大切割開采深煤層煤面穩定控制分析研究

鄭 僖

（晉能控股煤業集團朔州煤電有限公司，山西 朔州 038300）

0 引言

隨著采礦綜合機械化進程的加快和煤炭需求的增加，眾多的煤礦逐漸向深埋開采延伸。例如，目前中國各礦區開采或擴張深度已超過800 m，江蘇、山東兩省甚至達到1 000 m。但深部開采由于其固有的高壓、高溫、高應力特性，更容易發生各種動力災害[1-2]。深部礦山由于地應力大，極易發生頂板破壞和塌陷。煤層傾角也影響著采煤工作面的穩定性和地表沉陷規律。此外，支護系統不能充分調動，導致工作面端部穩定性較弱，且采高較大，加劇了工作面剝落程度。近年來，工作面突發性剝落和頂板垮落被認為是制約深埋煤層和較大切高工作面采場穩定性的突出問題。根據早期現場技術人員對工作面剝落破壞類型的綜合研究，將控制工作面破壞的重點放在改進相應的支護系統測量，如聲發射（ACE）防護設備。隨著大截距開采技術的成功應用，眾多學者對采煤工作面破壞機理和防治技術進行了廣泛的研究，并解決了采煤工作面剝落災害的一些問題。通過對工作面剝落破壞機理及控制技術的系統研究，揭示了兩種主要的破壞類型：剪切破壞和拉伸破壞。確定了工作面破壞的本質是楔形體的破壞[3-5]。

顯然，目前的研究更多地集中在理論分析和實際應用領域，以控制工作面破壞。但優先考慮得到采煤工作面的一般破壞機制，而不是考慮具體的影響因素，如開采深度或開采與邊界條件。特別是對于深部開采，水平應力是影響工作面穩定性的一個不可忽視的因素。因此，本文結合理論分析、數值模擬和現場實測，充分考慮水平應力和開采條件，對某深部采煤工作面破壞機理及穩定性控制措施進行了研究。

1 工作面剝落的主要控制因素力學模型

根據采場上覆巖層的結構，在工作面煤體開挖后，形成了兩種類型：支承系統支承整個頂板巖石時形成的是b 型固體煤塌矸石，在工作面推進方向上靠近煤層的頂板巖石由支承系統支承時形成的是b 型工作面支承-垮落矸石。因此，當直接頂板和主頂板不穩定時，工作面和支護系統主要吸收頂板壓力。圖1-1給出了研究工作面穩定性的b 煤工作面-頂板力學模型，簡化模型如圖1-2 所示。假設滑動煤M1高度達到最大值M，即工作面開采高度，滑動面剪切力S 和法向力N，則破壞面上剪切力T 為式（1）～式（3）所示：

圖1 力學模型

式中：Q 為上覆地層壓力；P 為支撐體系工作阻力；G為滑體的重力；F 為煤體與直接頂板摩擦系數；Q0為支撐板作用在采煤工作面上的力；β、φ 分別為煤體破壞角、內摩擦角；C 為內聚力；M 為采高。結合方程式（1）～式（3），工作面穩定系數K 可定義為式（4）所示：

由式（4）可知，多種因素共同決定了穩定系數。首先，隨著頂板壓力Q 值的增大，工作面失穩的可能性也隨之增大。前者與開采高度和開采深度有關，影響水平應力的大小。因此，采煤工作面的穩定性直接取決于采高和工作面水平應力。二是工作面與支護系統共同承受上覆巖層的壓力。如果能充分調動良好的支護體系，提高工作面穩定性，工作面鉆孔壓力和煤體與直接頂板間的摩擦最小。煤體的黏聚力和內摩擦角對工作面穩定性也起著至關重要的作用。煤體強度較弱，容易造成工作面破壞。因此，深埋煤層的大切高工作面在深部開采時，由于煤巖體強度較低，極易引起工作面剝落。

煤力、水平應力、采高、支護系統工作阻力和煤體強度共同作用于工作面穩定性。然而，僅用理論方法很難對主要控制因素進行分析。因此，為了制定解決工作面破壞的具體控制措施，有必要通過數值模擬研究這些因素的相對重要性。

2 影響某煤礦工作面穩定性的主要因素分析

以1303 面板為工程背景，采用二維維通用離散元代碼（UDEC2D）軟件程序，研究了采煤高度、水平應力、支護工作阻力、煤體黏聚力和內摩擦角對工作面穩定性的影響。煤巖體力學參數，如表1 所示。

表1 煤巖體力學參數

數值模型通過改變豎向荷載和側向壓力來模擬開采深度。分別采用20、15、10、5 MPa 的豎向加載系數和1.6、1.2、0.8、0.4 的側壓系數模擬800、600、400、200 m 不同開采深度。如圖2-1 所示，開采深度對某工作面破壞特征的影響，當開采深度為200 m 時，工作面最大破壞深度為0.5 m，最大破壞區域為1.2 m2。最大破壞深度從0.8 m 增加到1.1 m，然后增加到1.5 m，從2.3 m2增加到3.6 m2，然后增加到5.6 m2。因此，隨著開采深度的增加，破壞深度和破壞區域顯著增加。但工作面頂板的剪切破壞主要發生在淺埋深度，而工作面剝落發生在整個工作面高度，并結合拉伸破壞和剪切破壞，表現為在開采深度連續出現的折痕。

圖2 影響工作面破壞深度及破壞帶面積的主要因素

采用4 種不同的開采高度進行數值模擬，隨著采高從3 m 增加到4 m，從5 m 增加到6m，最大破壞深度和破壞區域分別從0.7 m 增加到1.0 m，從1.5 m 增加到1.7 m，從1.5 m2增加到3.4 m2，從5.6 m2增加到7.4 m2，如圖2-2 所示?？梢?，隨著采高的增加，工作面破壞深度和破壞帶面積均略有增加，且4 個采高均造成工作面整體高度破壞。

當煤體黏聚力從0.5 MPa 增加到1 MPa 時，最大破壞深度由2.1 m 減小到1.5 m，破壞區域面積由8.3 m2減小到5.6 m2。如圖2-3 所示，當黏聚力達到3 MPa 時，工作面幾乎沒有發生明顯破壞。無支護強度時，最大破壞深度為1.5 m，破壞區域為5.6 m2。當支護強度從1 MPa 增加到1.25 MPa，再增加到1.5 MPa時，對應的最大破壞深度和破壞區域分別從1.3 m 減小到1.1 m，最后減小到0.8 m，從4.5 m2減小到2.8 m2，最后減小到2.3 m2，如圖2-4 所示。結果表明：隨支護強度的增加，工作面破壞程度降低，且破壞速率降低；因此，增加支護強度對提高工作面穩定性的作用也從根本上受到了限制。

3 結論

本文以1303 工作面為工程背景，結合理論計算、數值模擬及現場應用，闡述了深埋煤層大采高工作面破壞機理及穩定性控制措施。工作面應力環境對工作面剝落起著至關重要的作用，它是由采掘過程中循環法向應力和圍壓不斷卸荷引起的。特別是在初始加權前，由于工作面應力狀態由三維向二維甚至一維變化，煤體強度逐漸降低，導致工作面失穩。1303 面板在采煤工作面前方3 m 范圍內可顯示出二維加載。與支護強度相比，影響深埋煤層大截高工作面工作面穩定性的主要因素是煤體強度、采高和采深。該技術創新對工作面剝落的發生具有明顯的抑制作用。