弱化頂煤控制大采高綜放工作面煤壁片幫技術(shù)研究

楊 軍 劉斌慧,2 張明媚 王宏宇,2 付 強(qiáng),2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市海淀區(qū)，100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

近幾年針對(duì)厚煤層開采提出的大采高綜放開采方法已在塔山、平朔、同忻、五家溝等礦井成功應(yīng)用。然而在生產(chǎn)過(guò)程中，煤壁片幫、架前漏冒嚴(yán)重，造成設(shè)備損壞，人員傷亡事故頻發(fā)，大采高綜放工作面煤壁片幫問(wèn)題亟需得到解決。

一些學(xué)者對(duì)煤壁片幫機(jī)理與控制進(jìn)行了大量的研究，采用各種措施用于緩解片幫的發(fā)生：煤體注水改善煤體性質(zhì)；對(duì)頂板爆破預(yù)裂或注水弱化減弱來(lái)壓強(qiáng)度；適當(dāng)加快工作面推進(jìn)速度，減少煤壁暴露時(shí)間；保證液壓支架的初撐力和工作阻力，帶壓移架減少作用在煤壁上的壓力；充分利用護(hù)幫板，使煤壁處于三向受壓狀態(tài)，提高強(qiáng)度，并阻擋從煤壁上崩落的煤塊；對(duì)于破碎煤體采用注漿木錨桿或棕繩配合注漿加固。

綜上所述，目前的研究多側(cè)重于優(yōu)化煤壁力學(xué)性能或減弱煤壁受力，未考慮煤壁、頂煤、支架及矸石對(duì)上覆巖層的協(xié)同支撐效果，尤其在頂煤特性變化對(duì)煤壁變形的影響方面的研究較少。

1 采場(chǎng)圍巖系統(tǒng)模型

考慮煤壁、頂煤、支架及矸石共同作用，對(duì)老頂斷裂前后的圍巖系統(tǒng)進(jìn)行建模如圖1所示。

Ⅰ—液壓支架；Ⅱ—支架上方頂煤；Ⅲ—矸石；Ⅳ—煤壁及上方頂煤；Ⅴ—上覆巖層圖1 老頂斷裂前后的圍巖系統(tǒng)

分析圖1可知，老頂斷裂前，Ⅱ區(qū)頂煤呈散體狀態(tài)，由于未受頂板回轉(zhuǎn)擾動(dòng)，相對(duì)穩(wěn)定，呈靜散體狀態(tài)。此時(shí)，由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū)共同承載，此時(shí)支架壓力不大，煤壁片幫不嚴(yán)重。

老頂斷裂時(shí)，Ⅱ區(qū)頂煤后方缺乏約束，受頂板回轉(zhuǎn)的強(qiáng)烈擾動(dòng)，向Ⅲ區(qū)運(yùn)動(dòng)，由靜散體向動(dòng)散體狀態(tài)轉(zhuǎn)變。由于Ⅱ、Ⅲ區(qū)處于松散狀態(tài)，兩區(qū)的承載能力較小，大量綜放面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也表明支架此時(shí)處于緩慢增阻狀態(tài)。而由Ⅳ區(qū)起主要承載作用，此時(shí)支架壓力不大，煤壁片幫嚴(yán)重。

老頂斷裂后，Ⅳ區(qū)上部頂煤被壓碎，煤體狀態(tài)由塑性向散體轉(zhuǎn)變。此時(shí)，由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū)共同承載，煤壁壓力緩解。

進(jìn)一步重點(diǎn)關(guān)注煤壁及其上方頂煤、直接頂在老頂回轉(zhuǎn)壓力下的耦合變形。為此，將Ⅳ區(qū)進(jìn)一步細(xì)分為Ⅳ1區(qū)和Ⅳ2區(qū)，Ⅳ1區(qū)為煤壁上方頂煤和直接頂，Ⅳ2區(qū)為煤壁，如圖2所示。

圖2 Ⅳ1區(qū)和Ⅳ2區(qū)耦合變形模型

如果能設(shè)法弱化圖2中的Ⅳ1區(qū)，使其在整個(gè)耦合變形中充當(dāng)保護(hù)層的角色，頂煤就能優(yōu)先變形，對(duì)下方煤壁起緩沖保護(hù)作用。

分析當(dāng)前存在的十多種預(yù)防片幫措施，大體可以分為兩類：一類是為了減小頂板壓力，主要包括適當(dāng)加快工作面推進(jìn)速度、保證液壓支架的初撐力和工作阻力、采用超前支護(hù)和帶壓移架、采用松動(dòng)爆破或注水弱化老頂；另一類是為了改變Ⅳ2區(qū)煤體力學(xué)性質(zhì)，主要包括煤壁注水、充分利用護(hù)幫板、采用木錨桿支護(hù)+注漿、采用棕繩支護(hù)+注漿。當(dāng)前理論和現(xiàn)場(chǎng)采取的措施主要關(guān)注點(diǎn)集中在煤壁本身和煤壁承受載荷上，目前對(duì)于弱化Ⅳ1區(qū)特性，使其充當(dāng)緩沖墊層的機(jī)理研究十分有限。

2 散體吸能緩沖機(jī)理

閆民等建立了散體之間的本構(gòu)模型，并通過(guò)赫茲接觸理論和非完全彈性碰撞理論確定了其中的各項(xiàng)參數(shù)。在一定范圍內(nèi)的頂煤，由塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)換到散體狀態(tài)，形成類似于散體之間的本構(gòu)模型結(jié)構(gòu)。當(dāng)靜載或沖擊載荷作用于散體煤塊上時(shí)，煤塊之間摩擦、旋轉(zhuǎn)和擠壓，吸收和消耗了大量的能量，減少了能量向下方煤壁傳遞。

徐連滿通過(guò)室內(nèi)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)和沖擊載荷試驗(yàn)研究散體的吸能緩沖原理。準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)記錄到的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈下凹型，待孔隙壓密后，呈現(xiàn)出彈性體的特性。在一般的煤?jiǎn)屋S壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)中，能在壓密階段檢測(cè)到密集的聲發(fā)射信號(hào)，而在準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)中，觀察到更長(zhǎng)的壓密曲線段。試驗(yàn)表明，呈散體狀態(tài)的煤體吸能作用比完整的煤體更加明顯。

沖擊載荷試驗(yàn)通過(guò)落球模擬沖擊，通過(guò)桶底的傳感器接收數(shù)據(jù)，試驗(yàn)中采用了不同粒徑和厚度的煤巖散體。試驗(yàn)表明，經(jīng)緩沖后到達(dá)桶底的沖擊力隨著煤巖散體的塊度增大而減小，隨著煤巖散體的厚度的增加先明顯減少然后趨于穩(wěn)定。幾組試驗(yàn)得到的桶底沖擊力僅為無(wú)緩沖時(shí)的12%～33%，合適的厚度塊度組合能達(dá)到更好的緩沖吸能效果。

室內(nèi)準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)和沖擊載荷試驗(yàn)分別對(duì)應(yīng)于頂板非來(lái)壓期間和來(lái)壓期間，上述試驗(yàn)結(jié)果具有很大的借鑒意義。

綜放開采中，機(jī)采高度只占整個(gè)煤層高度的一部分，上方頂煤的采出主要靠礦壓和支架反復(fù)支撐的破碎作用，將處于塑性狀態(tài)的煤體壓酥為散體，最終經(jīng)放煤口放出。因此處于散體狀態(tài)下的頂煤可以作為防止煤壁片幫良好的緩沖保護(hù)層。

3 綜放工作面頂煤分區(qū)

綜放工作面頂煤可以分為3個(gè)區(qū)，分別為彈性區(qū)、塑性區(qū)和散體區(qū)，如圖3所示。

圖3 綜放工作面頂煤分區(qū)示意圖

事實(shí)上，上述3個(gè)區(qū)域的位置受支承壓力、煤體力學(xué)性質(zhì)以及頂板特性等的影響。當(dāng)煤質(zhì)較軟時(shí)，支架前方為塑性體，后方為散體；當(dāng)煤質(zhì)中硬時(shí)，支架前為受損的彈性體，后方為塑性區(qū)；當(dāng)煤質(zhì)較硬且煤層埋藏較淺時(shí)，支架上方往往還是受損的彈性體。

根據(jù)上述分析，防止煤壁片幫應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注Ⅳ1區(qū)頂煤的特性，而吸能緩沖能力從大到小排序?yàn)椋荷Ⅲw>塑性體>彈性體。因此，要使大采高放頂煤工作面煤壁片幫得到緩解，關(guān)鍵就在于使塑性區(qū)(散體區(qū))前移。

4 高壓注水弱化頂煤技術(shù)機(jī)理

當(dāng)靠近煤壁的頂煤力學(xué)性質(zhì)被弱化后，其承載能力減弱，豎直應(yīng)力峰值向內(nèi)轉(zhuǎn)移，塑性區(qū)范圍擴(kuò)大到一定程度，Ⅳ1區(qū)的頂煤此時(shí)處于散體區(qū)，能對(duì)下方Ⅳ2區(qū)的煤壁起到吸能緩沖作用。

在高壓水的作用下，煤體的力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生弱化，高壓注水弱化的機(jī)理如下：水在外界壓力的作用下首先進(jìn)入鉆孔壁的貫通裂隙，憑借高壓使原有裂隙擴(kuò)展延伸，與此同時(shí)和煤體中的親水礦物結(jié)合，從而降低了煤體的強(qiáng)度。當(dāng)水到達(dá)微孔隙處時(shí)，外界壓力已經(jīng)衰減到很小，此時(shí)毛細(xì)管壓力開始對(duì)滲透起關(guān)鍵作用，毛細(xì)水對(duì)改變煤體的物理力學(xué)性起著關(guān)鍵作用。

根據(jù)彈性力學(xué)理論，在如圖4所示的帶圓孔的矩形板四周施加均布載荷，孔周邊的切向應(yīng)力表達(dá)式為：

σθ=(1+λ)q0+2(1-λ)q0·cos2θ

(1)

式中：σθ——孔周邊的切向應(yīng)力，MPa；

λ——側(cè)壓力系數(shù)；

q0——豎向壓力，MPa

θ——某一點(diǎn)在極坐標(biāo)下的角度，(°)。

在圓孔四周施加均布載荷，孔周邊的切向應(yīng)力表達(dá)式如下：

σθ=-p

(2)

式中：p——注水壓力，MPa。

鉆孔注水加壓后，孔周邊的切向應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度時(shí)，煤體便開始出現(xiàn)裂縫，表達(dá)式如下：

|(1+λ)q0+2(1-λ)q0·cos2θ-p|>|Rt|

(3)

式中：Rt——煤體抗拉強(qiáng)度，MPa。

圖4 高壓注水鉆孔受力示意圖

5 工程實(shí)例

5.1 工程背景

不連溝煤礦F6202大采高綜放工作面埋深380 m，工作面長(zhǎng)度240 m，煤層傾角約4°，平均厚度約15 m，煤質(zhì)較硬，裂隙發(fā)育。采煤機(jī)割煤高度3.8 m，放煤高度11.2 m。工作面推進(jìn)速度為4 m/d，正常回采期間片幫深度均值1245 mm，片幫次數(shù)19次/d；周期來(lái)壓期間片幫深度均值達(dá)到1320 mm，片幫次數(shù)24次/d。煤壁上部片幫導(dǎo)致空頂距增加，頂煤破碎冒落，高度可達(dá)1.5 m,沿煤壁方向連續(xù)冒落長(zhǎng)度長(zhǎng)達(dá)20 m，頂煤清理困難，影響礦井安全生產(chǎn)。

5.2 注水弱化方案

注水被應(yīng)用于不同目的時(shí)，具體操作情況會(huì)有所差異。為實(shí)現(xiàn)Ⅳ1區(qū)弱化，需要給頂煤注水。

圖5 鉆孔布置方式示意圖

由于不連溝礦F6202工作面采用綜放開采，工作面長(zhǎng)度達(dá)240 m，長(zhǎng)度超過(guò)100 m，因此采用雙排孔布置。此外，充分利用瓦斯排放巷向下往頂煤注水，在停止加壓注水后，水在重力的作用下還能自動(dòng)向煤體滲透。注水孔布置方式示意圖如圖5所示。

為研究注水弱化對(duì)減緩煤壁片幫的作用，采用幾組不同的弱化系數(shù)對(duì)頂煤力學(xué)參數(shù)進(jìn)行賦值，觀察注水后支承壓力分布的變化，預(yù)測(cè)片幫效果。

5.3 數(shù)值模擬

根據(jù)F6202工作面開采情況和巖性分布特征建立數(shù)值模型。模型長(zhǎng)度100 m，寬度300 m，工作面機(jī)采3.8 m，頂煤11.2 m。煤巖物理力學(xué)性能參數(shù)見表1。

表1 煤巖物理力學(xué)性能參數(shù)

在FLAC3D數(shù)值模擬軟件中，采用快速應(yīng)力邊界法(S-B法)得到原始應(yīng)力場(chǎng)，然后清除節(jié)點(diǎn)位移和速度。工作面分步開挖30 m后，將平衡后的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入tecplot軟件繪制豎直應(yīng)力等值線圖，如圖6(a)所示，應(yīng)力集中系數(shù)為2.54。

在注水弱化后，煤體中除了裂隙擴(kuò)張外，其自身的物理力學(xué)參數(shù)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，在本次數(shù)值模擬中僅僅考慮注水弱化對(duì)煤體自身力學(xué)參數(shù)的影響。范晉偉發(fā)現(xiàn)通過(guò)一元線性可以擬合不同含水率下煤體的體積模量、剪切模量、內(nèi)聚力、抗拉強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角的變化，其中體積模量是隨著含水率的增加而增大，其余各項(xiàng)隨含水量增加而降低。為了研究不同弱化程度下，煤壁支承壓力的分布和大小的變化，擬定了3組弱化系數(shù)，見表2。

表2 力學(xué)參數(shù)弱化系數(shù)表

在弱化的條件下，同樣工作面分步開挖30 m后，將平衡后的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入tecplot軟件繪制豎直應(yīng)力等值線圖，如圖6(b)、(c)和(d)所示，應(yīng)力集中系數(shù)分別為2.34、2.15和1.95。

圖6 工作面前方豎直方向應(yīng)力云圖

由圖6可以看出，隨著對(duì)頂煤弱化程度的加大，支承壓力峰值不僅在數(shù)值上降低，且位置由煤壁前方向后上方(頂煤弱化范圍的邊界處)移動(dòng)，最終壓力峰值轉(zhuǎn)移到邊界處。

煤壁處于塑性區(qū)范圍內(nèi)，但仍具有一定的殘余強(qiáng)度，保證煤壁不會(huì)發(fā)生大面積垮落。在非來(lái)壓期間的采動(dòng)循環(huán)中，每一次開挖都會(huì)對(duì)煤壁穩(wěn)定產(chǎn)生一次沖擊，而支承應(yīng)力峰值越小，這種影響越小。來(lái)壓期間，頂板垮落產(chǎn)生的動(dòng)載荷會(huì)嚴(yán)重影響煤壁穩(wěn)定性，但弱化為散體區(qū)的頂煤能起到吸能防沖的作用，同樣也保證了煤壁的穩(wěn)定性。綜上所述，煤壁穩(wěn)定性因?yàn)轫斆旱娜趸玫捷^好的改善。

6 結(jié)論與建議

6.1 主要結(jié)論

(1)針對(duì)大采高放頂煤煤壁片幫問(wèn)題，通過(guò)對(duì)老頂斷裂前后的圍巖進(jìn)行力學(xué)建模，得到了Ⅳ1區(qū)的特性對(duì)控制煤壁片幫的發(fā)展起重要作用的結(jié)論，并分析了當(dāng)前對(duì)于控制片幫問(wèn)題多側(cè)重于對(duì)Ⅳ2區(qū)和老頂給定壓力，提出加強(qiáng)對(duì)Ⅳ1區(qū)認(rèn)識(shí)的觀點(diǎn)。

(2)結(jié)合散體區(qū)吸能防沖的機(jī)理和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，提出通過(guò)注水弱化Ⅳ1區(qū)，并針對(duì)不連溝15 m煤層大采高綜放開采的片幫問(wèn)題，初步提出了注水弱化方案。為了驗(yàn)證工程效果，根據(jù)F6202工作面的開采情況和巖性分布特征建立數(shù)值模型，分析得到弱化程度加大，支承壓力減小，并向深處頂煤方向移動(dòng)的規(guī)律。

6.2 研究建議

對(duì)于綜放工作面，使用基于連續(xù)介質(zhì)的FLAC3D數(shù)值模擬軟件能夠反映豎直應(yīng)力等礦壓表征參數(shù)的變化規(guī)律，但在位移方面模擬效果不理想，通過(guò)離散元數(shù)值模擬軟件可能得到較為理想的結(jié)果。除此之外，此次模擬屬于靜態(tài)模擬，未能體現(xiàn)頂板垮落動(dòng)載荷的沖擊。最后，頂煤弱化超前工作面距離與弱化程度都是影響工程效果的重要因素，可以成為進(jìn)一步深入研究的內(nèi)容。

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