急傾斜煤層端面頂板穩定性分析

王 楠，鄭上上，李珊珊，孔德中

（貴州大學 礦業學院，貴州 貴陽 550025）

近年來，急傾斜煤層年產量已占我國煤炭總量的8%～10%，并呈逐年增加的趨勢。但急傾斜頂板礦壓顯現規律復雜，并且急傾斜煤層在形成過程中由于受到構造運動的強烈擠壓，煤層及其頂底板中節理、裂隙等軟弱面比較發育，易失穩垮落，支護不當時易發生片幫與冒頂事故。因此，有必要對急傾斜煤層端面頂板進行系統研究，提高圍巖控制水平，最大限度的回收煤炭資源，實現礦井的安全高效開采[1-3]。國內外許多學者專家對急傾斜煤層開采過程中存在的問題進行了大量的研究工作。屠洪盛等以薄板理論為基礎，建立了急傾斜工作面頂板的受力力學模型，研究了頂板在上覆巖層和下方充填矸石作用下頂板撓曲變形特征[4-5]；喬元棟利用UDEC數值模擬軟件將主應力軌跡線連接形成應力卸壓拱，卸壓拱拱高和拱角均隨工作面推進呈增大趨勢，其形狀隨工作面推進由對稱拱—非對稱拱—平頂拱轉變，卸壓拱形態反映出覆巖不同巖層間的應力傳遞關系，與覆巖的離層位置密切相關[6]；楊帆首次提出了急傾斜煤層巖層移動的“廠”型移動拱結構模式，并且建立了“廠”型移動拱上位巖層下沉的計算公式[7-8]；吳紹倩指出，冒矸的沿底板下滑充填限制了頂板的撓曲變形和下部頂板的運動，并指出上、中、下部巖塊運動條件不同是造成沿傾向來壓顯現不同的主要原因；應用彈性基礎墻假說提出急傾斜煤層頂板斷裂沿傾斜可能形成非對稱的三鉸拱平衡結構；石平五等建立了急傾斜煤層開采的“跨層拱”結構的力學模型，同時，對于“跨層拱”結構的滑落失穩、結構失穩及其對工作面礦山壓力顯現的影響進行了分析[9-12]；李柱指出急傾斜大采高開采采場的圍巖的力學特征具有不對稱性，具體表現為頂板沿工作面傾向的中上部應力釋放范圍大于下部應力釋放范圍，中上部的頂板應力小于下部區域頂板應力，底板反之，支承壓力的峰值上部區域最小，中部區域較大，下部區域最大[13-14]。

國內外學者對急傾斜煤層開采過程中頂板破壞規律、力學結構等問題取得了一定的研究成果，但都只是對急傾斜工作面端面頂板破碎現象的分析，對控制急傾斜端面頂板的冒落作用效果不明顯，且之前的學者很少有在進行頂板觀測研究的基礎上進行頂板穩定性分析，因此還需在前人的理論基礎上進一步研究。為此通過對急傾斜煤層工作面進行頂板孔觀測，分析了端面頂板破碎的原由，在頂板孔觀測的基礎上，針對急傾斜煤層端面頂板破斷特征規律，建立了急傾斜煤層采場的物理模型，進行理論分析，并且利用FLAC3D軟件對急傾斜煤層的采動進行了數值模擬，進一步分析了急傾斜煤層端面頂板穩定性，為相似礦井提供參考數據，保證急傾斜煤層安全高效生產。

1 工程背景

3402工作面長180 m，推進長度884.8 m，附近無其他采掘活動。煤層厚度為 0.6～4.5 m，平均 3.0 m，煤層普氏硬度系數 f＜1，結構簡單，傾角在 35°～53°之間，平均45°，煤質松軟，裂隙發育較多。直接頂平均厚1.9 m，巖性為泥巖，強度較低，且節理、裂隙較發育?；卷敒榉凵皫r，平均厚度5.0 m。采用綜采一次采全高采煤工藝。全部垮落法處理采空區頂板。該工作面存在煤壁片幫等諸多問題，工作面推進非常困難（自開切眼推進不足10 m）。片幫形式以壓剪為主。

2 頂板孔觀測

2.1 超前支承壓力區頂板穩定性觀測

為觀測陳蠻莊井田3402工作面端面頂板的穩定性、頂板的裂隙發育程度，應用鉆孔成像儀在3402工作面軌道巷對工作面超前支承壓力區頂板進行觀測，觀測結果用于推測分析端面頂板穩定性。鉆孔位置從工作面外10 m開始布置，每隔10 m布置1個鉆孔，共計6個鉆孔，鉆孔深度為10 m；3402工作面觀測鉆孔布置俯視圖如圖1。

圖1 3402工作面觀測鉆孔布置俯視圖

2.2 頂板孔觀測結果

根據鉆孔窺視結果可知，超前支承壓力頂板上方2 m內巖層破碎明顯，裂隙極為發育，2～5.4 m內裂隙較為發育，巖層有少量破碎，存在少量橫向裂隙，5.4 m以上由于巖層本身的強度較強，且受工作面采動的影響相對較小，因此巖層比較完整，未發現大型裂隙，頂板裂隙窺視圖如圖2。

由此可見，由于該工作面頂板巖層本身強度不大；且煤層構造比較發育，斷層較多；再加上急傾斜煤層的特殊性，頂板受采動影響比較嚴重。在以上多種因素的影響下，導致了該工作面頂板比較破碎，易造成頂板垮落事故，影響液壓支架的支護能力，進而引起頻繁的煤壁片幫，造成安全事故，危及礦山安全生產。

3 端面頂板變形破斷特征

通過以上分析，可以知道急傾斜煤層工作面開采頂板受采動影響比較嚴重，下位基本頂容易出現滑落失穩，下位基本頂的失穩會引起更高層位巖層的切落，從而造成頂板垮落事故，影響液壓支架的支護能力，進而引起頻繁的煤壁片幫。

圖2 頂板裂隙窺視圖

因此，為有效控制頂板和煤壁，降低急傾斜煤層工作面頂板垮落事故，保證生產的安全性，必須對急傾斜煤層端面頂板進行合理分析。為工作面支架選型等提供合理的參考數據。

3.1 端面頂板物理模型建立

分析可知，3402工作面端面頂板主要受上覆巖層作用、煤層支撐力和液壓支架的支撐力作用而產生變形，構建的急傾斜煤層采場的物理模型如圖3。

圖3 采場物理模型圖

從圖3可以看出：基本頂及其上覆巖層與密實充填的矸石是1種協調作用系統。在破斷之前，基本頂有1個較小的彎曲下沉，碎脹的矸石會隨著頂板的下沉而逐漸密實，對上覆載荷的支承作用也隨之增大。由于矸石的可壓縮高度遠大于基本頂破斷所需的彎曲下沉量，可認為基本頂必然發生破斷。

3.2 端面頂板受力分析

按固支梁條件對急傾斜煤層端面頂板進行受力分析，采場頂板受力模型圖如圖4。

圖4 采場頂板受力模型圖

對圖4采場受力模型進行受力分析得到：

式中：L為頂板初次來壓步距；R為巖塊間的摩擦力，R=μT；μ 為摩擦因數，0.7～1；T 為巖塊間的水平推力；q為基本頂及其上方頂板載荷集度，q=ρgh=1.35 MPa；h為基本頂的厚度；M 為彎矩。

聯立上述方程可求得上位基本頂失穩時頂板初次來壓步距L：

根據固支梁的計算，最大彎矩發生在梁的兩端。因此，該處的最大拉應力為σmax為：

可 得 初 次 來 壓 步 距 L=17.3 mm 時 ，σmax=7.5 MPa＞抗壓強度RT=3.17 MPa。急傾斜煤層端面頂板受采動影響較為嚴重，所受最大拉應力遠大于頂板本身的抗拉強度，從而導致煤層頂板較為破碎。

4 數值模擬

4.1 計算模型

為了更形象具體的研究急傾斜煤層端面頂板的穩定性，以3402工作面為工程背景建立數值模型。模型傾斜長度200 m，走向長度300 m，高300 m，工作面長80 m，傾角45°，數值模型圖如圖5。模型四周及底部為固定位移約束，頂部為應力邊界，施加20 MPa垂直應力模擬未建入數值模型的地層載荷；煤巖體采用莫爾-庫倫模型，采空區垮落矸石采用應變硬化模型。煤巖層的物理力學參數見表1。

4.2 數值模擬結果

4.2.1 傾斜方向圍巖應力演化特征

不同工作面推進距離下傾斜方向圍巖應力演化規律如圖6。

圖5 數值模型圖

表1 煤巖層的物理力學參數

圖6 不同推進長度傾向方向圍巖應力圖

1）當工作面推進到10 m時，由于工作面推進過程中采動影響相對較小，因而下端頭應力峰值均為24 MPa。當工作面推進到40 m時，由于采動影響上下兩端頭處的應力集中程度迅速增大，采空區覆巖變形垮落比工作面處嚴重，因此工作面下端頭應力峰值為32 MPa，采空區中部峰值為34 MPa。

2）當工作面推進到60 m時工作面處下端頭應力峰值為35 MPa，采空區中部處下端頭應力峰值較大，為40 MPa，此時采空區垮落矸石仍然沒有壓實。當工作面推進到80 m時，上下兩端頭處的應力集中程度緩慢變大，工作面處最大值為40 MPa。

3）當工作面推進到100 m時，上下兩端頭處的應力集中程度繼續增大，工作面處最大值為45 MPa，隨著推進距離的增加，覆巖移動進入充分階段，受采動影響的巖層范圍變化不再明顯。工作面推進到200 m時，由于覆巖移動充分，應力集中程度不在發生變化，上下兩端頭最大應力峰值同工作面推進到100 m時相同，此時采空區垮落矸石開始壓實表現出應變硬化現象。

4.2.2 超前支承壓力分布規律

不同工作面推進距離下走向方向圍巖應力演化規律如圖7。

圖7 不同推進長度走向方向圍巖應力圖

1）隨著工作面的推進，超前支承壓力區呈現出以下規律：采出空間應力降低，工作面前方出現應力增高區，隨著推進距離的增大，采空區卸壓范圍增大，工作面前方超前支承壓力影響范圍及集中程度同樣增加。

2）當工作面推進到60 m時，工作面后方仍沒有應力恢復現象，說明覆巖沒有充分移動，垮落矸石沒有壓實，工作面前方支承壓力峰值仍隨著工作面推進距離的增加呈增大的趨勢，當工作面推進到80 m時，垮落矸石表現出應變硬化現象，開始承擔覆巖載荷，覆巖運動對支承壓力的影響程度降低，采空區開始出現應力恢復現象。

3）當工作面推進到100 m之后，沿傾斜方向中部支承壓力峰值同推進到80 m時相比不變，說明采空區首先被壓實，垮落矸石表現出應變硬化現象，開始承擔覆巖載荷，覆巖運動對支承壓力的影響程度降低，采空區開始出現應力恢復現象。而工作面上部由于充填不充分，應力集中程度仍然隨著工作面推進距離的增加而增大。

5 結論

1）根據鉆孔窺視結果可得，由于急傾斜煤層頂板巖層本身強度不大；且煤層構造比較發育，斷層較多；再加上急傾斜煤層的特殊性，頂板受采動影響比較嚴重。在以上多種因素的影響下，導致了急傾斜煤層工作面頂板比較破碎，易造成頂板冒落事故，影響液壓支架的支護能力，進而引起頻繁的煤壁片幫，造成安全事故。

2）針對急傾斜煤層端面頂板破斷特征規律，建立了急傾斜煤層采場的物理模型，通過理論公式計算可知，頂板初次來壓步距L=17.33 m時，最大拉應力σmax=7.5 MPa遠大于頂板本身的抗拉強度，從而導致急傾斜煤層頂板易斷裂，形成較為破碎頂板。

3）急傾斜煤層頂板來壓頻繁且劇烈，上下兩端頭處的應力集中程度較大，工作面處最大可達到45 MPa。當工作面推進到100 m之后時，垮落矸石表現出應變硬化現象，開始承擔覆巖載荷，覆巖運動對支承壓力的影響程度降低，采空區開始出現應力恢復現象。工作面上部由于充填不充分，應力集中程度仍然隨著工作面推進距離的增加而增大。造成急傾斜煤層端面頂板破壞程度較嚴重。