工作面縮面階段堅硬頂板能量演化規(guī)律研究

魏寶貞，叢志明，王 鍇，張曉曦，蓋森亮

(兗州煤業(yè)股份有限公司 東灘煤礦, 山東 鄒城 273500)

近些年由堅硬頂板所引發(fā)的一般災(zāi)害事故及沖擊地壓事故大大增加[1]，堅硬頂板內(nèi)部彈性能積聚后突然大量釋放是誘發(fā)堅硬頂板型沖擊地壓的主要原因之一[2,3].學(xué)者們在一般堅硬頂板能量演化方面做了較多工作，蘇超等[4]揭示了工作面推進(jìn)過程中采場特厚堅硬頂板巖層能量積聚演化規(guī)律及分布特征。馮龍飛等[5]研究表明堅硬頂板破斷釋放大能量礦震與回采速度有明顯的正相關(guān)性。譚云亮等[6]研究表明堅硬頂板型沖擊地壓以能量及應(yīng)力判據(jù)為主，沖擊地壓前兆信息主要有能量增大和應(yīng)力突變2個特點。但針對工作面縮面期間堅硬頂板能量演化規(guī)律的研究甚少。東灘煤礦1310工作面上覆巖層為堅硬頂板，在縮面階段監(jiān)測到的微震事件頻發(fā)，為此對1310工作面縮面推進(jìn)期間堅硬頂板能量演化規(guī)律進(jìn)行研究，以保障工作面安全生產(chǎn)。

1 工程概況

東灘煤礦1310綜放工作面為“刀把”縮面開采工作面，地表為農(nóng)田且無重要建筑物，井下位于一采區(qū)西部，軌道順槽長約383.7 m，運輸順槽長約310.7 m，正常段軌道順槽與運輸順槽之間采寬約202.8 m，縮面位置距軌道順槽端切眼約184 m，縮面后輔助軌道順槽與運輸順槽之間采寬約153.2 m，采寬減少了約49.6 m.工作面主采3煤，其均厚為8.82 m.工作面基本頂為均厚23 m的中、細(xì)砂巖，呈淺灰-灰白色，成分以石英為主，局部發(fā)育張裂隙，f=6～7，屬堅硬頂板。工作面位于C8向斜翼部，煤層產(chǎn)狀變化不大，對回采影響較小。1310工作面布置平面圖見圖1.

圖1 1310工作面布置平面圖

2 縮面對堅硬頂板能量演變的影響

2.1 堅硬頂板能量演變過程

堅硬頂板能量演變過程本質(zhì)上是一個影響因素主導(dǎo)下的動態(tài)變化過程，見圖2.演變過程總體可分為5個階段[7]：第一個階段為原始穩(wěn)定階段，此時頂板未受開采擾動，其能量呈現(xiàn)為初始平衡狀態(tài)，能量值大小基本一致。隨著開采活動的進(jìn)行，頂板開始受到擾動及其他因素影響，進(jìn)入第二個能量積聚階段。此時能量隨采掘活動加劇而逐漸增加，不同影響因素下其增量亦有不同，但總體都呈上升趨勢。第三個階段為能量峰值階段，此時頂板能量達(dá)到臨界最大值狀態(tài)，頂板將要發(fā)生斷裂。第四階段為能量釋放階段，該階段分兩種情況討論，一種是能量緩慢釋放，另一種是能量急劇釋放。頂板能量緩慢釋放對采場來壓影響不大，屬于可控范圍。但頂板斷裂導(dǎo)致的瞬時大量彈性能的釋出會造成強(qiáng)烈的頂板來壓，極易誘發(fā)沖擊災(zāi)害的發(fā)生。當(dāng)頂板積聚的能量釋放完畢后，進(jìn)入最后一個重新穩(wěn)定階段，此時能量重新回到一個較為固定的值，至此可認(rèn)定為堅硬頂板能量變化的一個小循環(huán)結(jié)束，隨著開采進(jìn)行又將進(jìn)入相同循環(huán)，直至開采結(jié)束達(dá)到最終穩(wěn)定。

圖2 堅硬頂板能量演變示意圖

2.2 采寬減小對堅硬頂板能量變化的影響

在不考慮其他因素影響的情況下，1310工作面正常開采段頂板上覆載荷分布見圖3a)，工作面兩端靠近順槽側(cè)承載力較大，中部區(qū)域受兩端影響較小，工作面因其承載面積大，載荷分布較為均勻其破壞程度也會相對較小，能量聚集程度也會減少。而在工作面縮面后，見圖3b)，采寬減小，兩端同樣承載力較高，由于承載面積縮小，工作面中部低承載區(qū)相較縮面前大大減少。因此而帶來的影響就是頂板上覆載荷集中程度加劇，大量載荷的聚集給工作面上方頂板帶來極大的應(yīng)力集中，同時能量也會大量集中，這將給工作面回采帶來不小的影響。大量頂板彈性能的急劇釋放一旦超過工作面承載強(qiáng)度，將會造成支架及采掘空間破壞，誘發(fā)沖擊地壓。

圖3 工作面前方堅硬頂板上覆載荷模型圖

3 縮面階段堅硬頂板能量演化模擬分析

3.1 數(shù)值模型構(gòu)建

數(shù)值模型整體x軸長度為300 m，y軸寬度為290 m，z軸高度為90 m.模型邊界X、Y方向設(shè)為水平約束，底部設(shè)為垂直約束，頂部無約束并施加14.5 MPa的上覆巖層等量載荷。模型施加的自重應(yīng)力為10 m/s2，煤巖層力學(xué)參數(shù)參照1310工作面實際情況選取，見表1.

表1 煤巖體力學(xué)參數(shù)表

由彈性力學(xué)知識可知,彈性體能量密度求解公式[8]為：

(1)

式中,U為彈性體能量密度，kJ/m3；σx、σy、σz、τyz、τzx、τxy為彈性體的6個應(yīng)力分量；εx、εy、εz、γyz、γzx、γxy為彈性體的6個應(yīng)變分量。

運用flac3 d軟件的fish語言功能將式(1)編寫為堅硬頂板彈性應(yīng)變能密度計算程序，由此得到工作面煤壁前方堅硬頂板的能量密度值，并展開分析。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過對數(shù)值模擬結(jié)果的處理，分別得到了縮面階段堅硬頂板能量最大值曲線及不同推進(jìn)步距下工作面前方70 m范圍內(nèi)的堅硬頂板能量分布曲線，見圖4，圖5.

圖4 縮面階段堅硬頂板能量最大值曲線圖

圖5 不同推進(jìn)步距工作面走向堅硬頂板能量分布曲線圖

分析圖4可知，在工作面縮面階段，工作面前方堅硬頂板能量最大值整體呈上升趨勢。初始位置處能量峰值約為15.2 kJ/m3，在工作面推進(jìn)至縮面位置處(即推進(jìn)50 m)時，能量峰值約為30 kJ/m3，能量增值約為14.8 kJ/m3，工作面每推進(jìn)1 m，能量值約增大0.296 kJ/m3.在推過縮面位置后，10 m范圍內(nèi)曲線呈現(xiàn)近乎零增長趨勢，這是由于工作面剛完成縮面過程，堅硬頂板能量峰值進(jìn)入一種短暫穩(wěn)定狀態(tài)，而后隨著開采擾動增加，曲線又再次呈現(xiàn)穩(wěn)定上升趨勢，但其增幅要稍小于縮面前。

分析圖5可知，不同推進(jìn)距離堅硬頂板能量分布曲線變化趨勢大體上一致，均是先升后降，峰值位置均處在工作面前方約15 m處，但存在部分細(xì)節(jié)差異。在縮面初始，能量增值變化較小，曲線趨勢較為緩和。工作面推進(jìn)50 m后，工作面前方堅硬頂板能量陡增，總增量約為96.8 kJ/m3.尤其是前方10～20 m處，相較于初始能量值近乎增長一倍。在工作面推進(jìn)至100 m，即縮面后50 m時，曲線更為陡峭，能量值繼續(xù)增長，增長總量約為38.6 kJ/m3，相較于之前增幅大大減少，但整體能量值仍最高。

不同推進(jìn)步距工作面傾向堅硬頂板能量分布云圖見圖6，并通過對不同推進(jìn)步距工作面傾向堅硬頂板能量值統(tǒng)計，得到了其分布曲線，見圖7.曲線坐標(biāo)原點為靠近軌道順槽一端，縮面前工作面傾向長(即采寬)為200 m，縮面后為150 m.

圖6 不同推進(jìn)步距工作面傾向堅硬頂板能量分布云圖

圖7 不同推進(jìn)步距工作面傾向堅硬頂板能量分布曲線圖

綜合分析圖6及圖7可知，整個縮面階段能量峰值位置變化經(jīng)歷3個階段。第一個是縮面初始，堅硬頂板能量出現(xiàn)兩端低，中部微高的趨勢，峰值距軌道順槽約為90 m，隨著推進(jìn)峰值位置開始向軌道順槽側(cè)轉(zhuǎn)移；第二個是縮面位置處，此時峰值位置繼續(xù)發(fā)生轉(zhuǎn)移，能量集中在輔助軌道順槽側(cè)，距輔助軌道順槽約為20 m，能量分布呈現(xiàn)出輔助軌道順槽側(cè)高，運輸順槽側(cè)低的不對稱分布趨勢。究其原因，采寬縮小后形成了遺留煤柱，受遺留煤柱及開采擾動影響，造成了峰值位置的移動。第三個是當(dāng)工作面沿新切眼繼續(xù)推進(jìn)，峰值位置又開始向工作面中部轉(zhuǎn)移，此時距輔助軌道順槽約50 m.這是由于隨著回采距離增加，堅硬頂板能量變化逐漸擺脫遺留煤柱的影響，而受到超前應(yīng)力的影響，所以曲線峰值開始往工作面中部移動，若工作面繼續(xù)推進(jìn)，堅硬頂板能量分布的特點將與縮面初始階段分布規(guī)律類似。

4 結(jié) 論

1)工作面縮面對堅硬頂板能量演化過程是個不利的影響，加劇了工作面開采期間的復(fù)雜性。分析堅硬頂板上覆載荷模型可知，采寬減小會使堅硬頂板載荷增大，由此帶來應(yīng)力的高度集中，并影響能量聚集程度。

2)模擬結(jié)果證明了理論分析的準(zhǔn)確性，工作面縮面造成了堅硬頂板能量的整體增加，但縮面后能量值增幅要小于縮面前。另外，縮面還造成了能量峰值位置的多次變化，大體上經(jīng)歷了由工作面中部逐漸向軌道順槽轉(zhuǎn)移，再由輔助軌道順槽向工作面中部轉(zhuǎn)移等過程，主要是受到遺留煤柱的影響。能量集中位置多變也增加了沖擊地壓防治難度，縮面階段應(yīng)做好堅硬頂板的控制及治理工作。