受背斜控制大采高工作面片幫冒頂機理分析

張佳佳

(晉煤集團晉圣億欣煤業有限公司，山西 晉城 048000)

0 引言

大采高采煤工藝具有開采空間大、圍巖活動劇烈、支承壓力峰值與影響范圍明顯增大等特點，適用于煤層傾角小、煤層相對穩定、頂板情況好的條件[1]。受開采因素和地質因素影響，大采高工作面更易于發生煤壁片幫、端面冒頂等事故[2]。防治片幫冒頂是實現工作面高產高效需要解決的問題。

許多學者對工作面片幫冒頂機理進行了研究，對影響片幫冒頂的采高、煤體力學性質、煤層傾角、端面距、支架適應性等因素進行了分析，并建立相關的力學模型預測煤壁片幫的位置[3-7]。而對于多因素作用下工作面片幫冒頂機理及防治鮮有報道。為此，針對11503大采高工作面初采階段片幫冒頂事故，應用理論分析和數值模擬，研究受背斜控制大采高工作面片幫冒頂機理。

1 事故基本情況

1.1 11503工作面概況

任家莊煤礦位于寧東礦區，可采煤層包括山西組和太原組在內共12層，目前開采山西組5號煤。5號煤賦存較穩定，煤層結構單一，無夾矸，煤體硬度f約為1.2，煤層底板為泥巖，老頂為粉砂巖。11503工作面位于11采區，工作面大部分受到三道溝背斜影響，該背斜軸面東傾85°，西翼較陡，東翼較緩，在工作面內延伸約1 023 m。在距風巷F1點575.6 m處三道溝背斜軸部進入工作面，從工作面切眼出。此外，工作面內存在f 6、f 41、f 42和f 44等一系列小型斷層，落差均不大于5 m。斷裂帶煤巖不穩定，較破碎，巷道頂板管理困難。11503工作面標高+993～+1 110 m，平均埋藏深度433 m；工作面走向長度1 530 m，工作面煤層傾角4°～11°，煤層平均厚度為4.8 m，采用一次采全高綜合機械化開采。

1.2 事故概況

11503大采高工作面在初采階段，回采至18 m處，距風巷巷口60 m的范圍內發生了一次嚴重的片幫冒頂事故，造成大量煤體涌出，煤體堆積至支架間走道。液壓支架上方出現大面積冒頂，無人員傷亡，但是嚴重影響工作面的安全、快速回采。事故位置示意圖及事故后現場如圖1所示。

圖1 發生事故位置及事故后現場照片

2 事故機理分析

三道溝背斜從11503工作面穿出，工作面從切眼推進受到背斜影響，從翼部向軸部開采，初采階段工作面處于仰斜開采。從大采高礦壓顯現特點、仰采條件下老頂初次破斷距及煤壁破壞特征，對11503工作面初采階段發生的片幫冒頂機理進行分析。

2.1 大采高工作面礦壓顯現特點

現場實踐證明，隨開采高度的增加，工作面頂板壓力隨之增大，煤壁前方支承壓力集中程度也隨之增加。大采高綜采老頂來壓相比普通綜采更為劇烈，工作面周期來壓明顯，來壓強度增加[8]。綜放開采由于頂煤的緩沖作用，破斷巖板離工作面較高，放頂煤開采工作面初次來壓強度不大，較大采高開采礦壓顯現較緩和，緩解了煤壁處壓力。相同采高條件下，大采高與綜放開采超前支承壓力曲線如圖2所示[9]。

圖2 大采高與綜放開采支承壓力對比

2.2 仰采條件下老頂的初次斷裂步距

圖3 初次來壓前老頂的力學模型

(1)

式中，L—極限跨距；h—巖層厚度；RT—巖層抗拉強度；q—巖層所承受載荷。當煤層傾角為α時，梁所受載荷可分解為：平行于推進方向的qsinα和垂直于推進方向的qcosα，兩端固支梁的受力分析如圖4所示。

圖4 仰斜開采初次來壓老頂的力學模型

在梁上端B點產生最大拉應力

(2)

當σB=RT時，巖層在該處破斷，破斷距為

(3)

由此可以看出，隨著煤層傾角的變大，老頂破斷距逐漸減小，初次來壓步距減少，初次來壓可能造成工作面前方壓力過大，導致頂板下沉。采取仰采，容易引起頂板松動，對頂板的穩定性造成一定的影響。另外，在仰斜開采時，煤層重心偏向采空區一側，煤壁內超前支承壓力的峰值向煤壁自由面一側移動，更容易誘發片幫。

2.3 煤壁的剪切破壞

受煤體自重及頂板壓力作用，當煤壁內的剪應力大于煤體抗剪強度時將發生剪切滑動破壞。將仰采時煤壁簡化為平面力學模型如圖5所示，按照摩爾-庫侖強度理論，破壞準則可表述為當沿剪切面的抗剪力D小于該面上的滑動力S時，則煤壁發生剪切破壞,破壞準則判定安全余量G表示為

G=D-S=Chsecα+Ntanφ-S≤0

(4)

式中，C—煤體粘聚力；h—剪切面破壞高度；α—剪切面與煤壁的夾角；N—剪切面上的法向力；φ—煤體內摩擦角。

由圖5可知，力N、S是由頂板壓力和破壞體自重2個部分組成，煤壁所受頂板壓力p=qhtanαsinθ，滑動體自重w=h2γtan(α/2)，其中γ為煤體容重。

圖5 傾斜煤壁剪切破壞分析

由摩爾-庫侖理論得到α=45°-φ/2，N=(P+W)cos(90°-α+θ)，S=(P+W)sin(90°-α+θ)代入式(4)得煤壁剪切破壞準則為

G=Chsecα+(qhsinθ+h2γ/2)[sin(α-θ)tanφ-cos(α-θ)]≤0

(5)

B=sin(α-θ)tanφ-cos(α-θ)

(6)

上述煤壁片幫機理分析表明，煤壁發生剪切破壞，除與煤體的頂板壓力、抗剪強度、煤體性質有關外，仰斜開采時煤層傾角對煤壁片幫影響較大。

由式(5)可知，隨著煤層傾角的增大，B值減小，當煤層傾角超過某一特定值時，B<0，可見煤層傾角大幅增加了煤壁剪切破壞的危險性。

2.4 受背斜控制大采高工作面礦壓規律

建立模型：為分析三道溝背斜對11503工作面礦壓顯現規律的影響，建立基于現場實際地質情況的精細化三維數值模型，具體建模步驟如圖6所示。根據現場鉆孔資料，運用AutoCAD建立能準確反映該工作面地形的精細化三維地質模型，然后將模型導入ANSYS進行網格劃分，生成精細化三維地質模型。最后將數值模型導入FLAC3D，對各巖層賦參數進行數值計算。

圖6 三維地質模型數值模擬建模流程

兩幫收斂量模擬與實測結果對比：數值模擬中開挖步距設置為6 m，與現場回采每天的推進度一

致。通過對比分析數值模擬與現場實測布置在風巷中各測點的兩幫收斂量隨回采進行的變化情況，對數值模擬結果的準確性進行驗證。圖7為數值模擬結果與現場實測結果的對比曲線，可以看出，數值模擬結果與實測結果差別微小，具有基本一致的變化趨勢，可以反映巷道收斂量變化趨勢和規律，說明數值模擬的結果是可取的。

圖7 兩幫收斂量模擬與實測結果對比

區域位移分析：利用精確三維地質模型分析隨回采的該區域的位移的變化情況，如圖8所示。工作面附近處于卸壓狀態，隨著工作面推進，煤層頂板下沉量逐漸增加，由0.049 m變為0.055 m最后增加到0.076 m，最大位移范圍擴大至距風巷30 m附近。機巷位于下巷，位移應力均大于位于上巷的風巷。仰采開采過程中，工作面受仰采角度作用，頂板將產生向采空區方向的沿層面的分力，在此沿層面的分力的作用下，頂板懸臂巖層將向采空區方向移動，煤壁的水平位移量也會增大，導致煤壁片幫，煤壁側無支護面積增大，更加促使近煤壁處頂板的下沉及破碎，使頂板維護條件惡化。

圖8 推進過程中豎向位移云圖

2.5 大采高工作面礦壓控制建議

通過分析11503工作面片幫冒頂機理表明，大采高工作面礦壓顯現劇烈，受背斜影響老頂初次破斷距減小，初次來壓時在基本頂回轉作用下，煤體的抗剪能力大大降低，容易發生片幫。煤層傾角變大，增加了煤壁剪切破壞的危險性。大采高工作面應避免仰斜開采，對地質構造段應加強礦壓觀測與頂板管理。此外，煤體發生片幫與煤體自身性質有很大關系，可通過注漿加固煤壁改變煤體性質提高煤體抗剪強度，達到減少片幫冒頂的目的。

3 結論

(1)通過理論分析得出大采高工作面礦壓顯現劇烈，煤層傾角變化后，老頂初次破斷距減小，煤層傾角變大，增加了煤壁剪切破壞的危險性。

(2)基于GIS建立考慮三道溝背斜的真實地質模型，分析受背斜控制大采高工作面礦壓顯現規律，考慮三道溝背斜的地質模型與現場監測數據變化規律保持一致，相關度極高。

(3)受背斜影響大采高工作面易發生片幫冒頂，在地質構造段應加強礦壓觀測與頂板管理。