張國(guó)華, 邢文彥, 段燕偉

(1.黑龍江科技大學(xué), 哈爾濱 150022; 2.黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省普通高等學(xué)校采礦工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150022)

0 引 言

在我國(guó),井工礦多為長(zhǎng)壁后退式開(kāi)采。在開(kāi)采過(guò)程中,煤壁前方會(huì)形成超前支承應(yīng)力區(qū),該區(qū)域應(yīng)力變化較大,并隨著工作面的推進(jìn),持續(xù)影響采場(chǎng)的穩(wěn)定性[1-3]。在深部開(kāi)采中,原巖應(yīng)力較大,這一現(xiàn)象更為明顯[4-6]。為此國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)展了大量的研究工作。劉增輝等[7]對(duì)某深部回采工作面,實(shí)測(cè)了回采期間的超前支承應(yīng)力,從時(shí)間和空間分析了超前支承應(yīng)力的演化規(guī)律。郭兵兵等[8]通過(guò)理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)預(yù)測(cè)了深部工作面超前支承應(yīng)力的范圍和峰值。袁永強(qiáng)等[9]通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法,分析了不同頂板條件下不同開(kāi)采工藝的工作面超前區(qū)域應(yīng)力的分布規(guī)律。呂嘉錕等[10]結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),分析了采厚對(duì)工作面支承應(yīng)力分布規(guī)律的影響?；谝陨系难芯砍晒?筆者以平崗煤礦底部層33#層右一面為工程背景,結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法,開(kāi)展了采動(dòng)影響下工作面超前區(qū)域的應(yīng)力演化研究,對(duì)于超前支護(hù)及巷道圍巖控制初始設(shè)計(jì)具有重要意義。

1 工程概況

平崗煤礦底部層33#煤層右一面,傾向長(zhǎng)110 m,走向長(zhǎng)405 m,工作面傾角17°～21°,煤層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,平均厚度2.1 m。綜合地質(zhì)柱狀圖見(jiàn)圖1。

工作面地表為丘陵和山地,回采工作面上方無(wú)采空區(qū),埋深為650 m。煤層頂板粉砂巖,頂板巖層堅(jiān)固硬度系數(shù)f=6.0。煤層底板是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的凝灰砂巖的復(fù)合層,節(jié)理不發(fā)育,底板巖層堅(jiān)固硬度系數(shù)f=6.2。巖石抗壓強(qiáng)度小于30 MPa,巖石軟化系數(shù)小于0.6。采用綜合機(jī)械化開(kāi)采工藝,走向長(zhǎng)壁式后退采煤方法,全部垮落法管理頂板。上、下巷為矩形斷面,凈寬4.0 m,凈高2.5 m。采用錨桿、錨索、鋼帶和金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。

2 超前支承應(yīng)力的理論計(jì)算

根據(jù)應(yīng)力將煤壁前方區(qū)域劃分為破裂區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū),如圖2所示。破裂區(qū)的范圍為工作面前方煤壁到首次達(dá)到原巖應(yīng)力的位置,該區(qū)域內(nèi)煤體應(yīng)力σy小于p0,煤體疏松破碎,基本不具備承載能力。塑性區(qū)范圍為峰值應(yīng)力前原巖應(yīng)力到峰值應(yīng)力σymax,該范圍內(nèi)煤體應(yīng)力大于原巖應(yīng)力,煤體呈塑性破壞狀態(tài),仍具備一定的承載能力。當(dāng)距離工作面煤壁x0時(shí),支承應(yīng)力達(dá)到最大值σymax;彈性區(qū)位于峰值應(yīng)力后,該區(qū)域應(yīng)力從σymax逐漸降低到p0,由于應(yīng)力下降緩慢,煤體結(jié)構(gòu)完整,具有較好的承載能力。假設(shè)煤體為各向同性均質(zhì)材料,煤壁上任一單元體受力分布,如圖3所示。

圖2 工作面超前區(qū)域分布

圖3 單元體受力示意

圖中:m為單元體煤體高度,m;σx、σy分別為x和y方向的應(yīng)力,MPa;φ為煤體內(nèi)摩擦角,(°);c為煤體內(nèi)聚力,MPa。

在平面應(yīng)力狀態(tài)下,當(dāng)單元體受力平衡時(shí),可建立方程[11]為

M(σx+dσx)-Mσx-2σyfdx=0。

(1)

結(jié)合Mohr - Coulomb準(zhǔn)則,極限平衡區(qū)內(nèi)σy表達(dá)式[11-12]為

(2)

式中:M——煤層采高,m;

f——摩擦系數(shù);

x——任一點(diǎn)到煤壁的距離,m。

設(shè)σymax=kγH,則峰值點(diǎn)距煤壁的距離x0[11-12]為

(3)

式中:k—應(yīng)力集中系數(shù);

γ——巖層容重,kN/m3;

H——煤層埋深,m。

由上述分析可知,工作面超前支承應(yīng)力的影響范圍及應(yīng)力峰值與煤巖體力學(xué)性質(zhì)(煤體的內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力、煤體與頂板的摩擦系數(shù)等)和工作面開(kāi)采條件(應(yīng)力集中系數(shù)、采高、埋深等)有關(guān)。

①煤巖體力學(xué)性質(zhì)。煤體內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角和摩擦系數(shù)等力學(xué)參數(shù)與工作面超前區(qū)域峰值應(yīng)力呈負(fù)相關(guān),即煤巖體力學(xué)參數(shù)越大,支承應(yīng)力峰值點(diǎn)與煤壁越近,塑性區(qū)也越小。

②煤層埋深。煤層埋深與支承應(yīng)力峰值呈相關(guān),即埋深越大,支承應(yīng)力峰值越大,距煤壁也越遠(yuǎn)。

③煤層采高。煤層采高與支承應(yīng)力峰值呈相關(guān),即采高越大,支承應(yīng)力峰值越大,距煤壁也越遠(yuǎn),同時(shí)塑性區(qū)域也變大。

平崗煤礦底部層南翼33#煤層右一面的具體參數(shù)為:M=2.1 m,f=0.3,φ=28°,k=1.29,c=1.65 MPa,H=650 m。將這些數(shù)據(jù)代入式(2)和式(3)可知,x0=8.53 m,σy=20.71 MPa,即在工作面煤壁前方8.53 m位置處超前支承應(yīng)力峰值為20.71 MPa。

3 超前應(yīng)力演化模擬

3.1 計(jì)算模型建立及參數(shù)確定

以底部層南翼33#右一面為工程背景建立數(shù)值模型,模型長(zhǎng)度y為400 m,寬度x為200 m ,高度z為 94 m。其中,煤層高度為2.1 m。三維模型見(jiàn)圖4。

圖4 三維模型

本構(gòu)模型采用Mohr - Coulomb模型,模型各巖層參數(shù)見(jiàn)表1。模型上部施加約為16 MPa的等效載荷,模型其他面為固定約束。其中,K為體積模量,G為剪切模量,σt為抗拉強(qiáng)度,ρ為密度。

表1 模型巖層參數(shù)

3.2 超前應(yīng)力演化規(guī)律

為研究工作面超前應(yīng)力的演化規(guī)律,模擬工作面推進(jìn)不同長(zhǎng)度,獲得垂直應(yīng)力云圖,并沿煤層中部沿走向進(jìn)行云圖提取,如圖5所示。為獲得超前區(qū)域的應(yīng)力變化規(guī)律,以工作面走向?yàn)闄M軸,提取工作面煤層中部的支承應(yīng)力曲線(xiàn)及特征值,如圖6和表2所示。

表2 超前支承應(yīng)力分布特征

圖5 工作面推進(jìn)過(guò)程中垂直應(yīng)力云圖

圖6 工作面推進(jìn)不同長(zhǎng)度超前應(yīng)力分布曲線(xiàn)

由圖5可知,不同長(zhǎng)度下垂直應(yīng)力云圖分布規(guī)律相似。煤壁前方位置出現(xiàn)小范圍的高應(yīng)力區(qū)域,并受工作面推進(jìn)長(zhǎng)度影響相對(duì)較小。煤壁后方采空區(qū)垂直應(yīng)力明顯小于原巖應(yīng)力,隨著工作面推進(jìn),低應(yīng)力區(qū)域不斷擴(kuò)大,但最小應(yīng)力區(qū)域基本保持不變。其余位置為原巖應(yīng)力區(qū),未受采動(dòng)影響。綜合來(lái)看,工作面推進(jìn)不同長(zhǎng)度,超前應(yīng)力分布范圍影響大致相同。

由圖6可知,工作面推進(jìn)不同長(zhǎng)度L,支承應(yīng)力變化規(guī)律相似,沿著走向,支承應(yīng)力先平穩(wěn),后出現(xiàn)下降,再迅速增加,后逐漸下降至原巖應(yīng)力。支承應(yīng)力峰值為19.31 MPa,隨著工作面推進(jìn)長(zhǎng)度的增加,支承峰值有所增加,后保持穩(wěn)定。

工作面推進(jìn)25 m時(shí),峰值應(yīng)力為19.31 MPa;工作面推進(jìn)長(zhǎng)度為40 m時(shí),峰值應(yīng)力為19.29 MPa;隨后峰值應(yīng)力保持在20.7 MPa左右,這與理論計(jì)算結(jié)果一致。工作面推進(jìn)不同長(zhǎng)度峰值應(yīng)力距煤壁距離l的范圍為7～10 m,應(yīng)力集中系數(shù)K的范圍為1.21～1.3,基本保持在9 m左右,這與理論計(jì)算結(jié)果8.5 m存在一定誤差,誤差不超過(guò)5.8%,分析與模型精度有關(guān)。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

4.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案

工作面推進(jìn)時(shí),提前在工作面超前段布置鉆孔應(yīng)力計(jì),鉆孔應(yīng)力計(jì)間隔為30 m,沿巷道開(kāi)采幫布置,鉆孔深度為3 m,根據(jù)現(xiàn)開(kāi)采情況,共布置5個(gè)測(cè)點(diǎn),布置方案如圖7所示。從當(dāng)前開(kāi)采位置開(kāi)始記錄各測(cè)點(diǎn)鉆孔應(yīng)力計(jì)數(shù)據(jù),直到測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)全部失效,工作面推進(jìn)距離長(zhǎng)度為180 m,當(dāng)工作面經(jīng)過(guò)應(yīng)力計(jì)后,無(wú)法再采集數(shù)據(jù),因此,5個(gè)鉆孔的應(yīng)力數(shù)據(jù)只采集到工作面向前推進(jìn)150 m。

圖7 鉆孔應(yīng)力計(jì)布置方案

本次超前區(qū)域鉆孔應(yīng)力測(cè)量,使用鉆孔應(yīng)力計(jì)為YHY25礦用本安型鉆孔應(yīng)力計(jì),該應(yīng)力計(jì)由傳感器和儀表兩部分組成。傳感器重1.5 kg,外形尺寸為φ41 mm×315 mm。儀表重0.4 kg,外形尺寸為142 mm×100 mm×48 mm。通過(guò)紅外數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行采集數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)采集器重460 g,外形尺寸為198 mm×103 mm×35 mm。采用微處理器控制,通過(guò)紅外通信方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)礦用儀表的編號(hào)、采集時(shí)間設(shè)定、數(shù)據(jù)采集等功能,將采集到的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在內(nèi)置大容量存儲(chǔ)器中,通過(guò)適配器連接到地面終端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析。

在煤層開(kāi)采幫選取表面平整,高度大致位于巷道高度的中部位置,進(jìn)行打鉆孔,安裝鉆孔應(yīng)力計(jì),具體的施工過(guò)程及注意事項(xiàng)如下。

(1)在煤幫中部高度的位置,打鉆孔,要求鉆孔直徑不小于45 mm。鉆孔應(yīng)與安裝同步進(jìn)行,不宜提前打好鉆孔等待安裝,若等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng),容易造成塌孔,增加工作量。

(2)連接鉆孔應(yīng)力計(jì)傳感器與儀表的數(shù)據(jù)線(xiàn),多余的數(shù)據(jù)線(xiàn)應(yīng)按圈盤(pán)起,掛在不影響生產(chǎn)的較高位置。

(3)安裝鉆孔應(yīng)力計(jì),使用導(dǎo)向桿,保證傳感器垂直于煤層層理方向。

(4)通過(guò)外接桿,將鉆孔應(yīng)力計(jì)沿著鉆孔推送到指定位置。

(5)在紅外數(shù)據(jù)采集器上設(shè)置測(cè)點(diǎn)與記錄數(shù)據(jù),結(jié)合開(kāi)采情況,定期采集數(shù)據(jù)。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)各測(cè)點(diǎn)鉆孔應(yīng)力計(jì)的數(shù)據(jù),繪制工作面推進(jìn)過(guò)程中鉆孔應(yīng)力的變化曲線(xiàn),如圖8所示。

圖8 工作面推進(jìn)過(guò)程鉆孔應(yīng)力變化曲線(xiàn)

從圖8中可以看出, 當(dāng)工作面推進(jìn)位置距煤壁超過(guò)9 m時(shí),鉆孔應(yīng)力數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定,基本保持在16 MPa;隨著工作面煤壁不斷接近鉆孔應(yīng)力計(jì),應(yīng)力逐漸增大;當(dāng)兩者之間的距離為8.8 m左右時(shí),應(yīng)力達(dá)到峰值,應(yīng)力峰值為21.59 MPa;應(yīng)力峰值之后,鉆孔應(yīng)力計(jì)數(shù)值也在不斷減小,當(dāng)工作面煤壁經(jīng)過(guò)鉆孔應(yīng)力計(jì)后,鉆孔應(yīng)力計(jì)失效,無(wú)法測(cè)得數(shù)據(jù);距煤壁前方不同距離的應(yīng)力分布特征不同。當(dāng)距煤壁距離為3～9 m時(shí),應(yīng)力變化較大,受超前應(yīng)力影響較大;9 m時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力峰值;9～25 m時(shí),應(yīng)力變化范圍較大;當(dāng)距離大于25 m時(shí),應(yīng)力基本不變,保持在16 MPa,說(shuō)明該范圍受超前應(yīng)力影響較小。超前支承應(yīng)力與頂板性質(zhì)有關(guān),該工作面直接頂為9.6 m厚的砂巖,巖性較好,整體比較完整,不易發(fā)生破斷。因此,未出現(xiàn)明顯的斷裂回轉(zhuǎn),煤層上方產(chǎn)生的應(yīng)力較小。所以,該地質(zhì)條件下超前支承應(yīng)力影響相對(duì)較小。

5 結(jié) 論

(1)根據(jù)極限平衡理論,分析了回采工作面支承應(yīng)力的影響因素,并計(jì)算出工作面煤壁前方8.53 m處,超前支承應(yīng)力峰值為20.71 MPa。

(2)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件,建立了數(shù)值模型,模擬了工作面推進(jìn)過(guò)程,分析了支承應(yīng)力分布規(guī)律,在工作面煤壁前方9 m左右,峰值應(yīng)力保持在20.7 MPa左右。

(3)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)布置的鉆孔應(yīng)力計(jì)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果,可知超前支承應(yīng)力峰值位于工作面煤壁前方8.8 m,峰值應(yīng)力為21.59 MPa。