近距離煤層塊體結(jié)構(gòu)頂板破斷規(guī)律研究

程健新

（新疆邢美礦業(yè)有限公司，新疆 巴音郭楞 841000）

0 引言

淺埋近距離煤層群重復(fù)采動(dòng)覆巖破壞以及裂隙演化相比于單一煤層開采更加復(fù)雜，且復(fù)雜程度與近距離煤層數(shù)呈正相關(guān)，使得井工開采面臨著許多的技術(shù)難題[1-4]。而近距離煤層群覆巖結(jié)構(gòu)又直接影響著覆巖破壞特征，因此近距離煤層群覆巖結(jié)構(gòu)及失穩(wěn)特征成為了目前眾多學(xué)者研究的主題，同時(shí)研究也取得了較大進(jìn)展。劉長(zhǎng)友等[5-7]建立了近距離煤層群多采空區(qū)頂板群結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模型，并采用威爾多參數(shù)分布函數(shù)得出了頂板群結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的影響因素，同時(shí)揭示了間隔巖層巖性結(jié)構(gòu)對(duì)臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)的影響機(jī)理；楊國(guó)樞等[8]對(duì)近距離煤層群二次開采時(shí)的頂板結(jié)構(gòu)特征、活動(dòng)規(guī)律以及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)下部煤層采場(chǎng)覆巖在重復(fù)采動(dòng)影響下將會(huì)形成“垮落帶疊加”結(jié)構(gòu)；張春雷[9]針對(duì)近距離煤層上行開采時(shí)覆巖破壞特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)上煤層開采完畢后覆巖破碎，難以形成結(jié)構(gòu)，且覆巖離層高度的增加幅度較小；張百勝等[10]運(yùn)用散體以及塊體理論，對(duì)近距離煤層下層煤工作面下位直接頂巖層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行了力學(xué)分析；黃慶享等[11,12]通過對(duì)淺埋近距離煤層進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)首次發(fā)現(xiàn)了雙關(guān)鍵層以及大小周期來壓現(xiàn)象。

相關(guān)研究表明近距離煤層開采時(shí)，結(jié)合相鄰煤層之間巖層通過巖性以及其他物理力學(xué)性質(zhì)可被視作塊體結(jié)構(gòu)[13-15]。因此本文以貴州盤江礦區(qū)為工作背景，結(jié)合理論分析與數(shù)值模擬對(duì)近距離煤層在塊體結(jié)構(gòu)頂板條件下覆巖破壞規(guī)律進(jìn)行研究，以期為相似工程條件下提供理論依據(jù)。

1 近距離煤層頂板結(jié)構(gòu)

相關(guān)學(xué)者將近距離煤層頂板根據(jù)上述破斷垮落類型以及煤層間夾層特點(diǎn)分為：散體結(jié)構(gòu)、塊體結(jié)構(gòu)以及板式結(jié)構(gòu)。

當(dāng)相鄰煤層之間無基本頂結(jié)構(gòu)，或者煤層層間距小于4 m，巖性大多為泥巖等強(qiáng)度較低，沒有承載能力的頂板被稱為散體結(jié)構(gòu)頂板。此類頂板在上部煤層推進(jìn)過程中由于結(jié)構(gòu)完整性較差，表現(xiàn)為隨采隨落，回采過程中礦壓顯現(xiàn)較小。

當(dāng)相鄰煤層層間距為4～7 m，巖性多為粉砂巖或砂質(zhì)泥巖的頂板時(shí)，夾層將具有一定的強(qiáng)度以及承載能力，在上部煤層回采過程中多呈塊體狀發(fā)生破斷、失穩(wěn)，此時(shí)對(duì)下部煤層開采會(huì)造成一定影響，此類頂板被稱為塊體結(jié)構(gòu)頂板。破斷形式具體如圖1所示，隨著煤壁的繼續(xù)推進(jìn)發(fā)生周期性破斷、回轉(zhuǎn)。采高較小時(shí)形成“砌體梁”穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，采高較大時(shí)形成“懸臂梁”結(jié)構(gòu)。

當(dāng)相鄰煤層層間距達(dá)到7 m以上，夾層巖性多為石灰?guī)r、細(xì)砂巖、粉砂巖等高強(qiáng)度頂板時(shí)，具有較高強(qiáng)度與承載能力，此類頂板被稱為板式結(jié)構(gòu)頂板。下部煤層覆巖完整性較好，圍巖強(qiáng)度高，但是由于頂板強(qiáng)度大，極限跨距大，因此工作面初次來壓時(shí)來壓現(xiàn)象較為劇烈，同樣對(duì)工作面安全生產(chǎn)造成了較大影響。

結(jié)合近距離煤層頂板結(jié)構(gòu)劃分可知此時(shí)16號(hào)煤層工作面上覆巖層屬于塊體結(jié)構(gòu)頂板。巖性柱狀圖如圖1所示：

圖1 巖性柱狀圖

在確定16號(hào)煤層工作面覆巖為塊體頂板前提下，相鄰煤層之間是否存在強(qiáng)度較高、厚度較大的巖層同樣對(duì)工作面頂板周期來壓劇烈程度有著直接影響，因此也成為了近距離煤層重復(fù)采動(dòng)下工作面礦壓顯現(xiàn)的重要因素，掌握其物理性質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律能夠更好地改善采場(chǎng)圍巖應(yīng)力條件。煤層間巖層結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示：

圖2 煤層間有基本頂結(jié)構(gòu)

圖3 煤層間無基本頂結(jié)構(gòu)

2 近距離煤層下位工作面頂板穩(wěn)定性分析

松河一礦位于貴州省盤江礦區(qū)，礦井地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層、褶皺分布較多。該礦某塊段15、16號(hào)為可采煤層，兩煤層平均厚度分別為2.5、2.0 m，兩煤層間距為6.0 m,該礦煤層開采屬于近距離煤層群開采。15號(hào)與16號(hào)煤層之間存在一層4 m厚，堅(jiān)硬不易破壞的細(xì)砂巖層，可視為存在基本頂，因此16號(hào)煤層覆巖結(jié)構(gòu)為基本頂作為直接頂?shù)膲K體結(jié)構(gòu)。

針對(duì)極近距離煤層下層煤采場(chǎng)覆巖的結(jié)構(gòu)特征建立“塊體”結(jié)構(gòu)力學(xué)模型[10]如圖4所示，圖中A類塊體（x≤L/2），B類塊體（x＞L/2）。

圖4 “塊體”結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

A、B類塊體發(fā)生破斷失穩(wěn)時(shí)所需要的豎向載荷集度qy為：

式中：H為塊體厚度；x為從坐標(biāo)原點(diǎn)到任意橫截面距離；θ為塊體兩邊夾角；L為塊體沿x軸長(zhǎng)度，a為塊體邊長(zhǎng)；δt為巖石單軸抗拉強(qiáng)度。

由式1可知A類塊體破斷時(shí)所需的豎向載荷集度大于B類塊體，說明A類塊體較B類穩(wěn)定性更強(qiáng)，相同應(yīng)力條件下，B類塊體發(fā)生失穩(wěn)的概率大于A類塊體，B類塊體失穩(wěn)破壞后，A類塊體受壓增大發(fā)生破斷。因此近距離煤層塊體結(jié)構(gòu)頂板失穩(wěn)動(dòng)態(tài)過程為：C失穩(wěn)--B失穩(wěn)--A受壓增大--A失穩(wěn)--塊體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)--頂板垮落。

3 數(shù)值模型建立

以松河一礦地質(zhì)條件作為工程背景，利用3DEC模擬近距離煤層群開采中下位煤層頂板為塊體結(jié)構(gòu)時(shí)，工作面圍巖破壞情況。根據(jù)工作面開采情況建立長(zhǎng)150 m、寬100 m、高42 m的模型，模擬推進(jìn)60 m，工作面長(zhǎng)度為150 m。計(jì)算中塊體本構(gòu)關(guān)系采用彈塑性摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則，節(jié)理本構(gòu)關(guān)系采用節(jié)理面接觸-庫(kù)侖滑移模型，模型豎直方向上邊界為自由邊界，兩側(cè)邊界進(jìn)行水平方向的位移約束；底部與兩側(cè)邊界進(jìn)行位移約束；假定巖體初始應(yīng)力主要由巖層自重以及構(gòu)造應(yīng)力引起，因此在模型上部邊界施加8 MPa的垂直應(yīng)力。數(shù)值模型如圖5所示，煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖5 數(shù)值模型

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)

4 塊體結(jié)構(gòu)頂板破斷規(guī)律

隨著工作面的推進(jìn)，直接頂逐漸達(dá)到極限跨距而發(fā)生垮落，對(duì)于16號(hào)煤層工作面來說，細(xì)砂巖巖層由于強(qiáng)度較大，不易垮落而可視為基本頂，此時(shí)利用3DEC軟件模擬16號(hào)煤層推進(jìn)不同距離塊體結(jié)構(gòu)頂板破壞下沉情況如圖6所示：

圖6 頂板垂直位移云圖

由圖6可看出，當(dāng)工作面開挖10 m時(shí)，直接頂下部發(fā)生小范圍垮落，但塊體結(jié)構(gòu)頂板上部分依舊存在承載能力，此時(shí)由于15號(hào)煤層底板為泥巖，底鼓現(xiàn)象較為嚴(yán)重。隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，直接頂垮落范圍增大，直至20 m時(shí)，直接頂大面積垮落，形成工作面初次來壓，來壓強(qiáng)度較小。此時(shí)15號(hào)煤層采空區(qū)進(jìn)一步壓實(shí)，泥巖底板隨采空區(qū)一同下沉。在之后工作面持續(xù)推進(jìn)過程中，頂板下沉量不斷加大，但是下沉速度逐漸減小。當(dāng)直接頂位移持續(xù)增大直至壓實(shí)采空區(qū)時(shí)，開切眼后方5 m范圍內(nèi)發(fā)生較大下沉，最大值為0.27 m，停采線前方2 m有0.1 m的下沉?？v觀16號(hào)煤層開采過程中，塊體頂板動(dòng)態(tài)垮落過程與理論分析吻合，即C失穩(wěn)--B失穩(wěn)--A受壓增大--A失穩(wěn)--塊體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)--頂板垮落。且在頂板垮落過程中，塊體結(jié)構(gòu)頂板具備一定的承載能力。

5 采場(chǎng)頂板控制

5.1 采用合適的液壓支架

為保證16號(hào)煤層工作面安全高效生產(chǎn)，必須選用安全系數(shù)高，支護(hù)效果好、適應(yīng)性強(qiáng)的液壓支架。特此進(jìn)行液壓支架選型如下：

1）支架支護(hù)強(qiáng)度。支架支護(hù)強(qiáng)度可由公式（1）進(jìn)行計(jì)算[16,17]:

式中：P為支架支護(hù)強(qiáng)度，kN/m2；n1為增載系數(shù)，取2；R為細(xì)砂巖容重，取27 kN/m3；Σh為支架支護(hù)頂板厚度，8 m，可由Σh=M/（K-1）計(jì)算；M為工作面采高，取16號(hào)煤層平均厚度2 m;K為碎脹系數(shù)，取1.25。

代入公式（1）有：P=2×27×8=432 kN/m2

2）支架工作阻力。支架工作阻力可由公式（2）進(jìn)行計(jì)算[18,19]:

式中：Q為支架工作阻力，kN；P為支架支護(hù)強(qiáng)度，取計(jì)算結(jié)果432 kN/m2；B為端面距，取0.3 m；L為頂梁長(zhǎng)度，取3.795 m；B為支架中心距，取1.5 m；n2為支架效率，取0.98。

代入公式（2）有：

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，采用ZY3800/15/33型支掩式液壓支架可有效支護(hù)16號(hào)煤層工作面頂板，此類型液壓支架工作阻力3 800 kN＞2 734.16 kN，可滿足工作面安全高效生產(chǎn)要求。

3）底板比壓驗(yàn)算。底板比壓驗(yàn)算可由公式（3）進(jìn)行計(jì)算：

式中：Pd為支架底座作用于底板上的壓強(qiáng)，MPa；R1為所選支架工作阻力，取3 800 kN；L1為支架底座長(zhǎng)度，取1.9 m；B為支架中心距，取1.5 m。

16號(hào)煤層工作面直接底為粉砂巖，抗壓強(qiáng)度為215 MPa。因此，通過底板比壓驗(yàn)算，該型支架可滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。根據(jù)工作面長(zhǎng)度，共安設(shè)該型支架125個(gè)。ZY3800/15/33型液壓支架主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

5.2 采用液壓支架電液控制系統(tǒng)

16號(hào)煤層工作面液壓支架可配備ZDYZ型電液控制系統(tǒng)如圖7所示。該系統(tǒng)主要適用于大中型煤礦綜采工作面液壓支架的支護(hù)和移動(dòng)，可在高瓦斯、煤塵爆炸危險(xiǎn)環(huán)境中使用。該系統(tǒng)不需配置服務(wù)器、不需安裝順槽控制中心便可獨(dú)立運(yùn)行，各支架控制器之間通過現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行通信，達(dá)到彼此交換數(shù)據(jù)、相互控制的目的。通過與支架控制一樣的現(xiàn)場(chǎng)總線，便可與巷道控制中心聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成與刮板輸送機(jī)、皮帶輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、采煤機(jī)、泵站等井下設(shè)備的聯(lián)動(dòng)功能，實(shí)現(xiàn)整個(gè)工作面的綜合自動(dòng)化采煤。系統(tǒng)還可與地面監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)各工作面、各礦井采煤過程的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控，井上遠(yuǎn)程監(jiān)控中心能實(shí)時(shí)獲取井下各支架的數(shù)據(jù)，顯示各支架的動(dòng)作流程，各支架所有閥門的接通和關(guān)閉狀態(tài)，各支架的立柱壓力、推桿行程和采煤機(jī)的位置。可大大增加工作面開采的智能化以及安全性。

表2 ZY3800/2015/33D型液壓支架主要技術(shù)參數(shù)

圖7 ZDYZ液壓支架電液控制系統(tǒng)

5.3 注漿加固

當(dāng)16煤層工作面推進(jìn)過程中遇到頂板破碎帶的時(shí)候，可采用注漿加固的方式提高頂板整體性，從而達(dá)到頂板的加固效果。注漿材料可選用雙組分高分子聚亞胺脂材料-馬麗散，2種組通過注漿方式注入頂板破碎帶，自身發(fā)生快速反應(yīng)將破碎的巖塊粘結(jié)在一起，提高破碎頂板整體性。注漿加固效果好壞主要取決于注漿壓力、孔位以及封孔位置等因素，是提高工作面頂板和完整性的最有效手段。

5.4 輔助措施

加強(qiáng)井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過工作面壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以掌握工作面實(shí)際來壓步距，在來壓前提前采取措施手段對(duì)頂板進(jìn)行加固，必要情況下也可對(duì)工作面煤壁進(jìn)行加固。對(duì)液壓支架工作阻力、支護(hù)仰角、俯角等進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，確保液壓支架以最好的工作狀態(tài)參與生產(chǎn)。同時(shí)工作面推進(jìn)速度的適當(dāng)加快也可以一定程度上減少頂板的變形量。及時(shí)支護(hù)以及打開護(hù)幫板可確保支架對(duì)頂板實(shí)時(shí)支護(hù)，預(yù)防頂板垮落與煤壁片幫，從而提高煤壁對(duì)頂板的支撐作用。

6 結(jié)論

1）近距離煤層群下部煤層的覆巖結(jié)構(gòu)可分為有基本頂與無基本頂2種情況，無基本頂結(jié)構(gòu)時(shí)采場(chǎng)直接頂上方均為散體結(jié)構(gòu)，有基本頂時(shí)，采高較小、較大時(shí)分別會(huì)形成“砌體梁”以及“懸臂梁”結(jié)構(gòu)。

2）塊體結(jié)構(gòu)頂板動(dòng)態(tài)垮落過程為C失穩(wěn)--B失穩(wěn)--A受壓增大--A失穩(wěn)--塊體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)--頂板垮落。

3）16號(hào)煤層工作面初次來壓步距為20 m，塊體頂板具有一定承載能力，加上15號(hào)煤層采空區(qū)卸壓作用使得16號(hào)煤層工作面來壓程度較小。

4）16號(hào)煤層工作面采用ZY3800/2015/33D型液壓支架搭配ZDYZ型電液控制系統(tǒng)，以及配合注漿加固等頂板控制措施可有效對(duì)采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行加固。