大采高仰斜開采采場圍巖破壞規(guī)律及控制技術(shù)研究

景海洋

（中煤華利能源控股有限公司山西分公司，山西 靈石 031300）

0 引言

大傾角煤層在我國已探明的煤炭儲(chǔ)量中約占15%，其產(chǎn)量約占9%，我國西北、西南多個(gè)煤炭大省的一部分礦井主采煤層為大傾角煤層，在我國煤炭資源中占據(jù)重要地位。但是大傾角煤層開采難度更高，期間常出現(xiàn)工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈、圍巖支護(hù)困難等問題，限制其生產(chǎn)效率和安全，因此，本文以平山煤礦3 號煤層為開采背景，對傾斜煤層工作面圍巖破壞規(guī)律及穩(wěn)定性控制開展相關(guān)研究，具有重要的理論價(jià)值及工程意義。

1 概況

平山煤礦31016 回采工作面位于31 采區(qū)西翼，南北側(cè)均為實(shí)體煤，所采煤層為3 號煤層，該工作面地面標(biāo)高+1 000—+1 065 m，工作面底板標(biāo)高+290—+385 m，工作面平均埋深650 m，設(shè)計(jì)推進(jìn)長度平均668.5 m，工作面長度為180 m。根據(jù)地質(zhì)資料分析，煤層厚度4.0～5.2 m，平均厚度4.95 m，傾角20°，煤層硬度f=1.7，密度為1.44 t/m3，屬中硬煤層。煤層頂板為復(fù)合頂板，沒有嚴(yán)格意義上的老頂。直接頂為泥巖和粉砂巖，平均厚度4.1 m，灰黑色，薄層狀，水平層理，富含植物化石。煤層直接底為砂質(zhì)泥巖和粉砂巖，老底為粉砂巖。

2 大角度仰采工作面頂板破裂特征

2.1 建立數(shù)值模型

采用三維離散元數(shù)值計(jì)算軟件（3DEC） 模擬工作面水平開采、仰斜開采條件下頂板巖體破裂特征，研究大角度仰采工作面推進(jìn)時(shí)頂板巖體破裂過程。根據(jù)平山煤礦31016 回采工作面實(shí)際情況，將工作面開采簡化為沿工作面推進(jìn)方向的二維數(shù)值模型，模型主要由底板、煤層、頂板構(gòu)成，水平煤層開采模型尺寸長×高=400 m×100 m，傾斜煤層開采模型尺寸長×高=200 m×150 m，傾角20°，煤巖體采用Mohr-Column 模型，煤層硬度f=1.7（中硬煤），模型兩側(cè)及底部邊界設(shè)置位移和速度約束條件，上部邊界為自由面，模型頂板劃分為0.5 m×0.5 m 的單元格，煤層劃分為0.25 m×0.25 m的單元格，底板劃分為0.5 m×1.0 m 的單元體，模型實(shí)際情況如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型Fig.1 Numerical model

2.2 工作面頂板破裂特征

工作面頂板巖體塑性破壞特征如圖2所示。沿工作面推進(jìn)方向，根據(jù)頂煤的破壞特征將其劃分為散體冒落區(qū)、拉剪破壞區(qū)、壓剪破壞區(qū)、松動(dòng)區(qū)和未破壞區(qū)。散體冒落區(qū)位于液壓支架緊后方，煤體松散破碎；拉剪破壞區(qū)主要位于液壓支架和工作面煤壁之間區(qū)域，煤巖體受到拉應(yīng)力超出其抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致該區(qū)域煤巖體發(fā)生拉伸和剪切復(fù)合破壞；壓剪破壞區(qū)位于工作面煤壁前方，由于工作面開挖及后方采空區(qū)的卸荷作用，該區(qū)域煤巖體受到的地應(yīng)力較高，超出其抗壓強(qiáng)度發(fā)生壓剪破壞；松動(dòng)區(qū)內(nèi)煤巖體僅個(gè)別區(qū)域發(fā)生拉剪或壓剪破壞；未破壞區(qū)內(nèi)頂板煤巖體基本保持其初始狀態(tài)，未出現(xiàn)明顯的破壞。

圖2 采場頂板巖體塑性破壞特征Fig.2 Plastic failure characteristics of roof rock mass

對比分析水平煤層和仰斜煤層開采期間頂板巖層的破壞情況可以看出，仰斜開采工作面對于頂板巖層的影響范圍更大，由于煤層傾角的影響，頂板巖層不僅需承受覆巖的自重，還需要承受覆巖的水平分力，致使頂板煤巖體內(nèi)應(yīng)力集中更為明顯，造成頂板巖體更易發(fā)生破壞，工作面支護(hù)起來更加困難。

2.3 工作面煤壁破壞特征

采用上述模型分析煤層自身強(qiáng)度對工作面煤壁穩(wěn)定性的影響，得到水平開采及仰斜開采條件下煤壁破壞情況，如圖3所示。

圖3 煤壁塑性破壞特征模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of plastic failure characteristics of coal wall

對比不同開采條件下煤壁破壞失穩(wěn)形態(tài)，可以看出煤壁內(nèi)采動(dòng)破壞面均呈現(xiàn)鈍角，主要差異為頂點(diǎn)的位置。水平開采時(shí)，煤壁中部附近破壞深度最大，且最大破壞深度為1～1.5 m；仰斜開采時(shí)，煤壁中下部破壞范圍相對較大，煤壁破壞深度和范圍明顯大于水平開采，最大破壞深度達(dá)到2.5～3.0 m，說明仰斜開采條件下，煤壁存在更大的片幫風(fēng)險(xiǎn)，需采取合理有效的煤壁支護(hù)措施。

3 支架阻力對工作面穩(wěn)定性影響

31016仰斜工作面采煤工藝為綜合機(jī)械化采煤，工作面采用ZY7200/28/55 型液壓支架支護(hù)，該支架額定支護(hù)阻力為7 200 kN。為確定液壓支架工作阻力對采場圍巖穩(wěn)定性的影響，并驗(yàn)證31016仰斜工作面開采的可行性，采用UDEC 軟件進(jìn)行模擬分析，得到支架載荷為5 000、6 000、7 000 kN時(shí)采場圍巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律，如圖4所示。

圖4 不同支護(hù)阻力條件下采場圍巖變形情況Fig.4 Deformation of surrounding rock under different support resistance conditions

由圖4可以看出，支架阻力為5 000 kN 時(shí)，工作面煤壁發(fā)生明顯的破壞、垮塌，碎裂的煤體堆積至液壓支架前方，且支架前方約3 m 范圍內(nèi)頂板出現(xiàn)明顯的離層現(xiàn)象，此時(shí)采場圍巖穩(wěn)定性很差，支架易發(fā)生傾倒現(xiàn)象；支架阻力為6 000 kN 時(shí)，煤壁破壞范圍相對減小，同時(shí)頂板離層區(qū)基本消失，但是煤壁仍發(fā)生片幫現(xiàn)象；支架阻力為7 000 kN 時(shí)，煤壁與頂板均較穩(wěn)定，煤壁未發(fā)生片幫，頂板無明顯的離層現(xiàn)象。由此說明，支架的支護(hù)阻力對于仰斜開采工作面的圍巖穩(wěn)定性具有關(guān)鍵作用，31016 工作面所選ZY7200/28/55 型液壓支架基本滿足支護(hù)要求，支架應(yīng)設(shè)置較大的初撐力，更有利于圍巖的穩(wěn)定。

4 31016 仰斜開采工作面安全技術(shù)措施

4.1 防片幫冒頂硬件設(shè)施

（1） 因工作面仰采坡度較大，為防止煤壁大范圍片幫造成炭塊滾出傷人，在液壓支架前方加設(shè)安全防護(hù)網(wǎng)，如圖5所示。使用18 號圓鋼焊制邊框，保證防護(hù)網(wǎng)承壓強(qiáng)度，內(nèi)部φ6 mm 鋼筋網(wǎng)片與框架焊接牢固，框架外沿使用14 號圓鋼焊制鉤頭，將安全防護(hù)網(wǎng)掛設(shè)在液壓支架大立柱吊環(huán)處。

圖5 架前防護(hù)網(wǎng)Fig.5 Front protective net

（2） 采煤機(jī)割煤期間頂板破碎或煤壁片幫時(shí)，大炭塊易從煤機(jī)上方滾落，受仰采坡度影響，易掉入架間傷人。在采煤機(jī)機(jī)身上方加設(shè)采煤機(jī)防護(hù)板，加高采煤機(jī)上部高度，防止采煤機(jī)機(jī)身上方矸石、炭塊竄出傷人，防護(hù)板具體形式如圖6所示。

圖6 上部防護(hù)板Fig.6 Upper protective plate

4.2 防片幫冒頂技術(shù)措施

（1） 由于31016 工作面傾斜開采容易片幫，移架期間的反復(fù)升架、降架將擾動(dòng)工作面頂板及煤壁，故拉架時(shí)要求盡可能少降或不降支架，必要時(shí)用單體支柱配合，進(jìn)行帶壓擦頂移架，減少頂板松動(dòng)次數(shù)保持其完整性，從而降低片幫的機(jī)率。

（2） 改變31016 工作面拉架順序，采用拉超前架方式進(jìn)行控頂，縮小液壓支架梁端空頂距，采煤機(jī)割煤后及時(shí)跟進(jìn)拉架，減小工作面空頂時(shí)間，縮小液壓支架前梁控頂面積，保證液壓支架有效受力。

（3） 當(dāng)工作面頂板破碎較嚴(yán)重時(shí)加快工作面推進(jìn)，減少頂板冒頂威脅工作面生產(chǎn)安全的時(shí)間，監(jiān)測頂板周期來壓規(guī)律，預(yù)測頂板來壓時(shí)機(jī)，錯(cuò)開頂板來壓峰值及時(shí)推進(jìn)。根據(jù)工作面壓力數(shù)據(jù)分析，臨近周期來壓時(shí)對兩巷補(bǔ)加單體柱，加強(qiáng)頂板支護(hù)強(qiáng)度。

（4） 兩巷超前支護(hù)。根據(jù)工作面仰采坡度及傾斜角度調(diào)整超前單體角度，單體柱不僅要在煤層頂?shù)装鍍A斜方向具有適當(dāng)?shù)挠浇?，而且要在工作面仰斜方向具有適當(dāng)?shù)挠浇?，單體柱在滿足此角度要求時(shí)，保證工作面端頭支護(hù)及超前支護(hù)達(dá)到設(shè)計(jì)支護(hù)強(qiáng)度。

5 結(jié)論

（1） 采用3DEC 軟件模擬研究表明，傾斜煤層仰斜開采時(shí)頂板塑性破壞范圍大于水平煤層，頂板冒頂危險(xiǎn)更大，煤壁塑性破壞范圍和深度相對較大，煤壁片幫的風(fēng)險(xiǎn)增加。

（2） 采用UDEC 軟件模擬研究表明，液壓支架支護(hù)阻力對于采場圍巖穩(wěn)定性具有關(guān)鍵作用，31016 工作面所選ZY7200/28/55 型液壓支架基本滿足支護(hù)要求，支架應(yīng)設(shè)置較大的初撐力。

（3） 根據(jù)平山煤業(yè)31016 仰斜開采工作面頂板和煤壁破壞規(guī)律，針對性提出預(yù)防冒頂、片幫的防護(hù)措施及技術(shù)措施，工作面煤壁和頂板得到有效控制，圍巖穩(wěn)定性明顯提高，31016 仰采工作面月產(chǎn)量提升至15 萬t，實(shí)現(xiàn)了大傾角仰采工作面安全高效生產(chǎn)。