深部大采高工作面巖層運動規律研究

張園園

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

煤炭能源的安全高效開采是西部礦區普遍面臨的問題。為了滿足由新時代下國內主要矛盾的轉化對能源的大量需求，煤炭資源開采埋深已經邁入第二深度[1]。深部開采中地質結構復雜，應力及應力傳播發生明顯變化，給煤炭開采帶來了巨大的挑戰。根據科學采礦和煤炭革命3.0的煤炭生產理念[2]，煤炭安全生產必須根據煤層賦存條件、圍巖結構特征、采動特點等，分析巖層運動及支架受力特征，對安全生產具有現實必要性。黃隴礦區是我國14個億噸大型煤炭基地之一，煤炭儲量豐富，頂板結構變化大。其中埋深500 m以上占到總儲量的65%以上。長壁工作面一次采全高開采過程中，復合頂板斷裂失穩直接影響支架穩工況。受時空、覆巖結構、地質構造等因素影響，2018年10月至2019年3月，黃陵礦區頂板動力學災害頻發。多場應力疊加與演化致災為現場安全防控提出了難題。

進入深部開采后受地質力學影響，礦井呈現典型的“三高一擾動”的運動特點[3-8]。隨著煤炭資源不斷向深部邁進，巖層運動及支架選型的實踐探索及研究具有現實必要性。為此，以陜西黃陵二號井為背景，以頂板控制為目標，通過現場調查、數值計算、理論分析和現場監測開展深部大采高工作面群巖層運動及支架選型的研究，對深部礦井建立科學—安全—和諧的開采模式，具有現實的必要性。

1 工程背景

1.1 井田特征

陜西黃陵二號煤礦位于黃隴礦區中部，黃陵礦區西北部，是典型的瓦斯油型氣共生礦井和智能化生產礦井[9-11]。是國家批建的14個大型煤炭生產基地(黃隴礦區)的主要生產礦井之一；是陜西煤業能源有限責任公司特大型高產高效現代化礦井；是集團所屬主要優質動力煤生產地之一。地質構造為一傾向NW-NWW的單斜構造，地層傾角一般1°～5°。延安組呈一傾向NWW的單斜構造將井田一分為二，其一位于井田中部，長約34 km，寬2.6～5 km；其二位于井田西部，長約28 km，寬約3.5 km，幅度20～30 m。

1.2 圍巖特性

礦井初期普查勘探結果表明：二號井開采范圍內四盤區2號煤層，盤區內地表標高+1 157～+1 364 m，井下標高+711～+732 m，平均埋深約530 m；工作面及附近鉆孔揭露的煤層厚度最大7.09 m，最小5.1 m，平均約6.1 m。四盤區各工作面煤層上覆頂板依次為細砂巖、粉砂巖相互交替疊加，煤層埋藏條件如圖1所示，圍巖特征見表1。開采過程中采動煤巖應力與儲能隨時間與開采位置變化不斷釋放與轉移，加劇圍巖裂隙發育。隨著工作面的更迭，造成了巖層運動的大空間，更易造成工作面漏頂、掉矸、煤壁片幫等礦壓顯現。

圖1 煤層柱狀圖

表1 煤層頂底板特性

1.3 生產條件

礦井共劃分10個盤區，目前開采的四盤區為單翼開采，各工作面走向長度2 632 m，傾斜長度300 m。煤層屬穩定-較穩定煤層，選用長壁后退式一次采全高的采煤法，全部垮落法處理采空區頂板。直接頂為上部的細粒砂巖和粉砂巖的總和，形成復合頂板。工作面平均每天推進10刀，每刀進尺0.9 m。

2 工作面復合頂板變化特征

2.1 數值計算搭建

根據四盤區巖層賦存特點，建立如圖2所示的FLAC3D三維數值模型，分析受采動影響下更迭工作面應力分布和變形特征。圍巖力學參數見表2。模型尺寸為1 500 m×570 m×10 m，節點共17 586個、劃分網格11 468個，工作面模擬至地表，工作面區段煤柱40 m。模型設計3個工作面，形成大采高工作群，依次開挖414、416、418工作面。通過Mohr-Coulomb準則計算，分析采動下復合頂板應力-運動-破壞特征。

表2 圍巖力學參數

2.2 工作面群演化特征

充分采動后計算中所輸出的塑性破壞區分布數據均賦予相對的時間概念。工作面頂板受時空關系、覆巖結構、巖性等因素影響，工作面依次更迭開采后頂板發生破壞，其演化規律如圖3所示。414工作面開采穩定后，巖層的塑性破壞呈對稱性，如圖3(a)所示。巖層為典型“三帶”“三區”的運動狀態，巖層運動整體向上演化，最大演化高度273 m。由于復合頂板的細砂巖完整性較低，隨工作面推進，隨采隨落；粉砂巖強度高、裂隙不發育，工作面中部有210 m完整性較好。416工作面開采結束后，巖層破壞范圍增大，兩工作面中部呈現對稱性，頂部呈“拱”型，最大演化高度約360 m。受煤柱影響，各工作面復合頂板中間部分的140 m、120 m完整。隨著盤區開采加劇，覆巖破壞向兩邊延伸并導致頂板破斷，如圖3(b)所示。418工作面開采穩定后，416工作面頂板全部破壞；414、418工作面頂板中部完整性縮小，分別為100 m、80 m；覆巖層的塑性破壞最大高度約360 m。由此推斷：隨著開采形成的工作面群，復合頂板的粉砂巖具有承載作用，并為礦井來壓提供力源。由此可知，盤區沿著工作面推進更迭方向，工作面頂板沉降最終形成“U型”的穩定塌陷。

圖3 各工作面復合頂板演化規律

2.3 應力分布特征

復合頂板的原巖應力擾動應力是判斷各巖層能量的釋放和轉化的關鍵。為了反映盤區復合頂板隨層位不同的變化，依次提取沿工作面各位置的應力峰值，見表3。第1次(414開挖)計算結果相比較，盤區工作面更迭增加了2～3 MPa；416、418依次開挖，各巖層應力相差在1 MPa范圍內。煤柱受2個工作面的采動影響的疊加，應力峰值約為工作面側的1.6倍。盤區隨著工作面開挖個數的增加，煤柱應力最終穩定在42 MPa左右。

盤區3個工作面開采擾動后復合頂板的應力分布情況，如圖4所示，頂板分布規律基本相同。工作面開挖擾動后，復合頂板的粉砂巖峰值略高細砂巖。煤柱側應力變化最大(明顯高于煤層側)；工作面中部向兩側，各約140 m為卸壓區；工作面兩側的應力峰值穩定在工作面邊界30～40 m之間。由此表明，正常盤區工作面更迭時，應力變化規律基本一致。由于復合頂板的協同性和儲能的差異性，粉砂巖的破損-垮落釋放的能量大，易造成工作面動力災害。因此在支架的選型中必須滿足高的工作阻力，且支架的穩定性強。

圖4 3個工作面復合頂板應力擾動特征

2.4 頂板與支架的關系

工作面復合頂板失穩過程是形成了“支架-頂板”的動態力學過程。隨工作面更迭，工作面頂板呈現不同的運動過程，并達到穩定。頂板的應力的集中、轉移、釋放影響范圍大，大量能量的釋放導致巖層整體性垮落。受頂板的時-空效應，導致覆巖整體運動劇烈，呈現中部損傷大、兩邊小的特點。復合頂板運動、垮落及能量釋放基于深部、大采高這一條件，得出支架必須具備高初撐力控制頂板加大支架水平抗傾結構和承載能力，適應復合頂板運動對支架穩定性影響。工作面復合頂板沿工作面推進方向運動特點，如圖5所示。

圖5 工作面復合頂板垮落狀態

在力矩極限平衡條件時，底板反力作用于支架底座前段為原點O，此時有式(1)和(2)。

(1)

(2)

式中，α為工作面煤層傾角，(°)；b為支架自重作用方向與支架底座下邊緣的水平距離,mm。從式(2)可看出b與α成反比。當支架底座越寬、支架重心越低、支架越穩定，適應性越強。根據煤層及頂板運動特點，選用高工作阻力的二柱掩護式支架支護，支架底座寬度初步確定為1 750 mm。選用ZY12000/28/63D型掩護式液壓支架。

3 效果驗證

累計統計418工作面1個月(持續的推采245 m)的支架工作阻力監測數據，并利用PM-31電液控制系統自動監測工作面推進過程中支架的工況。工作面壓力分布、120#的初撐力、工作阻力，分別如圖6、7所示。工作面整體壓力較大且具有分區現象，如圖6所示。高工作阻力主要集中在50#～165#之間，其中分區為(2)區55#～100#、(1)區110#～155#；1#～50#、170#～175#壓力較小，基本保持在35 MPa以下。

圖6 418工作面11月支架壓力分布

在418工作面245 m的持續推采中，工作面正常生產(無來壓)期間，支架總體的工作阻力有小幅度的起伏變化；當支架位置繼續沿走向方向延伸時，工作阻力發生變化。工作面累計周期來壓7次，其中9～12 d周期來壓時間較長，來壓壓力超過40 MPa；(1)區比(2)區來壓的時效性較長，且壓力值較大并具有一定的持續性，且45 MPa以上較為頻繁。非周期來壓期間，支架壓力在30～35 MPa、35～40 MPa分別占有整體的46.17%、32.35%。支架的平均工作阻力為7 500～8 420 kN，是額定工作阻力的62.5%～70.2%，支架有一定的富余量；周期來壓期間支架加權平均工作阻力為10 550 kN，是額定工作阻力的87.9%，其中最大工作阻力為11 312.8 kN，為額定工作阻力的94.2%，表明支架能夠適應周期來壓期間的頂板壓力。工作面120#初撐力及工作阻力連續監測9 200次，分布特征如圖7所示。

圖7 支架初撐力及工作阻力

120#支架初撐力平均值在500 kN左右，最大值達到660 kN；工作阻力最大值在11 070 kN，平均壓力約9 850 kN，且多次出現應力波峰變化。由此表明ZY12000/28/63D型掩護式液壓支架在支撐過程中有一定富余量，能滿足生產的需求。

4 結論

(1)大采高工作面群頂板的細砂巖隨采隨落；粉砂巖具有承載性，并為礦井提供來壓力源。隨開采擾動的加劇，頂板最終形成“U型”的穩定塌陷；覆巖塑性破壞高度達到約360 m，并保持穩定。

(2)受工作面更迭影響，后續工作面中后部壓力大于其他位置。四盤區選用高工作阻力的二柱掩護式支架支護，型號為ZY12000/28/63D。

(3)支架的平均工作阻力是額定工作阻力的62.5%～70.2%；周期來壓期間支架平均工作阻力是額定工作阻力的87.9%，最大工作阻力為額定工作阻力的94.2%，表明支架能夠適應周期來壓期間的頂板壓力，能夠滿足生產的需求。