堅(jiān)硬厚頂板矸石充填工作面礦壓顯現(xiàn)特征

李小萌，孔德中

(中國礦業(yè)大學(xué) (北京)資源與安全工程學(xué)院，北京100083)

按固支梁計(jì)算，基本頂?shù)臉O限跨距L為:

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國僅國有重點(diǎn)煤礦生產(chǎn)礦井的“三下”壓煤達(dá) 13.79Gt，其中建筑物下壓煤9.468Gt，解決該難題在煤炭資源瀕臨枯竭而經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的東部礦區(qū)顯得尤為迫切［1－5］。

近些年來，許多學(xué)者在充填材料特性、充填裝備開發(fā)以及充填開采的覆巖移動(dòng)規(guī)律等方面進(jìn)行了卓有成效的研究。如王家臣教授通過研究充填開采的支架與圍巖關(guān)系確立了頂板載荷的估算方法;繆協(xié)興提出了固體充填采煤的“等價(jià)采高”理論和充填支架的設(shè)計(jì)思路;劉長友分析了全部充填條件下充填體的壓縮率對(duì)上覆巖層活動(dòng)的影響;張振南等研究了松散巖塊的壓實(shí)規(guī)律，為矸石作為充填骨料的力學(xué)特性研究提供了依據(jù)［6－11］。然而，矸石充填開采時(shí)的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律主要受工作面地質(zhì)條件、充填率、充填體的力學(xué)性質(zhì)等因素的綜合影響［12－18］。深入研究堅(jiān)硬厚頂板條件下矸石充填開采的礦壓顯現(xiàn)特征，為工作面可能遭受的大面積切頂沖擊事故預(yù)防、合理的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)以及充填開采設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 矸石充填開采的覆巖移動(dòng)形式

如圖1所示，矸石充填開采時(shí)，頂板破斷形式主要有以下3種:

(1)直接頂垮落形式如圖1(a)所示，直接頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)空間包括充填體欠接頂量Sk和充填體在冒落頂板作用下的壓縮量Δ，當(dāng)直接頂?shù)淖畲髶隙葃max＜Sk+Δ時(shí)，直接頂垮落，隨著工作面推進(jìn)，基本頂產(chǎn)生彎曲下沉，若充填欠接頂量較大，基本頂有足夠的下沉空間從而破斷，造成工作面的周期來壓，但較一般垮落法開采仍然限制了頂板的回轉(zhuǎn)空間，從而大大降低了工作面的來壓強(qiáng)度。

圖1 矸石充填開采時(shí)頂板破斷形式

(2)直接頂彎曲下沉形式，如圖1(b)所示，當(dāng)直接頂較軟而充填密實(shí)度較好時(shí)，若ymax＞Sk+Δ，則充填體的存在限制了直接頂?shù)膹澢鲁?，此時(shí)，直接頂與充填體接觸面處的曲率為0，且直接頂不會(huì)垮落而是隨工作面推進(jìn)逐步彎曲下沉，工作面無明顯的周期來壓。

(3)堅(jiān)硬頂板下層位破斷形式，如圖1(c)所示，當(dāng)無軟弱直接頂、煤層之上為堅(jiān)硬且厚度大的基本頂時(shí)，由于基本頂?shù)淖畲笙鲁亮縎max＜Sk，故此時(shí)頂板與充填矸石不產(chǎn)生力的作用，巖石抗壓不抗拉的性質(zhì)決定了基本頂沿下位弱面首先受拉破壞而產(chǎn)生破斷。

當(dāng)工作面圍巖賦存如圖1的(a)和(b)所示時(shí)，可以通過改善充填工藝提高充填率、合理的充填材料配比以降低充填體的壓縮率以及提高支架工作阻力等方式控制直接頂?shù)淖冃危瑥亩ＷC將盡可能多的充填材料充入采空區(qū)，最終實(shí)現(xiàn)控制地表變形的目的。而圖1(c)所示的堅(jiān)硬厚頂板下沉量很小，提高支架阻力對(duì)頂板控制效果不明顯，只能從充填工藝和充填材料的選擇方面提高充填率，降低頂板突然破斷對(duì)工作面造成的沖擊。

2 實(shí)例分析

2.1 工程技術(shù)條件

2911綜采面位于郭二莊礦二坑下組煤一采區(qū)，煤層傾角4～17°，平均10°，煤層埋深為223.1～ 282.6m。主采9號(hào)煤層總厚度2.96～6.71m，平均厚度4.08m。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含2～3層夾矸。煤層中上部有一層較穩(wěn)定的夾矸層，平均厚度0.8m，巖性一般以粉砂為主，局部段夾矸層泥質(zhì)灰?guī)r很堅(jiān)硬。此夾矸之上0～2.3m為一極不穩(wěn)定的煤層，平均厚度0.7m。夾矸以下煤層厚度1.5～3.5m，煤層內(nèi)有0～2層較薄含碳質(zhì)矸層，巖性以碳質(zhì)泥巖為主。9號(hào)煤頂板 (基本頂)為燕山期巖漿侵入體 (閃長巖)，呈巖床式覆蓋，厚度 19.49～28.23m，平均24.25m，采面中部風(fēng)巷附近較厚達(dá)26m以上，綜采面南北兩頭運(yùn)巷附近較薄，為21～22m。閃長巖構(gòu)成采面頂板凹凸不平，與煤層呈假整合接觸，這對(duì)采面頂板支護(hù)造成很大困難。煤層綜合柱狀圖如圖2所示。

圖2 煤層綜合柱狀

2.2 堅(jiān)硬頂板運(yùn)動(dòng)形式分析

由于2911工作面基本頂強(qiáng)度高 (Ⅳb級(jí))、厚度大 (24.5m)，提出基本頂巖梁的受力模型如圖3所示。

圖3 基本頂受力模型

按固支梁計(jì)算，基本頂?shù)臉O限跨距L為:

式中，h為基本頂上覆巖層高度，取24.5m;RT為基本頂?shù)目估瓘?qiáng)度，取12MPa;q為基本頂所受上覆巖層的載荷。

此時(shí)，基本頂?shù)淖畲髶隙葹?

式中，E，I分別為基本頂?shù)膹椥阅Ａ亢蛻T性矩。

由于充填開采時(shí)充填工藝等方面原因，充填體的欠接頂量 (約為400～500mm左右)遠(yuǎn)大于基本頂?shù)淖畲髶隙葃max，故基本頂將不會(huì)與充填體接觸并產(chǎn)生力的作用。當(dāng)工作面推進(jìn)到一定距離時(shí)，基本頂極有可能產(chǎn)生大面積切頂，給工作面安全生產(chǎn)造成極大威脅。因此，工作面每推進(jìn)一定距離，在采空區(qū)進(jìn)行強(qiáng)制放頂以避免事故發(fā)生。

當(dāng)強(qiáng)制放頂后，基本頂巖梁為懸臂梁形式，如圖4所示。

圖4 基本頂懸臂梁模型

按材料力學(xué)，控頂距處懸臂梁的最大撓度為:

式中，lk為控頂距，取為支架長度8.29m;lz為基本頂?shù)膽衣堕L度，取25m。

即在覆巖壓力單獨(dú)作用下 (不考慮支架對(duì)控頂距內(nèi)位移的影響)，控頂距處位移最大為4.36mm，此時(shí)充填支架的作用不再是限制頂板位態(tài)以保證盡量多的充填料充入采空區(qū) (由于基本頂?shù)膹?qiáng)度高、厚度大，支架無力，也不需要限制頂板的下沉)，而是為采煤和充填作業(yè)提供掩護(hù)空間。

2.3 充填開采的相似模擬研究

按照幾何相似、動(dòng)力相似和運(yùn)動(dòng)相似原則，以煤層綜合柱狀圖為基礎(chǔ)鋪設(shè)模型，鋪設(shè)總高度為842.7mm。利用模具預(yù)制充填體試塊模擬矸石充填。不同巖層高度以及充填體試塊內(nèi)均預(yù)埋設(shè)應(yīng)變片以監(jiān)測(cè)巖層和充填體內(nèi)的應(yīng)力分布。

模型鋪設(shè)完成后，經(jīng)過風(fēng)干，模型及充填體均達(dá)到預(yù)定強(qiáng)度后，進(jìn)行工作面的回采及充填模擬?？紤]邊界效應(yīng)，首先從模型距左邊界200mm處開挖，開挖進(jìn)尺為50mm，并及時(shí)進(jìn)行充填。首先保留一定欠接頂量進(jìn)行充填開采模擬，然后逐漸提高充填率觀察巖層的移動(dòng)情況。

如圖5所示，由于開挖初始充填體與頂板之間存在一定的欠接頂量，隨工作面推進(jìn)下位堅(jiān)硬頂板首先與上位頂板產(chǎn)生離層，當(dāng)工作面推進(jìn)至50m時(shí)(圖5(a))下位頂板破斷垮落成整齊的巖塊排列在充填體上，上覆巖層未產(chǎn)生明顯的較大裂隙或破斷，而是與下位巖層緩慢協(xié)調(diào)下沉的形式，火成巖頂板下部與上部巖層之間產(chǎn)生5mm左右的離層。之后適當(dāng)減小欠接頂量，即加大充填密實(shí)度，推進(jìn)115m時(shí)(圖5(b))頂板緩慢下沉壓實(shí)充填體，離層在上覆巖層的壓實(shí)下逐漸閉合。

圖5 工作面推進(jìn)50m和115m時(shí)覆巖移動(dòng)

圖6為不同開挖距離時(shí)支承壓力分布情況，由圖6可知，工作面推進(jìn)到50m之前，由于頂板厚度大、強(qiáng)度高，承擔(dān)了覆巖的大部分壓力，煤壁上的支承壓力較小。隨工作面推進(jìn)距離的增大，下位頂板破斷，支承壓力作用下的峰值逐漸增大，而作用位置仍然在煤壁附近。

圖6 不同開挖距離時(shí)支承壓力分布曲線

圖7中1－25至1－28為火成巖頂板中沿工作面不同位置的測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化曲線?；鸪蓭r頂板上測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力總體較小。在工作面推進(jìn)0～50m過程中，支承壓力變化不明顯，基本呈穩(wěn)步緩慢增加趨勢(shì)，當(dāng)工作面推進(jìn)到55m左右時(shí)，此時(shí)基本頂破斷，支承壓力出現(xiàn)第1次小幅增加，達(dá)到0.5MPa左右;當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)到85m時(shí)，由于提高充填率，減小了欠接頂量，基本頂彎曲下沉壓實(shí)充填體，支承壓力增加到1.5MPa，造成來壓強(qiáng)度較小。

圖7 支承壓力變化曲線

3 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

3.1 綜采工作面工作阻力在線監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

工作面安裝6臺(tái)壓力傳感器監(jiān)測(cè)分站，每臺(tái)壓力分站監(jiān)測(cè)1組支架的3個(gè)測(cè)點(diǎn)。分別選取上、中、下部3臺(tái)支架 (7號(hào)、26號(hào)、44號(hào)支架)，將工作阻力繪制成圖(圖8)。

圖8 支架工作阻力與推進(jìn)距離關(guān)系

支架后柱的工作阻力普遍大于前柱，這在工作面兩端尤其明顯。由于工作面俯斜開采矸石向工作面方向下滑壓架，使充填密實(shí)度偏低，堅(jiān)硬火成巖頂板回轉(zhuǎn)下沉，從而導(dǎo)致后柱壓力較前柱偏高，而中部由于充填效果較好，充填體承擔(dān)了部分頂板的壓力，致使后柱壓力大于前柱現(xiàn)象不明顯。此外，工作面沒有明顯的周期來壓。工作面每推進(jìn)15～25m左右，支架的工作阻力就會(huì)有整體的增高現(xiàn)象，但基本不會(huì)超過支架的額定工作阻力(36.1MPa)。堅(jiān)硬頂板條件下，直接頂是充填開采的關(guān)鍵層，上覆巖層壓力導(dǎo)致直接頂?shù)木徛鲁?，支架壓力變化幅度較小。

將工作面所有支架的前、后柱工作阻力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖9所示。

充填開采工作面支架的壓力整體偏低，達(dá)到支架額定工作阻力 (36.1MPa)的比例不足5%，支架工作阻力范圍主要集中在15～25MPa之間，說明堅(jiān)硬厚頂板承擔(dān)了大部分的覆巖壓力，導(dǎo)致支架載荷偏小，不再需要支架提供較高的工作阻力限制頂板下沉。

圖9 支架工作阻力分布

3.2 充填體應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

在回采巷道采空區(qū)設(shè)置3條測(cè)線分別為距一側(cè)端頭10m，40m，70m，每條測(cè)線布置3臺(tái)巷道充填體應(yīng)力儀器，共6組，18個(gè)測(cè)點(diǎn)。圖10為充填體應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果。

圖10 充填體應(yīng)力變化

由于工作面兩端頭處充填密實(shí)度小于中部，故兩端 (距一側(cè)巷道10m和70m處)充填體應(yīng)力明顯小于中部(40m處);工作面中部40m處，工作面每推進(jìn)15～20m，充填體的應(yīng)力就會(huì)有小幅升高，而同樣在兩端頭處每推進(jìn)30～40m左右頂板壓力才有小幅升高。充填體應(yīng)力監(jiān)測(cè)值普遍較小，這說明由于堅(jiān)硬頂板的高強(qiáng)度和厚度大的特征限制了其下沉量，不再以緩慢下沉形式運(yùn)動(dòng)。

3.3 巷道圍巖離層監(jiān)測(cè)過程

工作面每隔30m安裝1組測(cè)點(diǎn) (傳感器)，分段布置。每組測(cè)點(diǎn)有2個(gè)位移基點(diǎn)，其中淺基點(diǎn)B的安裝深度2.2m，深基點(diǎn)A的安裝深度8.5m。由圖11可知，工作面推進(jìn)過程中，2911運(yùn)輸巷的頂板離層值出現(xiàn)多次增大減小的過程，說明在工作面推進(jìn)過程中，頂板下層位離層經(jīng)歷了反復(fù)的離層、壓實(shí)的過程。在此階段，受前次采動(dòng)離層影響，之后的離層較前次顯著增大，在一定階段內(nèi)整體以近似冪函數(shù)的形勢(shì)呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。

圖11 2911運(yùn)輸巷頂板離層值

4 結(jié)論

(1)矸石充填開采時(shí)，按照圍巖賦存特征和充填密實(shí)度將頂板的運(yùn)動(dòng)破斷形式主要分為直接頂垮落、直接頂彎曲下沉和堅(jiān)硬頂板下層位破斷。

(2)堅(jiān)硬厚頂板下矸石充填開采時(shí)，頂板的撓度遠(yuǎn)小于充填體的欠接頂量，頂板與充填體間不產(chǎn)生力的作用，實(shí)測(cè)支架工作阻力普遍小于額定工作阻力，此時(shí)支架不再需要提供高工作阻力限制頂板下沉。

(3)堅(jiān)硬頂板破斷前離層主要出現(xiàn)在下層位，離層量發(fā)展呈現(xiàn)反復(fù)離層壓實(shí)的特征，且每次離層都較前一次顯著增大。

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