堅(jiān)硬頂板切頂卸壓垮落規(guī)律研究

云 明，婁慶楠，李廷春，趙仁樂(lè)，武善元，朱慶文

(1.山東能源臨沂礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東 臨沂 276017；2.山東科技大學(xué)山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266590)

堅(jiān)硬頂板在開(kāi)采過(guò)程中難以垮落，形成大面積懸頂聚集大量彈性勢(shì)能，突然垮落易引起大面積來(lái)壓，形成颶風(fēng)沖擊，威脅工作面人員和設(shè)備安全[1]，如安平煤礦曾突發(fā)堅(jiān)硬頂板垮落事故，造成多人遇難[2]。因此，為了保證回采工作面的生產(chǎn)安全，必須對(duì)堅(jiān)硬頂板進(jìn)行弱化處理，確保其合理垮落[3]。目前，工程中弱化頂板的方法主要有注水弱化和爆破弱化，而對(duì)于致密堅(jiān)硬、吸水性差的堅(jiān)硬頂板只能采用爆破進(jìn)行切頂卸壓的方法[4]。

針對(duì)切頂卸壓對(duì)堅(jiān)硬頂板垮落規(guī)律的影響，眾多學(xué)者開(kāi)展了一系列研究。孫闖等[5]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查及室內(nèi)試驗(yàn)方法分析煤巖層巖體的力學(xué)特性，采用室內(nèi)相似材料模擬實(shí)驗(yàn)方法及離散元數(shù)值計(jì)算方法研究急傾斜煤層堅(jiān)硬頂板的塌落規(guī)律；何東旭[6]通過(guò)數(shù)值模擬分析，確定采用超前預(yù)裂爆破弱化頂板可減小堅(jiān)硬頂板垮落步距，達(dá)到人為控制采場(chǎng)頂板垮落目的；王拓等[7]通過(guò)分析堅(jiān)硬頂板的巖梁結(jié)構(gòu)、力學(xué)特性，建立初次來(lái)壓雙固支梁模型，提出采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)解決多層厚度較大堅(jiān)硬巖層垮落步距大、周期斷裂懸頂長(zhǎng)、危害工作面安全生產(chǎn)的問(wèn)題。上述研究成果為開(kāi)展切頂卸壓對(duì)堅(jiān)硬頂板垮落規(guī)律的影響研究具有借鑒意義。

切頂卸壓技術(shù)雖然可解決堅(jiān)硬頂板難以垮落等問(wèn)題，但是頂板巖性及結(jié)構(gòu)特征對(duì)垮落規(guī)律影響較大，目前尚未形成完整的堅(jiān)硬頂板切頂卸壓垮落規(guī)律理論計(jì)算體系。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)堅(jiān)硬頂板垮落步距的有效控制，本文以邱集煤礦1102工作面堅(jiān)硬頂板為研究對(duì)象，理論分析了切頂卸壓前后頂板的垮落特征，并現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)了頂板的垮落步距，進(jìn)而突出切頂卸壓對(duì)堅(jiān)硬頂板垮落規(guī)律的影響，對(duì)同類型地質(zhì)條件下煤礦開(kāi)采具有借鑒意義。

1 工程地質(zhì)條件

邱集煤礦位于黃河北煤田，受奧灰水威脅，開(kāi)采困難，取邱集煤礦1102工作面為研究對(duì)象。 1102工作面煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬穩(wěn)定煤層，煤層埋深為420～470 m，煤層平均厚度為2.02 m，傾角平均為4°，屬于近水平煤層，探測(cè)原煤儲(chǔ)量1.8萬(wàn)t。1102工作面切眼(走向)長(zhǎng)度52 m，傾向長(zhǎng)度173 m，采用傾斜長(zhǎng)壁后退式采煤法，綜合機(jī)械化采煤，全部垮落法管理頂板，一次采全高，每循環(huán)推進(jìn)度為0.6 m。1102工作面直接頂為五灰，厚度為1.50～2.25 m，平均2.01 m，單軸抗壓強(qiáng)度平均為95.42 MPa；基本頂為四灰，厚度為4.25～5.90 m，平均5.13 m，單軸抗壓強(qiáng)度平均為81.35 MPa。頂板巖石為極堅(jiān)固巖石，屬堅(jiān)硬難冒落頂板。直接底板主要為粉砂巖，次為泥巖或黏土巖，局部有炭質(zhì)泥巖或黏土巖偽底。頂?shù)装鍘r性見(jiàn)圖1。

圖1 頂?shù)装鍘r性圖Fig.1 Lithogram of roof and floor

2 頂板巖層垮落規(guī)律理論分析

2.1 切頂卸壓前后理論分析

頂板初次垮落步距是衡量頂板穩(wěn)定程度的主要標(biāo)志，初次垮落步距有按“梁”計(jì)算和按“板”計(jì)算兩種方法[8-9]。對(duì)于堅(jiān)硬頂板，一般工作面的長(zhǎng)度大于初次來(lái)壓步距的2倍，即比值a≤0.5時(shí)可以采用巖梁模型估算，當(dāng)比值a>0.5時(shí)采用巖板模型計(jì)算[10]。根據(jù)煤層深度及覆巖結(jié)構(gòu)特性，切頂卸壓前按雙固支梁模型計(jì)算各巖層的初次垮落步距和周期垮落步距，見(jiàn)式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中：Li、Liz為第i層巖層未切頂初次垮落步距和周期垮落步距，m，其中，i=1，2，3，…，n；hi為第i層巖層厚度，m，其中，i=1，2，3，…，n；[σt]為巖層抗拉強(qiáng)度，GPa；(qi+n)i為施加于第i層巖層上的荷載，kPa，其中，i=1，2，3，…，n。

采用深孔聚能預(yù)裂爆破技術(shù)進(jìn)行切頂卸壓，切斷了直接頂至基本頂巖層切縫面兩側(cè)頂板之間聯(lián)系。因此，可將頂板簡(jiǎn)化成懸臂梁模型計(jì)算[11]。同時(shí)，考慮巷道巖層對(duì)巖梁的側(cè)向壓力將垂直作用在巖梁側(cè)面和巖梁與巷道巖層間不規(guī)則巖石的機(jī)械咬合力阻止巖梁撓曲變形，不利于巖梁垮落，為簡(jiǎn)化計(jì)算，將側(cè)向壓力和機(jī)械咬合力等效成垂直懸臂梁側(cè)面的阻抗力Q，懸臂梁受力計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 懸臂梁受力計(jì)算模型Fig.2 Cantilever beam force calculation model

懸臂梁在開(kāi)采過(guò)程中隨著長(zhǎng)度的增加會(huì)產(chǎn)生一定的撓度彎曲，懸臂梁的下落高度是以實(shí)體煤層為坐標(biāo)原點(diǎn)向外遞增的曲線，懸臂梁撓度與其長(zhǎng)度的四次方成正比。為簡(jiǎn)化計(jì)算，假定為曲線為y=αx4，對(duì)曲線積分，可得，當(dāng)懸臂梁長(zhǎng)度為L(zhǎng)0時(shí)可近似認(rèn)為巷道巖層和巖梁間的阻抗力和摩阻力為式(3)和式(4)。

(3)

P=Qf

(4)

式中：Q為懸臂梁阻抗力，kN；S為巖梁未彎曲時(shí)巖梁與巷道巖層的接觸面積，m2；α為懸臂梁下沉曲線系數(shù)，根據(jù)采空區(qū)高度確定；λ為巖層側(cè)向壓力系數(shù)；P為巖梁摩阻力，kN；f為巖石摩擦系數(shù)，泥巖取0.3，其余巖層取0.6。

切頂卸壓后直接頂至基本頂巖層的初次垮落步距和周期垮落步距，計(jì)算見(jiàn)式(5)和式(6)。

(5)

(6)

式中：Lqi、Lqiz為第i層巖層切頂卸壓后初次垮落步距和周期垮落步距，m，其中，i=1，2，3，…，n。

2.2 荷載計(jì)算

在進(jìn)行垮落步距計(jì)算之前，應(yīng)對(duì)頂板及各巖層上覆均布荷載進(jìn)行計(jì)算，1102工作面各巖層厚度及巖性不同，所以需要逐層計(jì)算各層巖層的荷載。由巖梁的經(jīng)典覆巖荷載計(jì)算理論[12]，第i層巖層荷載計(jì)算見(jiàn)式(7)。

(7)

式中：(qn)i為考慮第i層巖層上方n層巖層時(shí)，對(duì)第i層巖層的荷載，kPa，其中，i=1，2，3，…，n；Ei，…，Ei+n為各巖層的彈性模量，GPa，其中，i=1，2，3，…，n；hi，…，hi+n為各巖層厚度，m；γi，…，γi+n為各層巖層容重，N/m3，其中，i=1，2，3，…，n。

根據(jù)式(7)計(jì)算第i層巖層的上覆巖層對(duì)第i層巖層的作用荷載，當(dāng)(qi+n-1)i<(qi+n)i時(shí)，(qi+n)i就可作為施加于第i層巖層上的荷載，即第i層巖層上方n+1層及其上巖層對(duì)第i層荷載不起作用，各巖層參數(shù)及計(jì)算出的巖層荷載具體見(jiàn)表1。

表1 頂板各巖層參數(shù)及荷載Table 1 Parameters and load of each rock layer on the roof

2.3 理論計(jì)算結(jié)果分析

頂板巖層所處的層位、強(qiáng)度、厚度及荷載大小，決定了巖層各層同步下落還是逐次分層下落[13]。隨著巖梁長(zhǎng)度增加，巖梁下落高度逐漸增加，但是機(jī)械咬合力會(huì)逐漸減小。根據(jù)1102工作面頂板的巖性及結(jié)構(gòu)特征，假定懸臂梁梁長(zhǎng)度大于10 m時(shí)不考慮機(jī)械咬合力，可計(jì)算出α，同時(shí)，當(dāng)冒落碎石充滿采空區(qū)時(shí)上部巖層不再垮落。其中，堅(jiān)硬巖石的碎膨脹系數(shù)取1.2～1.3。

根據(jù)式(1)、式(2)、式(5)和式(6)計(jì)算出切頂卸壓前后各巖層初次垮落步距和周期垮落步距，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。其中，工況1為切頂卸壓前初次垮落步距，工況2為切頂卸壓后初次垮落步距，工況3為切頂卸壓前周期垮落步距，工況4為切頂卸壓后周期垮落步距。 由圖3可知，切頂卸壓前后直接頂(五灰)的初次垮落步距分別為26.66 m和9.13 m，垮落高度均為2.01 m。由此可知，切頂卸壓后直接頂?shù)某醮慰迓洳骄鄿p小65.8%。未進(jìn)行切頂卸壓時(shí)，基本頂(四灰)的初次垮落步距為45.41 m，周期垮落步距為18.54 m；切頂卸壓后，基本頂?shù)某醮慰迓洳骄酁?5.64 m，周期垮落步距為12.82 m。 切頂卸壓后基本頂?shù)某醮魏椭芷诳迓洳骄喾謩e減小43.5%和30.9%。切頂卸壓后，L1≥L2說(shuō)明第2層頂板與第1層頂板同時(shí)垮落，垮落高度為3.15 m，隨后是第3層巖層垮落，垮落高度為5.13 m，由于第4層巖層垮落后巖石的碎膨脹系數(shù)為1.11，所以，第4層及以上巖層均未垮落。

圖3 切頂卸壓前后各巖層初次和周期垮落步距Fig.3 First and periodic collapse step distance of eachrock layer before and after roof cutting andpressure release

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 監(jiān)測(cè)方案

通過(guò)圍巖移動(dòng)傳感器采集的頂板離層量和頂板的來(lái)壓特征分析頂板的垮落特征。圍巖移動(dòng)傳感器GUW240W使用無(wú)線一體式結(jié)構(gòu)(圖4)，圍巖移動(dòng)傳感器在工作面綜采支架前探梁的空隙進(jìn)行安裝，1102工作面共安裝9臺(tái)圍巖移動(dòng)傳感器，分別布置在L1號(hào)鉆孔～L9號(hào)鉆孔，監(jiān)測(cè)最長(zhǎng)周期為47 h，最短周期為19 h。采用KJ24全無(wú)線礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)1102工作面支架工作阻力，1102工作面長(zhǎng)52 m，共35臺(tái)ZY5000/15/32型掩護(hù)式支架，約每5組支架布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共布置7個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)配備1臺(tái)兩測(cè)點(diǎn)的YHY60W(A)礦用本安型數(shù)字壓力計(jì)(圖5)。監(jiān)測(cè)傳感器布置平面圖如圖6所示。

圖4 圍巖移動(dòng)傳感器Fig.4 Surrounding rock movement sensor

圖5 綜采支架圖Fig.5 Comprehensive mining support

圖6 監(jiān)測(cè)傳感器布置平面圖Fig.6 Monitoring sensor layout plan

3.2 離層監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)推采進(jìn)度，工作面頂板圍巖移動(dòng)傳感器安裝在設(shè)計(jì)位置，隨著采面推進(jìn)，儀器逐漸遠(yuǎn)離工作面并進(jìn)入采空區(qū)；隨著頂板垮落，監(jiān)測(cè)失效，由此可以反映頂板的垮落特征。布置在L1號(hào)鉆孔～L7號(hào)鉆孔的圍巖移動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)到有效數(shù)據(jù)，選取L1號(hào)鉆孔～L4號(hào)鉆孔數(shù)據(jù)觀測(cè)，進(jìn)而判斷直接頂和基本頂?shù)目迓涮卣?，L1號(hào)鉆孔～L4號(hào)鉆孔圍巖移動(dòng)傳感器埋深及基點(diǎn)位移見(jiàn)圖7；隨時(shí)間變化曲線情況見(jiàn)圖8。

由圖7可知，在2～5 m高度范圍內(nèi)，隨著頂板厚度增加，頂板圍巖下沉量呈增大趨勢(shì)，且此圍巖下沉量條件下頂板發(fā)生折斷，在采煤和綜采支架移動(dòng)過(guò)程中，常伴有頂板斷裂聲響，隨后垮落，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相吻合。在綜采支架移動(dòng)后頂板圍巖下沉量增加以淺基點(diǎn)為主，深基點(diǎn)圍巖下沉量增加較小；在4～11 m范圍內(nèi)，在采動(dòng)影響下，頂板圍巖下沉量平均為48.25 mm，0～4 m范圍內(nèi)圍巖下沉量平均為171.25 mm。因此，當(dāng)頂板位于綜采支架后方在自重和頂板壓力作用下，頂板五灰和四灰部分巖層發(fā)生折斷，隨綜采支架移動(dòng)而產(chǎn)生冒落。

由圖8可知，工作面頂板隨推采及時(shí)垮落，同時(shí)，結(jié)合1102工作面開(kāi)采進(jìn)尺和圍巖移動(dòng)傳感器工作時(shí)長(zhǎng)可推測(cè)得直接頂垮落步距分別為8 m、8 m、8 m、12 m，平均為9 m。由于直接頂垮落時(shí)基本頂(四灰)只有部分垮落，但頂板圍巖移動(dòng)傳感器已失效，因此，基本頂垮落步距還需根據(jù)來(lái)壓特征進(jìn)行分析。

圖7 圍巖移動(dòng)傳感器基點(diǎn)深度及位移示意圖Fig.7 Schematic diagram of base point depth and displacement of surrounding rock movement sensor(注：括號(hào)中內(nèi)容意義為基點(diǎn)類型，基點(diǎn)深度，基點(diǎn)位移。)

圖8 L1號(hào)鉆孔～L4號(hào)鉆孔圍巖移動(dòng)傳感器變化曲線Fig.8 The change curve of surrounding rock movement sensor of No.L1-No.L4 borehole

3.3 頂板來(lái)壓特征分析

在推采過(guò)程中，隨著上覆巖梁的周期性運(yùn)動(dòng)，綜采支架阻力曲線也具有周期性變化的特點(diǎn)，因此，可以通過(guò)對(duì)礦壓監(jiān)測(cè)期間的支架阻力曲線的周期性變化分析來(lái)判定頂板巖梁的來(lái)壓步距。

圖9 12#支架、18#支架、32#支架日加權(quán)工平均作阻力Fig.9 12#,18#,32# bracket daily weighted average resistance

以日支架的加權(quán)阻力和日最大工作阻力對(duì)工作面來(lái)壓步距進(jìn)行分析，以支架的平均阻力與其均方差之和作為判斷頂板來(lái)壓的主要指標(biāo)。本文選取12#支架、18#支架、32#支架進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測(cè)，其平均工作阻力分別如圖9所示。由圖9可知，12#支架基本頂初次來(lái)壓步距約為30.6 m，周期來(lái)壓步距為10.0～19.2 m，平均14.2 m；18#支架基本頂初次來(lái)壓步距約為21.0 m，周期來(lái)壓步距為10.8～18.0 m，平均13.3 m；32#支架基本頂初次來(lái)壓步距約為25.8 m，周期來(lái)壓步距8.8～19.8 m，平均12.6 m。因此，基本頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距平均為25.8 m，周期來(lái)壓步距平均為13.3 m。

4 結(jié) 論

1) 基于懸臂梁理論推導(dǎo)了切頂卸壓后堅(jiān)硬頂板垮落步距計(jì)算公式，理論計(jì)算了切頂卸壓前后頂板的垮落步距，計(jì)算結(jié)果表明，切頂卸壓后直接頂?shù)某醮慰迓洳骄鄰?6.66 m減小到9.13 m，減小了65.8%；基本頂?shù)某醮慰迓洳骄鄰?5.41 m減小到25.64 m；周期垮落步距由18.54 m減小到12.82 m，分別減小了43.5%和30.9%。切頂卸壓有效減小了采空區(qū)堅(jiān)硬頂板的垮落步距，杜絕了堅(jiān)硬頂板大面積來(lái)壓隱患。

2) 邱集煤礦1102工作面采用切頂卸壓來(lái)減小堅(jiān)硬頂板垮落步距取得良好效果，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，直接頂?shù)某醮慰迓洳骄酁? m，基本頂初次和周期垮落步距分別為25.8 m和13.3 m，實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相符合。因此，利用本文所建立的力學(xué)模型和推導(dǎo)出的切頂卸壓后的頂板垮落步距計(jì)算公式，可以對(duì)切頂卸壓堅(jiān)硬頂板的垮落步距進(jìn)行預(yù)報(bào)，為堅(jiān)硬頂板的垮落控制提供理論依據(jù)。

3) 邱集煤礦1102工作面為黃河北煤田首次成功開(kāi)采工作面，結(jié)束了受奧灰水威脅而無(wú)法開(kāi)采下組煤的歷史，累計(jì)解放原煤1.8萬(wàn)t，為類似地質(zhì)條件下的煤礦開(kāi)采具有指導(dǎo)意義。