斜溝礦8號煤層采后上覆頂板破斷規(guī)律及力學(xué)分析

郝昭龍

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西 興縣 033602）

山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦設(shè)計生產(chǎn)能力1500萬t/a。斜溝煤礦正在開采13#和8#煤層。在8#煤層12采區(qū)的開采過程中，隨著工作面開采深度的增加和頂板巖石條件的變化，巷道頂板支護(hù)出現(xiàn)了一些問題，發(fā)生了幾次漏頂和冒頂?shù)氖鹿?，給礦井的安全生產(chǎn)帶來了很大隱患，嚴(yán)重影響了礦井的生產(chǎn)接續(xù)。如果借鑒相鄰礦井的資料來進(jìn)行工作指導(dǎo)，就會存在很大的盲目性和針對性，必將給礦井安全生產(chǎn)和防治水工作帶來安全隱患。因此探討煤礦頂板斷裂具有重要的意義，必將對工作面頂板維護(hù)和防治水工作提供可靠的理論基礎(chǔ)。

1 頂板破斷力學(xué)分析

1.1 留巷的圍巖結(jié)構(gòu)

隨著回采工作的不斷推進(jìn)，采空區(qū)面積不斷的增加，煤層上覆巖層的懸露面積也不斷擴(kuò)大，當(dāng)煤層頂板是堅硬的巖層時，由于巖層受到自身自重，上覆覆巖重量及煤層開采引起的應(yīng)力，頂板會在實(shí)體煤體上方發(fā)生斷裂，形成鉸接結(jié)構(gòu)[1-2]，如圖1所示。堅硬頂板的斷裂，會在回采工作面形成來壓突然增大、頂板出現(xiàn)整體冒落，此現(xiàn)象必然會引起上覆巖層發(fā)生較大的活動，留巷圍巖所受到的載荷勢必會增加，造成巷道維護(hù)困難。

圖1 留巷圍巖結(jié)構(gòu)圖

1.2 基本頂發(fā)生破斷對留巷煤柱的影響

工作面回采后，煤層的老頂在斷裂后會在采空區(qū)側(cè)形成關(guān)鍵塊體A、B、C，如圖1所示；關(guān)鍵塊A位于未采區(qū)域煤層上方、關(guān)鍵快B則是在采空區(qū)與未采區(qū)之間，一段處于未采的實(shí)體煤層上方，另一端則旋轉(zhuǎn)下沉，位于冒落的矸石之上[3-4]，關(guān)鍵塊C則整體位于冒落的矸石之上。由于老頂?shù)膸r性一般為堅硬的砂巖，強(qiáng)度、剛度較大。由于老頂受到較大的壓力，當(dāng)支撐關(guān)鍵塊B的實(shí)體煤及矸石無法阻止其旋轉(zhuǎn)下沉?xí)r，就會發(fā)生沉降。關(guān)鍵塊B的下沉量S和旋轉(zhuǎn)角θ可由下式求得：

其中任意點(diǎn)x處的基本頂給定變形量Sx為：

式中：M為工作面采高；∑h為直接頂厚度；k0為采空區(qū)矸石參與碎脹系數(shù)；θ為塊體B的旋轉(zhuǎn)角；L為塊體B的長度；X為距塊體B破斷位置的距離。

1.3 三角塊B相關(guān)參數(shù)

周期來壓步距L1、沿采空區(qū)向斷裂跨度L2，煤體中發(fā)生斷裂的位置x0，是三角塊B的重要參數(shù)。三角塊B的基本尺寸以及通過基本頂在周期來壓時的斷裂模式和周期來壓步距可以由公式（4）、（5）確定[5-6]。由材料力學(xué)的先關(guān)理論可知周期來壓步距計算公式為：

式中：h為基本頂厚度，取24.0m；RT為基本頂抗拉強(qiáng)度，根據(jù)巖石力學(xué)試驗結(jié)果取4.5MPa；Q為基本頂單位面積承受的載荷，本計算中取基本頂自身的重量2.5MPa。

經(jīng)過計算可得出周期來壓步距為35m。

根據(jù)對82401、82403兩個工作面礦壓觀測可知，82401、82403工作面的周期來壓步距為10～38m。

利用上式公式可知側(cè)向斷裂跨度L2計算公式為：

通過計算可知，三角塊B的懸跨度范圍為：11～31m。

由此可見，三角塊的懸跨范圍是與周期來壓步距的基本一致。因此在端頭形成的弧形板通常為等邊三角形，這與現(xiàn)場觀測的結(jié)果相一致。由于弧形板的斷裂決定了煤柱應(yīng)力的峰值與范圍，因此適當(dāng)縮短端頭弧形板的長度，對煤柱的穩(wěn)定性及底鼓均可以起到緩解作用。通過對82401工作面的礦壓觀測可知，在末采過程中，周期來壓步距一般為14m左右，底鼓量基本沒有。因此可以通過周期來壓步距或者結(jié)合距離工作面貫通距離然后來決定是否需要對頂板做出相應(yīng)處理。

2 煤柱及實(shí)體煤幫的橫向擴(kuò)容變形分析

老頂作用在實(shí)體煤體上的豎向及側(cè)向應(yīng)力會導(dǎo)致護(hù)巷煤柱及實(shí)體煤體在豎向發(fā)生壓縮變形，導(dǎo)致側(cè)向發(fā)生擴(kuò)容，從而使得實(shí)體煤體發(fā)生變形。根據(jù)相應(yīng)的幾何關(guān)系，建立如下圖2所示的留巷小結(jié)構(gòu)橫向變形的計算模型，并分析實(shí)體煤幫以及煤柱的橫向變形。

圖2 頂板橫向變形示意圖

如圖 2 所示，d1、d2、d3分別為老頂在該處的豎向沉降量，△1、△2、△3分別為該點(diǎn)處煤體的側(cè)向變形值。

d1、d2、d3的求解可由下式求得：

相關(guān)專家學(xué)者的研究表明，支撐頂板的護(hù)巷煤柱及實(shí)體煤體的變形與老頂?shù)膸r性有較大關(guān)系。當(dāng)老頂巖性較為堅硬時，支撐頂板的煤體的變形量會明顯大于軟弱老頂時的變形量。相關(guān)的測量及數(shù)值模擬研究指出，相同條件下，堅硬頂板引起的支撐煤體的變形量值是軟弱頂板時的變形量值的2.5～4倍。

綜上，當(dāng)煤層頂板較為堅硬時，留巷的變形控制是較為困難的，需要適當(dāng)?shù)膶敯暹M(jìn)行處理。

3 煤柱的破碎對頂?shù)装宓挠绊?/h2>

在礦井中，留巷滯后段經(jīng)常發(fā)生大變形和圍巖破壞，巷道斷面收縮率經(jīng)常達(dá)到50%以上，這主要是因為受到回采及巷道掘進(jìn)產(chǎn)生的動壓影響，煤柱表面發(fā)生一定的彈塑性破壞，煤柱本身的支撐強(qiáng)度降低，此時應(yīng)當(dāng)在煤柱的上方采用錨網(wǎng)索相結(jié)合的支護(hù)方式，而下部則是無支護(hù)的圍巖。

回采巷道的幫部穩(wěn)定性對于底板的穩(wěn)定性有非常重要的影響。當(dāng)支撐煤柱受到較大的支承壓力時，支撐煤柱表層會產(chǎn)生塑性破壞，進(jìn)而對巷道底板產(chǎn)生一定的擠壓作用，引起底板的滑移或者剪切破壞。

圖3 底角承載性能弱化區(qū)

如圖3是應(yīng)力云圖是斜溝礦82401回采工作面靠后方100m左右的位置巷道截面內(nèi)的最小主應(yīng)力分布情況圖。

FlAC3D數(shù)值模擬結(jié)果中，壓應(yīng)力用負(fù)值表示，巷道圍巖受力主要以壓應(yīng)力為主。巷道受到回采及巷道掘進(jìn)作用影響下的承載能力可用最小主應(yīng)表示。從圖3可知，巷道實(shí)體煤體與底板相交出的底角是整個巷道受力相對較弱的區(qū)域，這也從力學(xué)角度解釋了巷幫低側(cè)角處發(fā)生滑移剪切破壞的原因。

留巷煤柱和煤幫的強(qiáng)度都是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于頂?shù)装宓膸r層強(qiáng)度，因此護(hù)巷煤柱及實(shí)體煤側(cè)的破裂范圍及程度會較煤層頂?shù)装鍘r層大的多，因此在巷道支護(hù)時應(yīng)對圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)的薄弱部位加強(qiáng)支護(hù)?；夭晒ぷ髅婕熬蜻M(jìn)工作面產(chǎn)生的動壓會使護(hù)巷煤柱及實(shí)體煤側(cè)表面發(fā)生一定塑性破壞，煤體深部會存在一定的彈性變形，在采掘的不斷影響作用下，表明煤體的損傷程度進(jìn)一步增加且向煤體深部延伸，使得煤體的承載能力降低，煤體從表面向深部內(nèi)不斷擴(kuò)展的塑性破壞就相當(dāng)于增加了巷道的寬度，變相減少了護(hù)巷煤柱的有效寬度。若是把巷道頂板的受力情況簡化成簡支梁結(jié)構(gòu)，巷道廣義寬度的增加與頂板內(nèi)部的最大拉應(yīng)力是呈現(xiàn)出平方的增長的關(guān)系。巷道的廣義寬度增加會導(dǎo)致巷道頂板受力情況趨于復(fù)雜，巷道頂板發(fā)生較大的變形。巷道圍巖支護(hù)理論中的“強(qiáng)幫控頂”支護(hù)技術(shù)思想就是表面，巷道兩幫強(qiáng)度的增加能有效降低巷道頂板受力，降低頂板下沉量。廣義上分析，“強(qiáng)幫控頂”技術(shù)相當(dāng)于變相的減少巷道頂板巖層跨度，改善巷道頂板的受力狀況，降低頂板下沉量，有助于提高巷道整體的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語

通過對頂板破斷力學(xué)、頂板側(cè)向運(yùn)動、煤柱及實(shí)體煤幫的橫向擴(kuò)容變形及煤柱的破碎對巷道變形的分析，可知：

1）造成巷道發(fā)生較大變形的主要原因是由于側(cè)向弧形板的運(yùn)動而造成的

2）斜溝礦的周期來壓步距為10～38m，相應(yīng)的弧形板長度為11～31m。

3）臥底能有效處理巷道底角破碎區(qū)域，但同時可能引起巷道圍巖結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)，因此保證巷道穩(wěn)定的關(guān)鍵煤幫穩(wěn)定。