范志忠，付書俊，潘黎明

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；3.陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000)

目前，我國(guó)煤礦開采強(qiáng)度持續(xù)加大，尤其是采深加大、工作面加長(zhǎng)后，使得工作面巖層控制的矛盾愈加突出。生產(chǎn)實(shí)踐中，頻發(fā)的、大范圍的支架壓垮不僅給安全生產(chǎn)帶來(lái)隱患而且造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，已成為工作面圍巖控制領(lǐng)域面臨的共性難題。在大采高工作面礦壓研究領(lǐng)域，王慶雄，黃霆，劉偉韜等學(xué)者對(duì)450m超長(zhǎng)綜采工作面礦壓顯現(xiàn)特征進(jìn)行了研究[1-3]，認(rèn)為超長(zhǎng)綜采工作面傾向壓力分布呈現(xiàn)三峰值 W 型特征，主要在于主關(guān)鍵層和亞關(guān)鍵層破斷步距不一致，主關(guān)鍵層破斷則亞關(guān)鍵層往往隨之?dāng)嗔?，而亞關(guān)鍵層斷裂時(shí)，主關(guān)鍵層未必破斷，該現(xiàn)象往往造成工作面來(lái)壓強(qiáng)度和步距的周期性變化。李志華，楊科，張艷偉，宋立兵等學(xué)者研究了超長(zhǎng)大采高工作面過(guò)斷層時(shí)的礦壓特征[4-7]，認(rèn)為斷層易造成工作面頂板下沉不連續(xù)，且頂板下沉值與工作面長(zhǎng)度呈對(duì)數(shù)關(guān)系，與采高呈指數(shù)關(guān)系。伊茂森，付玉平，付書俊等學(xué)者研究了淺埋大采高超長(zhǎng)工作面采高、長(zhǎng)度、支護(hù)強(qiáng)度的相互關(guān)系[8-10]，認(rèn)為覆巖垮落帶高度隨著采高及工作面長(zhǎng)度的增大呈指數(shù)增大趨勢(shì)，并且工作面長(zhǎng)度對(duì)垮落帶的影響較有限，進(jìn)一步認(rèn)為工作面長(zhǎng)度變化因素對(duì)周期來(lái)壓步距影響明顯大于覆巖結(jié)構(gòu)特征的影響。彭濤，宋選民等學(xué)者分析了大采高超長(zhǎng)工作面參數(shù)、礦壓顯現(xiàn)特征和支護(hù)強(qiáng)度的關(guān)系[11，12]，認(rèn)為工作面長(zhǎng)度及采高增大，使得長(zhǎng)壁開采采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度大幅增加。在深部高強(qiáng)度開采條件下，不少礦井為了緩解采掘銜接矛盾或節(jié)約資源，嘗試布置超長(zhǎng)工作面進(jìn)行回采，往往造成工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈或支架壓垮現(xiàn)象，本文嘗試對(duì)深部孤島超長(zhǎng)工作面覆巖垮落結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析，研究其礦壓顯現(xiàn)異常特征，探討相應(yīng)條件下工作面的合理布設(shè)長(zhǎng)度。

1 深部開采超長(zhǎng)工作面覆巖結(jié)構(gòu)

1.1 深井開采三邊固支板模型

深部往往伴隨著高地應(yīng)力，在高地應(yīng)力作用下，深埋巖體表現(xiàn)出與淺部巖體不同的力學(xué)特性，在較低圍壓下表現(xiàn)為脆性的巖石可以在高圍壓下轉(zhuǎn)化為延性[13]。采空區(qū)老頂?shù)钠茢嘈螤钆c其形態(tài)密切相關(guān)，設(shè)工作面長(zhǎng)度為2a，推進(jìn)距離為b，當(dāng)采空區(qū)參數(shù)a/b>1時(shí)，則老頂形成豎向“X”形破壞。老頂破斷后，在其周邊形成的裂縫呈上部張開下部閉合狀態(tài)，而在老頂?shù)闹虚g“X”形部位，裂縫則呈上部閉合下部張開形態(tài)，超長(zhǎng)工作面覆巖破斷特點(diǎn)如圖1所示。在工作面中部區(qū)域，老頂巖層一般可形成 “砌體梁”式的咬合結(jié)構(gòu)，但在工作面上、下兩部分則屬于典型的圓弧形破壞。

圖1 超長(zhǎng)工作面覆巖破斷特點(diǎn)

根據(jù)開采邊界條件，老頂初次來(lái)壓后，深井超長(zhǎng)孤島工作面基本頂上方的覆巖結(jié)構(gòu)可假設(shè)為一邊簡(jiǎn)支和三邊固支條件，采用Marcus簡(jiǎn)算式，覆巖可視為三邊固支一邊簡(jiǎn)支的薄板[14，15]。設(shè)矩形板邊長(zhǎng)為2a、b，邊界條件為三邊固定一邊自由，承受橫向載荷作用，坐標(biāo)系選取如圖2所示，基本控制微分方程如下：

圖2 三邊固支一邊自由矩形板模型

設(shè)ω(x，y)=ω°(x，y)+ω*(x，y)，其中ω°(x，y)為薄板問(wèn)題的通解，ω*(x，y)為其中一個(gè)特解。將撓度函數(shù)ω(x，y)代入邊界條件，即可求得板中各點(diǎn)的撓度，進(jìn)一步可以得出作用于砌體梁結(jié)構(gòu)上的分布載荷及下沉量。

1.2 超長(zhǎng)工作面覆巖結(jié)構(gòu)特征分析

按照普式壓力拱理論，在一定跨度空間之上的頂板巖層將會(huì)發(fā)生拱形冒落，其高度既與跨度有關(guān)，又與巖石的普式硬度指數(shù)有關(guān)[16，17]。工作面采場(chǎng)可視為開挖長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于開挖高度的一種特殊硐室，相關(guān)文獻(xiàn)引入普氏壓力拱理論估算工作面采場(chǎng)頂板的冒落高度，得出由基巖厚度決定的淺埋厚風(fēng)積沙煤層條件下工作面長(zhǎng)度模型[18]，當(dāng)側(cè)壁穩(wěn)定時(shí)，頂板拱形冒落的高度可按下式計(jì)算：

∑h=B/(2f)

式中，∑h為頂板拱形冒落高度，m；B為采場(chǎng)跨度，m；f為頂板巖石的普氏硬度系數(shù)。

普氏壓力拱理論計(jì)算公式在計(jì)算頂板拱形冒落的高度時(shí)未考慮采高的影響，假設(shè)冒落拱的高度可以隨著工作面跨度的增加無(wú)限增大，而實(shí)際上直接頂垮落充填采空區(qū)的程度或者垮落高度與工作面采出高度和直接頂?shù)乃闈q系數(shù)有很大關(guān)系。滿足關(guān)系式：

∑h=M/(ks-1)

式中，M為工作面采高，m；ks為頂板巖石碎漲系數(shù)，一般取1.25～1.5。

因此在一定采高條件下，頂板垮落高度并不會(huì)隨著工作面的加長(zhǎng)而無(wú)限增大。但深部開采條件下，繼續(xù)增大工作面長(zhǎng)度，頂板垮落高度增幅有可能減小，但工作面超長(zhǎng)會(huì)造成推進(jìn)速度減慢，頂板下沉量增大，在一定程度上仍會(huì)使得工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈。

2 超長(zhǎng)工作面覆巖結(jié)構(gòu)相似模擬

為了研究深部超長(zhǎng)孤島工作面覆巖垮落結(jié)構(gòu)特征，以寺家莊礦15106工作面煤層賦存條件為例，構(gòu)建相似模型。該礦15煤層呈現(xiàn)典型的“五花肉”形態(tài)，堅(jiān)硬的灰?guī)r和軟弱破碎的泥巖間隔分布。煤層上方首先為一層黑色泥巖，非常破碎，賦存不穩(wěn)定，一般厚度0.5～0.8m，局部厚度超過(guò)1m，視作偽頂處理，掘巷和回采時(shí)同煤層一起直接回采，不保留。偽頂上方分別是2層灰?guī)r和2層泥巖間隔分布，由于煤層回采厚度達(dá)到7m，且上述泥巖和灰?guī)r厚度均不大，在采空區(qū)后方難以形成砌體梁結(jié)構(gòu)，故將該4層間隔分布的泥巖和灰?guī)r視作直接頂。其中上部的灰?guī)r和泥巖視作上位直接頂，下部的泥巖和灰?guī)r視作下位直接頂，如圖3所示。根據(jù)鉆孔資料分析，直接頂上方為一層厚度較大的細(xì)粒砂巖，賦存較穩(wěn)定，大多數(shù)鉆孔均可見該細(xì)粒砂巖分布，由于強(qiáng)度高，厚度大，分布層位高，故視作老頂。

圖3 煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)圖

其中，幾何相似比C=1∶100，容重相似比Ct=1∶1.61，彈性相似CE=1∶161，泊松比相似Cμ=1。結(jié)合工作面綜合柱狀圖，共模擬煤巖層20層，部分上覆巖層對(duì)模型施加的垂直應(yīng)力采用10cm×5cm×12cm配重鐵塊加載的方式模擬。工作面回采重點(diǎn)研究不同工作面長(zhǎng)度下覆巖垮落結(jié)構(gòu)，采用7v14型數(shù)據(jù)采集器來(lái)自動(dòng)采集工作面壓力數(shù)據(jù)，采用電子經(jīng)緯儀觀測(cè)所布置的位移測(cè)點(diǎn)的角度變化。不同工作面長(zhǎng)度覆巖垮落特征和運(yùn)移曲線分別如圖4和圖5所示。

圖4 不同工作面長(zhǎng)度覆巖垮落特征

圖5 不同工作面長(zhǎng)度覆巖運(yùn)移曲線

從圖4可以看出，由于工作面具有一定的傾角，工作面頂板垮落呈現(xiàn)明顯的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)特征，覆巖垮落帶高度的峰值明顯偏向工作面下端頭一側(cè)。在工作面由200m加長(zhǎng)到300m后，工作面覆巖垮落呈現(xiàn)明顯的分區(qū)特征，其基本頂頂板沿傾向方向分段垮落并呈咬合狀態(tài)。從覆巖垮落高度上來(lái)看，隨著工作面長(zhǎng)度的增加，覆巖最大垮落高度增幅逐漸平緩，但工作面傾向方向覆巖位移呈現(xiàn)兩個(gè)峰值，該峰值與工作面壓力的兩個(gè)高應(yīng)力區(qū)相對(duì)應(yīng)，如圖5(b)所示。分析認(rèn)為，受超長(zhǎng)工作面傾向砌體梁結(jié)構(gòu)的存在，工作面最大壓力并非出現(xiàn)在工作面中部，而是由可能存在兩個(gè)或多個(gè)壓力峰值。

3 超長(zhǎng)孤島工作面礦壓顯現(xiàn)實(shí)測(cè)分析

3.1 工作面礦壓顯現(xiàn)特征

以寺家莊礦15106工作面為例，該工作面埋深500～600m，開采15煤層，煤層厚度3.6～6.4m，平均厚度5.0m，硬度系數(shù)f=1～2。工作面斜長(zhǎng)286.2m，兩側(cè)均為7.0m寬小煤柱，屬小煤柱孤島大采高超長(zhǎng)工作面，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈。工作面傾向方向166臺(tái)支架壓力分布如圖6所示，工作面礦壓顯現(xiàn)特征呈現(xiàn)典型的“雙峰”分布。

圖6 工作面推進(jìn)過(guò)程中頂板狀況分布特征

從圖6可以看出，工作面無(wú)論從支架壓力還是從煤壁片幫漏頂看均在工作面中部?jī)蓚€(gè)區(qū)域比較密集。分析認(rèn)為是由于超長(zhǎng)工作面條件下，工作面中部老頂并非一次性折斷，而是在工作面傾向方向分區(qū)域折斷，并呈鉸接狀態(tài)，工作面瓦斯不均衡涌出呈現(xiàn)周期性狀態(tài)，如圖6(b)所示，每次瓦斯超限持續(xù)時(shí)間2～3d，分析認(rèn)為這是由于工作面老頂垮落，覆巖或臨近層瓦斯大規(guī)模涌出所致。

3.2 工作面支架適應(yīng)性

傾斜方向支架壓力分布如圖7所示，工作面存在的2個(gè)峰值壓力區(qū)域，其核心區(qū)域分別位于工作面中上部40#—100#與工作面下部100#—140#支架區(qū)域內(nèi)，且工作面上部區(qū)域周期來(lái)壓強(qiáng)度與影響范圍明顯高于下部區(qū)域，其表現(xiàn)為礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，頂板較破碎。

圖7 傾斜方向支架壓力分布圖

支架壓力分布頻率如圖8所示，支架高壓力段頻率分布曲線呈現(xiàn)多峰波浪形曲線，進(jìn)一步說(shuō)明了頂板傾向破斷的分段性。此外，機(jī)頭區(qū)域、機(jī)尾區(qū)域礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度較小，支護(hù)阻力偏小，跟支架空頂、支護(hù)效果較差有關(guān)。

圖8 支架壓力分布頻率

3.3 頂板斷裂結(jié)構(gòu)分析

寺家莊15106超長(zhǎng)工作面推進(jìn)過(guò)程中來(lái)壓強(qiáng)度分布特征如圖9所示，從圖9可以清晰看出，在135m推采長(zhǎng)度范圍內(nèi)，工作面經(jīng)歷了4次大范圍的周期來(lái)壓。第一次和第二次周期來(lái)壓除了伴有大范圍的支架安全閥開啟、煤壁片幫漏頂現(xiàn)象外，還出現(xiàn)了彌漫性的瓦斯超限現(xiàn)象，這是由于老頂關(guān)鍵層垮落，臨近層瓦斯涌出所致。寺家莊礦工作面瓦斯來(lái)源80%為臨近層瓦斯，瓦斯超限和頂板垮落聯(lián)動(dòng)性也充分說(shuō)明了寺家莊礦治理瓦斯超限的根源在于預(yù)測(cè)并控制頂板的大面積垮落。

圖9 工作面推進(jìn)過(guò)程中來(lái)壓強(qiáng)度分布特征

15106孤島超長(zhǎng)工作面來(lái)壓呈現(xiàn)工作面整體性大周期來(lái)壓與區(qū)域性小周期來(lái)壓并存特點(diǎn)，從來(lái)壓強(qiáng)度與范圍角度來(lái)看，大周期來(lái)壓明顯區(qū)別于小周期來(lái)壓。初步分析認(rèn)為，大周期來(lái)壓是超長(zhǎng)工作面上覆上位堅(jiān)硬厚巖層大范圍(基本上是工作面全長(zhǎng)區(qū)域)周期性破斷造成，小周期來(lái)壓是工作面上覆下位基本頂較大范圍(工作面中部區(qū)域或者工作面全長(zhǎng)區(qū)域)周期性破斷造成。從圖9的頂板斷裂線可以看出，超長(zhǎng)工作面傾向方向覆巖垮落呈現(xiàn)明顯的分區(qū)域破斷特征，與相似模擬結(jié)果相吻合。

4 結(jié) 論

通過(guò)理論分析、相似模擬、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及驗(yàn)證，分析了深部超長(zhǎng)孤島工作面覆巖垮落結(jié)構(gòu)特征及相應(yīng)的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，結(jié)論如下：

1)采空區(qū)老頂?shù)钠茢嘈螒B(tài)與工作面長(zhǎng)寬比密切相關(guān)，超長(zhǎng)工作面條件下老頂往往形成豎向“X”形破壞，進(jìn)一步將基本頂上方覆巖簡(jiǎn)化為三邊固支一邊簡(jiǎn)支的薄板，建立了力學(xué)模型，求得了其撓度函數(shù)。

2)通過(guò)相似模擬試驗(yàn)，分析了覆巖垮落形態(tài)和下沉曲線與工作面長(zhǎng)度的關(guān)系，認(rèn)為隨著工作面長(zhǎng)度的增加，覆巖最大垮落高度增幅逐漸平緩，工作面傾向方向存在砌體梁結(jié)構(gòu)，隨著長(zhǎng)度的增加，工作面最大壓力并非出現(xiàn)在工作面中部，而是有可能存在兩個(gè)或多個(gè)壓力峰值。

3)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表明，超長(zhǎng)工作面中部老頂并非一次性折斷，而是在傾向方向分區(qū)域折斷，并呈鉸接狀態(tài)，從來(lái)壓強(qiáng)度與范圍角度來(lái)看，呈現(xiàn)工作面整體性大周期來(lái)壓與區(qū)域性小周期來(lái)壓并存特點(diǎn)，大周期來(lái)壓是超長(zhǎng)工作面上覆上位堅(jiān)硬厚巖層大范圍(基本上是工作面全長(zhǎng)區(qū)域)周期性破斷造成，小周期來(lái)壓是下位基本頂小范圍(工作面局部區(qū)域)失穩(wěn)所致。