淺埋雙向傾斜工作面綜放開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

郭 燾，張坤銘

（1.重慶大學(xué) 資源與安全學(xué)院，重慶 400044；2.國家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司 安全環(huán)保監(jiān)察部，北京 100011；3.中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083）

0 引 言

大傾角工作面回采過程中，煤層傾角增大使采煤過程中回采巷道圍巖的力學(xué)特征和礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律與傾斜、緩傾斜煤層有很大差異［1－3］。 我國大傾角和急傾斜煤層占全國煤炭儲(chǔ)量的15%～20%，其年產(chǎn)量占全國煤炭總產(chǎn)量的10%左右。 由于傾角大，設(shè)備穩(wěn)定性差，再加上特殊的礦壓顯現(xiàn)，頂板控制復(fù)雜，安全問題難以保證，使開采大傾角煤層非常困難［4－7］。

我國煤炭賦存條件復(fù)雜，大傾角煤層分布廣泛，與緩傾斜煤層相比，大傾角煤層的采場頂板運(yùn)移規(guī)律有很大不同。 目前我國的礦壓研究大多是針對緩傾斜煤層進(jìn)行的，對大傾角煤層研究較少［10］。 大傾角煤層條件下，采場頂板巖層的變形、破壞、運(yùn)動(dòng)形式（包括沿層面的運(yùn)動(dòng)和垂直層面的下沉運(yùn)動(dòng)）不同于緩斜煤層［8－11］。 目前對于綜采特別是綜放大傾角煤層工作面開采采場圍巖礦壓分布規(guī)律相關(guān)研究較多，但涉及到雙傾斜工作面整體較少，且由于不同礦井煤層賦存采礦地質(zhì)條件不同，開采方法各異，深入系統(tǒng)地開展相關(guān)研究工作需持續(xù)進(jìn)行，以滿足現(xiàn)場工程技術(shù)需求［12］。 神華億利能源有限責(zé)任公司黃玉川煤礦216 采區(qū)內(nèi)5 個(gè)工作面中部有構(gòu)造隆起，導(dǎo)致工作面走向和傾向方向上都存在不同程度的傾角，形成雙向傾斜綜放工作面，尤其是216上01工作面開采過程中，面臨大坡度俯采條件，對綜放工作面的設(shè)備穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，同時(shí)也給頂煤放出和采場礦壓控制帶來挑戰(zhàn)。 對雙向傾斜工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律以及放煤規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了淺埋雙向傾斜工作面綜放開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和放煤規(guī)律，同時(shí)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行理論分析，掌握了礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和頂煤放出規(guī)律，對現(xiàn)場支護(hù)存在問題提出了管控措施，優(yōu)化并確定了黃玉川煤礦的放煤方式及放煤工藝。

1 開采條件分析

1.1 地質(zhì)概況

黃玉川煤礦位于內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾煤田中西部，井田面積42.68 km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為年產(chǎn)1 000 萬t。井田地層區(qū)域劃分屬于華北地層區(qū)、鄂爾多斯地層分區(qū)，屬晚古生代石炭二疊紀(jì)煤田。 井田整體為一單斜構(gòu)造，東高西低，中小構(gòu)造較為發(fā)育，主要表現(xiàn)為褶皺構(gòu)造和斷裂構(gòu)造。

地層總體為傾角約15°向NW 傾斜的單斜構(gòu)造，井田中部存在田家石畔撓曲，軸向NNE，受其影響，礦井建設(shè)和生產(chǎn)準(zhǔn)備過程中，在先期開采范圍，經(jīng)井巷工程實(shí)踐，先后發(fā)現(xiàn)落差15 m 以上斷層1條，落差10 m 以上斷層4 條，落差大于5 m 斷層2條，礦井中小構(gòu)造較為發(fā)育，對采區(qū)合理劃分和工作面連續(xù)推進(jìn)有一定影響。 黃玉川煤礦煤層頂?shù)装遢^平整，煤巖層裂隙較為發(fā)育，頂板較完整，煤巖層傾角0°～15°，偶有陷落柱，不存在沖擊地壓、地?zé)岬鹊刭|(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)［8－9］。

1.2 雙向傾斜工作面

我國煤炭賦存條件復(fù)雜，大傾角煤層分布廣泛，與緩傾斜煤層相比，大傾角煤層的采場頂板運(yùn)移規(guī)律有很大不同。 目前我國的礦壓研究大多是針對緩傾斜煤層進(jìn)行的，對大傾角煤層研究較少，特別是走向長壁綜采工作面，對礦壓顯現(xiàn)規(guī)律還沒有形成系統(tǒng)的認(rèn)識［10］。

通過地質(zhì)調(diào)查與勘探，對黃玉川礦216 和226采區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行了分析評價(jià)，對采區(qū)內(nèi)綜放工作面的開采技術(shù)條件進(jìn)行了評估，得到了6上煤層底板等高線如圖1 所示。

圖1 煤層底板等高線立體示意Fig.1 Three－dimensional schematic diagram of seam floor contour

由圖1 可得，216 采區(qū)內(nèi)5 個(gè)工作面中部有構(gòu)造隆起，導(dǎo)致工作面走向和傾向方向上都存在不同程度的傾角，形成雙向傾斜綜放工作面，尤其是216上01 工作面開采過程中，面臨大坡度俯采條件，對綜放工作面的設(shè)備穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，同時(shí)也給頂煤放出和采場礦壓控制帶來挑戰(zhàn)。

2 雙向傾斜工作面綜放開采的數(shù)值模擬分析

2.1 建立模型

利用FLAC3D有限差分析軟件，結(jié)合黃玉川煤礦216上01 工作面為工程背景，建立FLAC3D三維計(jì)算模型進(jìn)行數(shù)值模擬。 該工作面長度250 m，平均推進(jìn)長度1 252 m，煤層埋深約為245 m，平均厚度12 m，煤層最大傾角16°，煤層俯角為5°～25°，平均為15°，可采儲(chǔ)量411.8 萬t，采用綜采放頂煤方法開采，工作面直接頂為砂質(zhì)泥巖，直接底為泥巖。 煤層上部無松散層，均為巖層，上覆4、5 號層，下伏6、9號層。 煤層頂?shù)装宥胃鲙r體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 基巖段各巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of each rock mass in bedrock section

類似雙向傾斜特厚煤層綜放工作面這種大角度俯采工作面的情況并不多見，目前還不能很好地用力學(xué)解析方法求解其力學(xué)變化與破壞過程。 為了研究和掌握開采過程中頂板的力學(xué)變化過程及對工作面的力學(xué)作用等，運(yùn)用合理的數(shù)值方法與軟件進(jìn)行計(jì)算和分析以及預(yù)測是目前行之有效的方法之一。

研究采用數(shù)值計(jì)算軟件FLAC3D對216上01 工作面進(jìn)行計(jì)算分析，通過研究不同推進(jìn)距離和工作面是否為雙向傾斜情況下的垂直應(yīng)力場分布規(guī)律、垂直位移場分布規(guī)律和塑性區(qū)分布規(guī)律。 數(shù)值模擬模型參數(shù)如下：

根據(jù)216上01 工作面的煤層底板等高線，在Rhino 軟件中繪制出底板等高線點(diǎn)云圖后導(dǎo)入FLAC3D數(shù)模擬軟件中，建立淺埋雙向傾斜綜放工作面的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬三維模型，如圖2 所示。 通過模擬工作面的回采過程，觀察采場圍巖應(yīng)力分布的變化情況。 為了方便對比，同時(shí)建立了近水平工作面模型，回采強(qiáng)度完全相同，如圖3 所示。

圖2 用于礦壓分析的216上01 工作面三維數(shù)值模型Fig.2 3D numerical model of 216 upper No.01 working face for ground pressure analysis

圖3 用于對比的2 種不同條件模擬模型Fig.3 Two simulation models with different conditions for comparison

2.2 模型結(jié)果分析

工作面的開采將會(huì)引起應(yīng)力場重新分布，在工作面前方會(huì)形成垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力集中，垂直應(yīng)力集中后形成超前支承壓力。 通過分析工作面應(yīng)力場的分布，有助于更好掌握礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律。 當(dāng)煤層被開采后，采空區(qū)上下圍巖形成應(yīng)力釋放區(qū)。 采空區(qū)正中間處頂板及底板應(yīng)力釋放最為充分，幾乎為0（圖4 中紅色部分區(qū)域），并以此為中心，向外圍形成圓弧狀的應(yīng)力遞增圈，上下呈對稱分布。 圖4 中應(yīng)力均為負(fù)值，表明巖體均受壓應(yīng)力的作用。

圖4a、圖4b 為工作面傾向垂直應(yīng)力場，沿工作面傾斜方向，煤層采場圍巖中有動(dòng)態(tài)應(yīng)力拱的存在。 通過對比圖4a、圖4b 可以看出應(yīng)力拱存在著明顯的非對稱性特征，頂板應(yīng)力拱外形輪廓線逐漸發(fā)生偏移。 由此可見，工作面方向傾斜時(shí)，煤層工作面支架所承受的力較大，支架穩(wěn)定性降低。采動(dòng)影響下，在工作面下端頭形成明顯的應(yīng)力集中區(qū)，而在工作面上端頭，垂直應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯。 隨著工作面的推進(jìn)，在工作面推進(jìn)方向上工作面的垂直應(yīng)力會(huì)在上下兩端頭形成不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象。 工作面推進(jìn)方向角度越大，下端頭應(yīng)力集中越大，上端頭應(yīng)力集中越小。 下端頭處圍巖破壞程度較為嚴(yán)重，在開采過程中應(yīng)該加強(qiáng)其支護(hù)強(qiáng)度。

圖4 傾向、走向垂直應(yīng)力場Fig.4 Inclination and strike vertical stress field

3 開采工藝及頂煤放出規(guī)律

綜放開采是特厚煤層開采的主要方式之一，綜放開采過程中放煤方式的選擇對頂煤的冒落形態(tài)及頂煤回收產(chǎn)生直接影響，放煤方式包括放煤口打開的順序、次數(shù)以及不同數(shù)量支架間的組合等。

結(jié)合黃玉川煤礦216上01 綜放工作面的煤層賦存特征建立離散元數(shù)值模擬模型，利用PFC2D軟件模擬11.6 m 厚煤層放頂煤開采過程中頂煤流動(dòng)規(guī)律及冒落情況，掌握頂煤流動(dòng)及放出規(guī)律，重點(diǎn)研究不同放煤工藝下頂煤采出率及頂煤放出量規(guī)律，從而確定最優(yōu)的放煤工藝，為進(jìn)一步提高頂煤采出率提供保障。

3.1 建立模型

結(jié)合黃玉川煤礦216上01 綜放工作面的煤層賦存特征來建立數(shù)值模擬模型，研究11.6 m 特厚煤層開采頂煤冒落規(guī)律。 模型煤層厚度取11.6 m，采高取3.7 m，頂煤厚度為7.9 m，具體的煤巖體細(xì)觀參數(shù)結(jié)果見表2。10°、20°的條件下，頂煤顆粒放出的形態(tài)和規(guī)律都遵循了“切割變異橢球體”理論，放出體各部分發(fā)展不均衡，其前部一直超出橢球體的范圍，發(fā)育最快。 但也可以明顯看出，當(dāng)推進(jìn)方向角度為20°時(shí)，在液壓支架上方的終止煤巖分界面向左側(cè)（采空區(qū)方向）凸出的趨勢最為明顯，同時(shí)出現(xiàn)煤顆粒和矸石顆?；旌系膮^(qū)域也向左側(cè)偏移的最多。 而在放煤過程中，液壓支架上方附近的煤顆粒很難被放出，因此，當(dāng)推進(jìn)方向角度為20°時(shí)，此區(qū)域的煤量也最多。

表2 煤巖相關(guān)參數(shù)Table 2 Related parameters of coal and rock

數(shù)值模擬中216上01 工作面煤以及其上覆巖層用二維顆粒模型建模，模型沿工作面支架布置方向，如圖5 所示，圖中下部綠色顆粒為煤，上部藍(lán)色顆粒為破碎頂板，模型長度、寬度分別為60、36 m。

圖5 模型初始狀態(tài)Fig.5 Model initial state diagram

3.2 模擬結(jié)果分析

模擬結(jié)果如圖6 所示，在推進(jìn)方向角度為0°、當(dāng)推進(jìn)方向角度為0°時(shí)，煤顆粒和矸石顆?；旌系膮^(qū)域在放煤口的正上方，能夠被順利放出的煤顆粒也就越多。 所以一般在俯斜綜放開采時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)其采出率較低。

圖6 不同俯采角條件下放煤見矸時(shí)刻終止煤巖分界面的形態(tài)Fig.6 Shape of coal rock interface at time of coal gangue in different dip angles

隨著工作面向前推進(jìn)，移架后開始放煤的初始位置也是在上一輪放煤結(jié)束時(shí)的終止煤巖分界面處，上一輪在液壓支架掩護(hù)梁和頂梁上方未順利放出損失的煤顆粒會(huì)在本輪放出，本輪的煤顆粒放出量會(huì)得到增加，總體來看連續(xù)移架后放出的總煤量也沒有減少。 但值得注意的是，當(dāng)推進(jìn)方向角度（俯采角）過大時(shí)，移架放煤過程中容易頂板破碎巖塊過早混入煤體，在實(shí)際的生產(chǎn)作業(yè)過程中就會(huì)過早執(zhí)行“見矸關(guān)門”的操作，從而導(dǎo)致放出煤量減少，所以俯斜綜放開采的采出率較低，并且俯采角度越大，損失的煤量越多。

3.3 放煤工藝分析

模擬過程中選取了單輪順序放煤、單輪間隔放煤、兩輪順序放煤和三輪順序放煤共4 種放煤工藝進(jìn)行對比分析，如圖7 所示（頂煤放出量為放出煤顆粒數(shù)量）。 模擬結(jié)果表明，兩輪或三輪順序放煤方式條件下，頂煤的采出率高，說明多輪放煤可以讓頂煤緩慢均勻下沉，最大限度減少頂板矸石的混入。根據(jù)模擬結(jié)果和現(xiàn)場可操作性最終確定了黃玉川礦的放煤方式是一刀一放、兩輪順序放煤。

圖7 不同放煤工藝的頂煤放出情況對比Fig.7 Comparison of top－coal drawing with different drawing processes

4 現(xiàn)場管控措施及實(shí)施效果分析

4.1 支護(hù)存在問題

綜放工作面回風(fēng)巷回采處于上覆4 煤采空區(qū)下方，4、6上煤煤層平均間隙75 m 且采動(dòng)間隔時(shí)間短（不足1 a），受二次采動(dòng)影響，礦壓顯現(xiàn)非常劇烈，巷道變形量大（最嚴(yán)重區(qū)域頂?shù)仔巫兞砍^2 m），按照以往回采經(jīng)驗(yàn)，采用單體支柱＋柱靴（柱帽）支護(hù)，單體支柱每排支護(hù)4 根，支護(hù)強(qiáng)度偏小，主動(dòng)支護(hù)效果較差，導(dǎo)致巷道變形量大，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)。

4.2 現(xiàn)場管控

通過FLAC3D對雙向傾斜工作面綜放開采的數(shù)值模擬分析，掌握了黃玉川煤礦216上01 綜放工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，并對現(xiàn)場提出了管控措施。 現(xiàn)場管控效果如圖8 所示。

圖8 現(xiàn)場管控效果Fig.8 Field control effect chart

針對回風(fēng)巷受二次采動(dòng)影響、巷道變形量大，提出“一梁六柱”的支護(hù)方式，同時(shí)加大超前支護(hù)距離。 具體為：采用π 型鋼梁＋單體支柱支護(hù)，每排支護(hù)6 根單體支柱，排距為1 m（間距為550、550、1 100、550、550 mm），巷道壓力大時(shí)可將排距減小為800 mm，將超前支護(hù)距離增大為50 m 以上，有效主動(dòng)支護(hù)回風(fēng)巷頂板，顯著減小了巷道變形量（圖9）。

圖9 回風(fēng)巷支護(hù)設(shè)計(jì)Fig.9 Design drawing of tailentry support

考慮回風(fēng)巷單體支柱打設(shè)較多，打設(shè)難度系數(shù)大，一般單體支柱質(zhì)量均在100 kg 以上需要多人配合進(jìn)行支設(shè)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且安全隱患較多，礦井回風(fēng)巷坡度為12°～16°，最大坡度達(dá)18°，在坡度段時(shí)支設(shè)難度尤為突出。 為有效解決該問題自行研究設(shè)計(jì)了自移邁步式單體支柱支護(hù)車，該單體支柱車通過使用廢舊閥組、工字鋼及液壓油缸，利用閥組集中控制液壓油缸伸縮運(yùn)動(dòng)的特性，設(shè)計(jì)制作了集邁步移動(dòng)、存儲(chǔ)及支護(hù)單體支柱于一體的自移邁步式單體支柱支護(hù)車，有效保障作業(yè)人員的人身安全解決了坡度段支護(hù)時(shí)單體支柱容易倒落傷人的安全隱患；同時(shí)因使用單體支柱車固定、調(diào)整單體支柱的支設(shè)位置，大幅減輕了人員的作業(yè)強(qiáng)度和難度。 與此同時(shí)加強(qiáng)了雙向傾斜綜放工作面運(yùn)輸巷的支護(hù)和對支架側(cè)護(hù)板的改造。

5 結(jié) 論

1）通過FLAC3D對黃玉川礦216上01 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律模擬研究，發(fā)現(xiàn)近水平綜放工作面開采過程中，采場周邊的垂直應(yīng)力在傾斜方向上是呈現(xiàn)對稱分布的，并且在走向方向上有規(guī)律波動(dòng)，而雙向傾斜綜放工作面則是不均衡分布和無規(guī)則變化的。因此可以判斷出雙向傾斜綜放工作面的開采容易造成頂板的偏應(yīng)力集中，低水平位置的回采巷道礦壓顯現(xiàn)會(huì)更加劇烈，需要加強(qiáng)支護(hù)和管理。 隨著工作面方向角度從0°增加到15°，工作面下端頭最大垂直應(yīng)力從18 MPa 逐漸增加到24 MPa；隨著工作面推進(jìn)方向俯采角度從0°增加到15°，工作面煤壁前方最大垂直應(yīng)力從24 MPa 逐漸增加到27 MPa，說明工作面傾角對下端頭的應(yīng)力集中和煤壁前方的應(yīng)力集中程度都有顯著的影響。

2）通過對黃玉川煤礦特厚煤層工作面放煤規(guī)律的研究，發(fā)現(xiàn)頂煤采出率隨著俯采角的增大基本呈現(xiàn)出逐步減小的變化趨勢，因此在現(xiàn)場生產(chǎn)中，應(yīng)當(dāng)對大傾角綜放開采放煤工藝進(jìn)行針對性的優(yōu)化。例如采用控制初始放煤量，增大放煤步距的方法以提高大傾角條件下放煤的均衡性和采出率。 同時(shí)在兩輪或三輪順序放煤方式條件下，頂煤的采出率高，說明多輪放煤可以讓頂煤緩慢均勻下沉，最大限度減少頂板矸石的混入。 根據(jù)模擬結(jié)果和現(xiàn)場可操作性最終確定了黃玉川礦的放煤方式是一刀一放、兩輪順序放煤。

3）在掌握了黃玉川煤礦雙向傾斜綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律后，針對現(xiàn)場提出了管控措施，對特殊地質(zhì)條件下工作面設(shè)備防倒防滑進(jìn)行了管控和研究。