復(fù)雜條件下大采高工作面圍巖活動規(guī)律分析

惠興田， 劉章飛

(西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，西安 710054)

在科技驅(qū)動、創(chuàng)新驅(qū)動綠色開采理念推動下，大采高開采工藝快速發(fā)展。近年來，眾多專家學(xué)者通過模擬實(shí)驗(yàn)、理論分析、現(xiàn)場實(shí)踐等針對大采高工作面圍巖、采場、支架開展了豐富的研究。劉文崗等[1]用實(shí)測和理論分析了綜采覆巖頂板運(yùn)動結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其表現(xiàn)為“兩帶”或不穩(wěn)定“三帶”特征；弓培林等[2-3]運(yùn)用相似模擬和現(xiàn)場實(shí)測研究了三種不同直接頂力學(xué)模型及控制方法，分析了覆巖結(jié)構(gòu)和運(yùn)移規(guī)律；王慶雄等[4]結(jié)合實(shí)測與理論對大小周期來壓發(fā)生機(jī)理進(jìn)行分析；付玉平等[5]以關(guān)鍵塊為研究對象得出關(guān)鍵塊承載能力的回歸計(jì)算公式；孫森等[6]在現(xiàn)場觀測基礎(chǔ)上研究三軟煤層因圍巖礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，提出“底板、煤壁、底板”三原則綜合控制手段；陳加軒[7]通過工業(yè)開采和模擬，研究了不同采高、不同工作面長度下對圍巖礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度的影響；鞠金峰等[8]、許家林等[9]、陳鵬宇等[10]研究了特大采高綜采工作面覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)形態(tài)及其對礦壓顯現(xiàn)的影響規(guī)律與支架合理工作阻力。但從數(shù)值模擬、理論分析及現(xiàn)場實(shí)測對復(fù)雜條件下，大采高智能化開采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的相關(guān)研究較少。

為此，以418工作面為黃陵二號煤礦實(shí)施智能化開采工作面，對其采高變化、巷道變形、頂?shù)装逖莼冗M(jìn)行相關(guān)監(jiān)測研究。通過綜合觀測，發(fā)現(xiàn)巷道圍巖較破碎，變形破壞嚴(yán)重，底鼓問題突出，其圍巖破壞規(guī)律還有待進(jìn)行深入研究。對此采用數(shù)值計(jì)算、理論計(jì)算和實(shí)測分析等手段，開展深部礦井工作面圍巖破壞規(guī)律研究，以期為礦井安全生產(chǎn)和圍巖控制提供理論依據(jù)。

1 工程背景

黃陵二號煤礦位于黃陵礦區(qū)西北部，為一傾向北西-北西西的單斜構(gòu)造，地層傾角一般1°～5°。418工作面埋深在478～660 m，平均采高6.0 m，地表為山頂區(qū)域。煤層上覆頂板依次為細(xì)砂巖、粉砂巖相互交替疊加，煤層賦存特征如圖1所示。

圖1 煤層柱狀圖

直接頂板以石英、長石為主；老頂以粉砂巖為主，夾薄層粉砂質(zhì)泥巖層位，分選區(qū)性較好，屬半堅(jiān)硬類不易軟化巖石，巖石普氏硬度f=6～7。底板以泥巖為主，發(fā)育較多的水平層理、小型交錯層理，以具有節(jié)理、裂隙和滑面等結(jié)構(gòu)面為特點(diǎn)。

2 工作面圍巖破壞特征數(shù)值模擬

2.1 模型建立

模型尺寸為1 200 m(長)×20 m(寬)×570 m(高)，煤層頂部至地表500 m，模型水平四周及底部約束，上部為自由面。初始地應(yīng)力平衡后模擬工作面回采，設(shè)置初始開挖為開切眼(40 m)、剩余每次開挖8 m，共開挖45步，分析回采進(jìn)尺40～400 m工作面礦壓顯現(xiàn)。采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則計(jì)算，各地層媒巖力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 煤巖力學(xué)參數(shù)

2.2 應(yīng)力擾動分析

工作面開挖后0～400 m垂直應(yīng)力分布特征。工作面逐步開挖后，由圖2可知，工作面受上覆巖層載荷的重力的作用下，原巖應(yīng)力破壞，煤壁及煤壁頂板發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力擾動范圍隨著開挖步距的增加而擴(kuò)大，且煤層頂板側(cè)的應(yīng)力釋放范圍逐漸加大。

圖2 0～400 m應(yīng)力擾動特征

開挖至120 m時，老頂開始釋放。第5次開挖時頂板應(yīng)力釋放，釋放步距約10 m，隨著開挖步距的增加，底板應(yīng)力釋放能力及范圍加大，在10～20 m，間距約為20 m，煤壁前10～18 m(開挖0～200 m)，擾動應(yīng)力最大。隨著開挖尺寸的增加，應(yīng)力擾動范圍加劇，煤壁前應(yīng)力較為集中逐漸增大(大于0～200 m，約為15～22 m)，容易出現(xiàn)煤壁片幫等物理現(xiàn)象，最大擾動應(yīng)力為煤壁前約20 m處。

根據(jù)應(yīng)力合理的分布特征分析，開采的煤層擾動應(yīng)力峰值趨于穩(wěn)定，如圖 3所示。隨著開挖的推進(jìn)，應(yīng)力峰值趨近42 MPa，約為原巖應(yīng)力的2.87倍。

分析表2可知,工作面繼續(xù)推進(jìn)，應(yīng)力峰值及超前壓力影響范圍趨于穩(wěn)定，超前支承應(yīng)力峰值39.8～41.7 MPa，距工作面17～20 m；工作面回采影響距離最遠(yuǎn)可達(dá)到232 m，應(yīng)力集中系數(shù)1.67～2.87。

2.3 塑性區(qū)破壞特征

開采后的巖層整體強(qiáng)度降低，采空區(qū)上覆巖層會出現(xiàn)張拉、剪切破壞形成塑性破壞區(qū)，隨著開采的持續(xù)性，更多區(qū)域的煤巖破壞范圍逐漸擴(kuò)大。提取與應(yīng)力相同的開挖的塑性區(qū)，分析覆巖“三帶”劃分特征及圍巖塑性破壞現(xiàn)象。

圖3 圍巖應(yīng)力分布特征

表2 工作面推進(jìn)40～400 m時超前支承壓力統(tǒng)計(jì)

開切眼擾動穩(wěn)定后，直接頂和直接底出現(xiàn)塑性破壞。并隨著開挖步距的加大，覆巖出現(xiàn)塑性破壞。圍巖均以剪切、拉張的物種破壞形式共同產(chǎn)生，大部分巖層以Shear破壞為主。工作面推進(jìn)至200 m處時，工作面頂部約105 m處巖層(泥巖)具有貫通趨勢。同時工作面兩端具有向上演化趨勢。老頂與其上部細(xì)砂巖具有協(xié)同破壞的現(xiàn)象。開挖至280 m時(圖4)所示，工作面末端覆巖與105 m處泥巖貫通；開挖至320 m時105 m處巖層貫通，覆巖破壞繼續(xù)向上演化。隨著開挖范圍的增大，覆巖塑性破壞逐漸出現(xiàn)對稱的破壞特性。360 m處，覆巖塑性破壞至190 m厚的中砂巖底部，表明190 m中砂巖具有強(qiáng)烈的穩(wěn)定性。隨著步距繼續(xù)加大，覆巖塑性破壞高度為280 m，并向工作面兩端演化。

由于頂板的隨采隨冒和底板塑性破壞，大大減少了采空區(qū)空間。如圖 5所示，根據(jù)垮落巖層的發(fā)育情況(垮落巖層體積為原巖體積的1.2倍)和老頂垮落得協(xié)同作用的共同作用下，煤層垮落高度約為38 m。105 m處泥巖的裂隙貫通，表明覆巖裂隙帶高度約為105 m，其上部為彎曲下沉帶，約為175 m。

3 工作面圍巖破壞理論分析

3.1 超前支承壓力分布特征

3.1.1 塑性區(qū)內(nèi)支承壓力計(jì)算

根據(jù)彈塑性理論，在工作面前方極限平衡區(qū)內(nèi)支承壓力、塑性區(qū)內(nèi)支承壓力σy計(jì)算公式如式(1)所示：

圖4 工作面推進(jìn)0～200 m塑性區(qū)演化特征

圖5 工作面推進(jìn)240、280、320 m時塑性區(qū)變化特征

(1)

式(1)中：f為層間的摩擦系數(shù)0.21；φ為煤體內(nèi)摩擦角26.1；X為塑性區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)到煤壁的距離；M為煤層厚度，6 m；τcotφ為煤體自撐力，1.07。

令σy=KγH，支承壓力峰值點(diǎn)距煤壁的距離為X0，公式如式(2)所示：

(2)

式(2)中：K為應(yīng)力集中系數(shù)8；H為煤層埋深，500 m；γ為上覆巖層容重，2 600 kN/m3。6.0 m煤層塑性區(qū)支承壓力峰值點(diǎn)距煤壁距離約為47.75 m。

3.1.2 彈性區(qū)內(nèi)支承壓力計(jì)算

根據(jù)彈性區(qū)內(nèi)支承壓力分布表達(dá)式如式(3)所示：

(3)

式(3)中：β為非凈水應(yīng)力。設(shè)彈性區(qū)的范圍為X1，當(dāng)X=X0+X1時，σy=γH代入式(3)得到：

(4)

由式(4)可知，工作面前方彈性區(qū)內(nèi)支承壓力的范圍X1由于采厚M的增厚而增大，則6.0 m的彈性區(qū)內(nèi)支承壓力范圍約為185.7 m。

3.1.3 工作面動壓影響范圍計(jì)算

綜合依據(jù)彈塑性力學(xué)計(jì)算所得，不同采高動壓影響范圍為X=X0+X1，則由式(2)、式(4)計(jì)算可得6.0 m的動壓影響范圍為233.45 m。

綜合以上理論分析418工作面塑性區(qū)內(nèi)支承壓力峰值距工作面煤壁48.99 m，彈性區(qū)內(nèi)支承壓力范圍為185.71 m，則418工作面動壓影響范圍為233.45 m，與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果相差不大。

3.2 “三帶”高度理論計(jì)算

隨著工作面的推進(jìn)，覆巖變形和破壞在不斷地變化，圖6所示為煤層開采后覆巖破壞情況。

A為煤層支撐影響區(qū)；B為巖層離層區(qū)；C為重新壓實(shí)區(qū)；Ⅰ為垮落帶；Ⅱ?yàn)榱芽p帶；Ⅲ為彎曲帶

垮落帶高度計(jì)算：假定垮落的頂板巖層厚度最大為充滿采空區(qū)，由《礦井水文地質(zhì)規(guī)程》中冒落帶和裂隙帶最大高度經(jīng)驗(yàn)公式可知：

冒落帶最大冒落高度Hc為

Hc=(4～8)M=24～48 m

(5)

裂隙帶高度(包括冒落帶最大高度)Hf為

(6)

式(7)中：M為開采厚度，m；n為開采煤層層數(shù)。

(7)

通過數(shù)值分析和理論計(jì)算可知，數(shù)值計(jì)算的冒落高度3 m在理論計(jì)算范圍之內(nèi)，冒采比為6.3；裂隙發(fā)育高度高于理論計(jì)算的9.3%，采裂比為17.5。

4 現(xiàn)場實(shí)測及分析

4.1 來壓步距實(shí)測與分析

418工作面現(xiàn)場來壓如圖 7所示。

現(xiàn)場實(shí)測418工作面初次來壓步距83.7 m；周期來壓步距不等，最大為62.2 m，最小為8.1 m。初次來壓和第一次周期來壓步距較長，大部分垮落在12～18 m，14.4 m出現(xiàn)的周期來壓次數(shù)較多，周期來壓平均步距約為15 m。通過垮落步距和持續(xù)布局分析可知：垮落步距產(chǎn)生的持續(xù)步距不一，平均持續(xù)步距約為10 m。

受采動和頂板巖性的影響，粉砂巖在煤墻內(nèi)部切斷后，加劇細(xì)砂巖裂隙發(fā)育、破碎、冒落等礦壓現(xiàn)象，增加了來壓的持續(xù)步距。當(dāng)來壓步距較長時，對應(yīng)的持續(xù)步距較小。持續(xù)步距最長為27.6 m，最短為3.6 m，平均值約為10.3 m。

圖7 工作面來壓步距情況

4.2 “三帶”現(xiàn)場探查

在416工作面采空區(qū)上布置3個N203、N403、N303鉆孔，利用鉆孔沖洗液消耗量來對“三帶”發(fā)育高度進(jìn)行探查。

現(xiàn)象一鉆孔深度達(dá)到397.54 m上鉆后，孔內(nèi)水位迅速下降，繼而保持水位穩(wěn)定的現(xiàn)象是由于392.94～397.54 m段鉆進(jìn)過程中揭露裂隙帶頂界，孔內(nèi)水通過導(dǎo)水裂隙帶迅速漏失，漏失量大于補(bǔ)給量，原有的離層裂隙導(dǎo)水與含水層補(bǔ)給所形成的穩(wěn)定狀態(tài)被打破，所以出現(xiàn)孔內(nèi)水位迅速下降的現(xiàn)象；而孔內(nèi)水位下降到一定深度后，洛河組中上段含水層暴露于孔內(nèi)水位以上，因?yàn)槭ピ锌變?nèi)水壓的作用，含水層補(bǔ)給量增大，和漏失量重新達(dá)到平衡，所以出現(xiàn)孔內(nèi)水位下降至111 m后，短時間內(nèi)孔內(nèi)水位基本保持穩(wěn)定的現(xiàn)象。

現(xiàn)象二孔深471.88～476.48 m時，上鉆后孔內(nèi)300 m測不到水位是因?yàn)殂@孔揭露冒落帶頂界，冒落帶鉆孔孔壁冒落塌陷，成碎塊狀，不規(guī)則堆積，孔內(nèi)水迅速漏失，孔內(nèi)無水位。

通過鉆孔孔內(nèi)水位及沖洗液消耗量觀測，判斷鉆孔裂隙帶發(fā)育高度為孔深392.94～397.54 m，冒落帶發(fā)育高度為471.88～476.48 m。探查鉆孔孔口標(biāo)高1 236.12 m，裂隙帶發(fā)育高度標(biāo)高為841.82 m；鉆孔位置處所對應(yīng)的井下煤層開采底板標(biāo)高為720.00 m，煤層頂板標(biāo)高為728.00 m，冒落帶發(fā)育高度38.42 m，則裂隙帶發(fā)育高度為112 m。

結(jié)合數(shù)值模擬、理論計(jì)算以及現(xiàn)場實(shí)測對比分析，三者結(jié)果基本一致。

5 結(jié)論

(1)418工作面平均埋深500 m，原巖應(yīng)力為14.6 MPa，屬于高應(yīng)力地區(qū)；隨著開挖的推進(jìn)，應(yīng)力峰值趨近42 MPa，約為原巖應(yīng)力的2.87倍。支承應(yīng)力范圍約為187 m，最大擾動應(yīng)力為煤壁前約20 m處。

(2)418工作面初次來壓步距83.7 m，周期來壓步距不等，最大為62.2 m，最小為8.1 m，周期來壓平均步距為15 m。

(3)覆巖垮落高度38 m，冒采比為6.7，裂隙發(fā)育高度105 m，采裂比為17.5，塑性破壞高度280 m。大采高開采冒落帶及裂隙帶的范圍要遠(yuǎn)大于同厚度煤層分層開采相應(yīng)的范圍。