浩茢噙^程中，角度最大處的角點應(yīng)力和應(yīng)變能較為集中。該區(qū)域首先出現(xiàn)裂隙，裂隙的出現(xiàn)導(dǎo)致集中的應(yīng)變能釋放而出，造成裂隙的進一步擴展，隨著應(yīng)力的增大其他集中區(qū)域也逐漸產(chǎn)生裂隙，最終導(dǎo)致整個三角板裂隙貫穿，頂板出現(xiàn)初次來壓。調(diào)斜開采頂板破斷演化過程，如圖7 所示。

圖7 調(diào)斜開采頂板破斷演化過程

根據(jù)上述機理可知三角板的破斷演化過程為:伴隨工作面的深入，采空區(qū)頂板面積不斷增加，在圍巖和自身載荷的作用下，頂板產(chǎn)生一定的撓性變形，變形產(chǎn)生的應(yīng)力和盈利能逐漸在頂板角點等區(qū)域存儲聚集。隨著采空區(qū)頂板的面積不斷增加，固支處的應(yīng)力強度到達極限值，出現(xiàn)裂隙，應(yīng)變能通過裂隙進行釋放，導(dǎo)致裂隙的進一步延申，多處裂隙的產(chǎn)生和擴展最終導(dǎo)致整個三角板裂隙貫穿。在此期間，應(yīng)變能逐漸轉(zhuǎn)移至三角板內(nèi)心處，進而產(chǎn)生頂板的初次來壓。

老頂初次來壓后，采空區(qū)頂板并未完全垮落，造成頂板同煤壁間的邊界條件發(fā)生了改變，垮落部分同煤壁的交界處邊界條件變?yōu)榱俗杂蛇吔?，未垮落部分同煤壁交界處邊界條件仍為固支邊界。

4 礦山壓力控制建議

根據(jù)上述分析可得，調(diào)斜開采過程中工作面不同區(qū)域的懸頂距有所差異，因此頂板的破斷機理和常規(guī)開采有所不同，礦壓分布呈現(xiàn)出不對稱以及不均勻等特征，在運輸平巷側(cè)支架出現(xiàn)一定應(yīng)力集中現(xiàn)象。為了有效控制礦壓、降低經(jīng)濟成本、提高開采效率，對于工作面頂板以及回采巷道分別選取不同的礦壓控制方案。

調(diào)斜開采過程中以及常規(guī)開采初始階段，支架載荷非對稱分布。造成頂板初次來壓時，運輸巷側(cè)支架載荷集中程度較高，容易超過限定值，因此要對支架的載荷分布進行實時監(jiān)測。

調(diào)斜開采過程中，回采巷道超前支護段受載較大且變形較大，應(yīng)當給予重點關(guān)注。

5 結(jié)語

根據(jù)調(diào)斜開采工作面礦壓變化規(guī)律以及頂板破斷機理，能夠得出：

1）調(diào)斜開采過程中采空區(qū)頂板呈現(xiàn)出“三角形”懸頂。采空區(qū)頂板面積到達一定值時，頂板達到極限懸露面積時，應(yīng)變能和應(yīng)力強度集中導(dǎo)致部分區(qū)域出現(xiàn)裂隙，能量隨裂隙釋放導(dǎo)致裂隙逐漸擴大，最終導(dǎo)致三角板裂隙貫穿以及部分垮落。

2）調(diào)斜開采的工作面礦壓變化規(guī)律同常規(guī)開采方式有所差異，具有不對稱、不均勻的特點，運輸巷側(cè)載荷集中程度較高，回采巷道超前支護處變形量較大。

3）對調(diào)斜開采工作面頂板以及回采巷道選取不同的礦壓控制方案。