斜溝礦8號(hào)煤層采后上覆頂板破斷規(guī)律及力學(xué)分析

郝昭龍

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西 興縣 033602）

山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1500萬(wàn)t/a。斜溝煤礦正在開(kāi)采13#和8#煤層。在8#煤層12采區(qū)的開(kāi)采過(guò)程中，隨著工作面開(kāi)采深度的增加和頂板巖石條件的變化，巷道頂板支護(hù)出現(xiàn)了一些問(wèn)題，發(fā)生了幾次漏頂和冒頂?shù)氖鹿剩o礦井的安全生產(chǎn)帶來(lái)了很大隱患，嚴(yán)重影響了礦井的生產(chǎn)接續(xù)。如果借鑒相鄰礦井的資料來(lái)進(jìn)行工作指導(dǎo)，就會(huì)存在很大的盲目性和針對(duì)性，必將給礦井安全生產(chǎn)和防治水工作帶來(lái)安全隱患。因此探討煤礦頂板斷裂具有重要的意義，必將對(duì)工作面頂板維護(hù)和防治水工作提供可靠的理論基礎(chǔ)。

1 頂板破斷力學(xué)分析

1.1 留巷的圍巖結(jié)構(gòu)

隨著回采工作的不斷推進(jìn)，采空區(qū)面積不斷的增加，煤層上覆巖層的懸露面積也不斷擴(kuò)大，當(dāng)煤層頂板是堅(jiān)硬的巖層時(shí)，由于巖層受到自身自重，上覆覆巖重量及煤層開(kāi)采引起的應(yīng)力，頂板會(huì)在實(shí)體煤體上方發(fā)生斷裂，形成鉸接結(jié)構(gòu)[1-2]，如圖1所示。堅(jiān)硬頂板的斷裂，會(huì)在回采工作面形成來(lái)壓突然增大、頂板出現(xiàn)整體冒落，此現(xiàn)象必然會(huì)引起上覆巖層發(fā)生較大的活動(dòng)，留巷圍巖所受到的載荷勢(shì)必會(huì)增加，造成巷道維護(hù)困難。

圖1 留巷圍巖結(jié)構(gòu)圖

1.2 基本頂發(fā)生破斷對(duì)留巷煤柱的影響

工作面回采后，煤層的老頂在斷裂后會(huì)在采空區(qū)側(cè)形成關(guān)鍵塊體A、B、C，如圖1所示；關(guān)鍵塊A位于未采區(qū)域煤層上方、關(guān)鍵快B則是在采空區(qū)與未采區(qū)之間，一段處于未采的實(shí)體煤層上方，另一端則旋轉(zhuǎn)下沉，位于冒落的矸石之上[3-4]，關(guān)鍵塊C則整體位于冒落的矸石之上。由于老頂?shù)膸r性一般為堅(jiān)硬的砂巖，強(qiáng)度、剛度較大。由于老頂受到較大的壓力，當(dāng)支撐關(guān)鍵塊B的實(shí)體煤及矸石無(wú)法阻止其旋轉(zhuǎn)下沉?xí)r，就會(huì)發(fā)生沉降。關(guān)鍵塊B的下沉量S和旋轉(zhuǎn)角θ可由下式求得：

其中任意點(diǎn)x處的基本頂給定變形量Sx為：

式中：M為工作面采高；∑h為直接頂厚度；k0為采空區(qū)矸石參與碎脹系數(shù)；θ為塊體B的旋轉(zhuǎn)角；L為塊體B的長(zhǎng)度；X為距塊體B破斷位置的距離。

1.3 三角塊B相關(guān)參數(shù)

周期來(lái)壓步距L1、沿采空區(qū)向斷裂跨度L2，煤體中發(fā)生斷裂的位置x0，是三角塊B的重要參數(shù)。三角塊B的基本尺寸以及通過(guò)基本頂在周期來(lái)壓時(shí)的斷裂模式和周期來(lái)壓步距可以由公式（4）、（5）確定[5-6]。由材料力學(xué)的先關(guān)理論可知周期來(lái)壓步距計(jì)算公式為：

式中：h為基本頂厚度，取24.0m；RT為基本頂抗拉強(qiáng)度，根據(jù)巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果取4.5MPa；Q為基本頂單位面積承受的載荷，本計(jì)算中取基本頂自身的重量2.5MPa。

經(jīng)過(guò)計(jì)算可得出周期來(lái)壓步距為35m。

根據(jù)對(duì)82401、82403兩個(gè)工作面礦壓觀測(cè)可知，82401、82403工作面的周期來(lái)壓步距為10～38m。

利用上式公式可知側(cè)向斷裂跨度L2計(jì)算公式為：

通過(guò)計(jì)算可知，三角塊B的懸跨度范圍為：11～31m。

由此可見(jiàn)，三角塊的懸跨范圍是與周期來(lái)壓步距的基本一致。因此在端頭形成的弧形板通常為等邊三角形，這與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的結(jié)果相一致。由于弧形板的斷裂決定了煤柱應(yīng)力的峰值與范圍，因此適當(dāng)縮短端頭弧形板的長(zhǎng)度，對(duì)煤柱的穩(wěn)定性及底鼓均可以起到緩解作用。通過(guò)對(duì)82401工作面的礦壓觀測(cè)可知，在末采過(guò)程中，周期來(lái)壓步距一般為14m左右，底鼓量基本沒(méi)有。因此可以通過(guò)周期來(lái)壓步距或者結(jié)合距離工作面貫通距離然后來(lái)決定是否需要對(duì)頂板做出相應(yīng)處理。

2 煤柱及實(shí)體煤幫的橫向擴(kuò)容變形分析

老頂作用在實(shí)體煤體上的豎向及側(cè)向應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致護(hù)巷煤柱及實(shí)體煤體在豎向發(fā)生壓縮變形，導(dǎo)致側(cè)向發(fā)生擴(kuò)容，從而使得實(shí)體煤體發(fā)生變形。根據(jù)相應(yīng)的幾何關(guān)系，建立如下圖2所示的留巷小結(jié)構(gòu)橫向變形的計(jì)算模型，并分析實(shí)體煤幫以及煤柱的橫向變形。

圖2 頂板橫向變形示意圖

如圖 2 所示，d1、d2、d3分別為老頂在該處的豎向沉降量，△1、△2、△3分別為該點(diǎn)處煤體的側(cè)向變形值。

d1、d2、d3的求解可由下式求得：

相關(guān)專(zhuān)家學(xué)者的研究表明，支撐頂板的護(hù)巷煤柱及實(shí)體煤體的變形與老頂?shù)膸r性有較大關(guān)系。當(dāng)老頂巖性較為堅(jiān)硬時(shí)，支撐頂板的煤體的變形量會(huì)明顯大于軟弱老頂時(shí)的變形量。相關(guān)的測(cè)量及數(shù)值模擬研究指出，相同條件下，堅(jiān)硬頂板引起的支撐煤體的變形量值是軟弱頂板時(shí)的變形量值的2.5～4倍。

綜上，當(dāng)煤層頂板較為堅(jiān)硬時(shí)，留巷的變形控制是較為困難的，需要適當(dāng)?shù)膶?duì)頂板進(jìn)行處理。

3 煤柱的破碎對(duì)頂?shù)装宓挠绊?/h2>

在礦井中，留巷滯后段經(jīng)常發(fā)生大變形和圍巖破壞，巷道斷面收縮率經(jīng)常達(dá)到50%以上，這主要是因?yàn)槭艿交夭杉跋锏谰蜻M(jìn)產(chǎn)生的動(dòng)壓影響，煤柱表面發(fā)生一定的彈塑性破壞，煤柱本身的支撐強(qiáng)度降低，此時(shí)應(yīng)當(dāng)在煤柱的上方采用錨網(wǎng)索相結(jié)合的支護(hù)方式，而下部則是無(wú)支護(hù)的圍巖。

回采巷道的幫部穩(wěn)定性對(duì)于底板的穩(wěn)定性有非常重要的影響。當(dāng)支撐煤柱受到較大的支承壓力時(shí)，支撐煤柱表層會(huì)產(chǎn)生塑性破壞，進(jìn)而對(duì)巷道底板產(chǎn)生一定的擠壓作用，引起底板的滑移或者剪切破壞。

圖3 底角承載性能弱化區(qū)

如圖3是應(yīng)力云圖是斜溝礦82401回采工作面靠后方100m左右的位置巷道截面內(nèi)的最小主應(yīng)力分布情況圖。

FlAC3D數(shù)值模擬結(jié)果中，壓應(yīng)力用負(fù)值表示，巷道圍巖受力主要以壓應(yīng)力為主。巷道受到回采及巷道掘進(jìn)作用影響下的承載能力可用最小主應(yīng)表示。從圖3可知，巷道實(shí)體煤體與底板相交出的底角是整個(gè)巷道受力相對(duì)較弱的區(qū)域，這也從力學(xué)角度解釋了巷幫低側(cè)角處發(fā)生滑移剪切破壞的原因。

留巷煤柱和煤幫的強(qiáng)度都是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于頂?shù)装宓膸r層強(qiáng)度，因此護(hù)巷煤柱及實(shí)體煤側(cè)的破裂范圍及程度會(huì)較煤層頂?shù)装鍘r層大的多，因此在巷道支護(hù)時(shí)應(yīng)對(duì)圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)的薄弱部位加強(qiáng)支護(hù)。回采工作面及掘進(jìn)工作面產(chǎn)生的動(dòng)壓會(huì)使護(hù)巷煤柱及實(shí)體煤側(cè)表面發(fā)生一定塑性破壞，煤體深部會(huì)存在一定的彈性變形，在采掘的不斷影響作用下，表明煤體的損傷程度進(jìn)一步增加且向煤體深部延伸，使得煤體的承載能力降低，煤體從表面向深部?jī)?nèi)不斷擴(kuò)展的塑性破壞就相當(dāng)于增加了巷道的寬度，變相減少了護(hù)巷煤柱的有效寬度。若是把巷道頂板的受力情況簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，巷道廣義寬度的增加與頂板內(nèi)部的最大拉應(yīng)力是呈現(xiàn)出平方的增長(zhǎng)的關(guān)系。巷道的廣義寬度增加會(huì)導(dǎo)致巷道頂板受力情況趨于復(fù)雜，巷道頂板發(fā)生較大的變形。巷道圍巖支護(hù)理論中的“強(qiáng)幫控頂”支護(hù)技術(shù)思想就是表面，巷道兩幫強(qiáng)度的增加能有效降低巷道頂板受力，降低頂板下沉量。廣義上分析，“強(qiáng)幫控頂”技術(shù)相當(dāng)于變相的減少巷道頂板巖層跨度，改善巷道頂板的受力狀況，降低頂板下沉量，有助于提高巷道整體的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)頂板破斷力學(xué)、頂板側(cè)向運(yùn)動(dòng)、煤柱及實(shí)體煤幫的橫向擴(kuò)容變形及煤柱的破碎對(duì)巷道變形的分析，可知：

1）造成巷道發(fā)生較大變形的主要原因是由于側(cè)向弧形板的運(yùn)動(dòng)而造成的

2）斜溝礦的周期來(lái)壓步距為10～38m，相應(yīng)的弧形板長(zhǎng)度為11～31m。

3）臥底能有效處理巷道底角破碎區(qū)域，但同時(shí)可能引起巷道圍巖結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)，因此保證巷道穩(wěn)定的關(guān)鍵煤幫穩(wěn)定。