沖刷帶侵蝕工作面支架失穩(wěn)機(jī)制及控制技術(shù)研究

秦冬冬

(山西工程技術(shù)學(xué)院礦業(yè)工程系，山西 陽(yáng)泉 045000)

沖刷帶作為一種常見(jiàn)的地質(zhì)構(gòu)造，其存在會(huì)改變煤層厚度及頂板巖性(沖刷體一般為強(qiáng)度較高的砂巖)，對(duì)綜采工作面的安全回采產(chǎn)生不利影響。針對(duì)沖刷帶這一地質(zhì)構(gòu)造，王宇林等[1]提出了煤層沖刷帶的分類方案及命名，論述了各類型沖刷帶的關(guān)鍵特征，并提出了基于煤層頂(底)板砂體等厚圖的煤層沖刷帶預(yù)測(cè)方法；白永利[2]提出通過(guò)槽波地震勘探技術(shù)探測(cè)沖刷帶賦存情況，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證了技術(shù)可靠性；管永偉等[3]利用三維地震勘探技術(shù)研究了沖刷帶賦存同瓦斯突出間的關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)對(duì)沖刷帶位置的精準(zhǔn)識(shí)別；劉冬強(qiáng)[4]闡述了沖刷帶對(duì)開(kāi)采的影響，并提出了縮面回撤工藝；王存飛等[5]提出了沖刷帶探測(cè)方法，分析了過(guò)沖刷帶的合理方案，并設(shè)計(jì)了過(guò)沖刷帶關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)；劉憲正等[6]對(duì)采面過(guò)沖刷帶方法特點(diǎn)進(jìn)行了整理分析，總結(jié)了關(guān)鍵影響因素，提出了如何合理確定過(guò)沖刷帶方法。目前關(guān)于沖刷帶侵蝕煤層開(kāi)采的研究仍集中在過(guò)沖刷帶的技術(shù)措施方面，對(duì)于采場(chǎng)礦壓特征及支架圍巖關(guān)系需開(kāi)展進(jìn)一步的研究工作。沖刷帶侵蝕對(duì)煤層開(kāi)采影響主要體現(xiàn)在煤厚及頂板巖性變化這兩方面，因此可以通過(guò)借鑒專家學(xué)者關(guān)于采厚及厚硬頂板方面的研究成果[7-11]開(kāi)展沖刷帶侵蝕煤層的研究工作。為解決保德煤礦三盤區(qū)沖刷帶侵蝕煤層開(kāi)采礦壓顯現(xiàn)劇烈這一問(wèn)題，基于保德煤礦8#煤層賦存特征，建立采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)模型，研究沖刷帶侵蝕條件下的支架圍巖關(guān)系，提出合理的沖刷帶頂板弱化技術(shù)，為保德煤礦及類似受沖刷帶侵蝕影響礦井的采場(chǎng)圍巖控制工作提供指導(dǎo)和借鑒。

1 工程背景

保德煤礦現(xiàn)主采8#煤層，總體呈南北走向，煤層傾角4°，埋深122～663 m。受沖刷帶侵蝕作用影響，8#煤層厚度變化較大。井田中心區(qū)域厚度最小為4.4 m，切眼及回撤通道較厚為8.6 m。81308工作面平均埋深380 m，工作面面寬240 m，走向長(zhǎng)度2 552 m。從開(kāi)切眼至通尺1 624 m，該區(qū)域煤層由于沖刷帶侵蝕影響，煤層頂板巖性變化明顯，直接頂巖性由較軟的砂質(zhì)泥巖替換為堅(jiān)硬致密的粗砂巖，81308工作面布置如圖1所示。

圖1 81308工作面布置平面圖Fig.1 Layout plan of 81308 working face

采用關(guān)鍵層理論，基于81308工作面覆巖賦存結(jié)構(gòu)及力學(xué)參數(shù)，計(jì)算得出：工作面受沖刷帶侵蝕區(qū)段，煤層上方8.2 m粗砂巖為關(guān)鍵層(由于本次關(guān)鍵層計(jì)算未涉及地表，不確定主關(guān)鍵層層位)。 工作面頂?shù)装鍘r層賦存情況及物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)圖2和表1。

在沖刷帶侵蝕作用下，煤層直接頂板變?yōu)楹裼采皫r，難以隨采面推進(jìn)及時(shí)垮落，易產(chǎn)生大面積懸頂使得采場(chǎng)應(yīng)力集中，頂板的突然破斷會(huì)產(chǎn)生動(dòng)力沖擊，同時(shí)由于推進(jìn)速度慢經(jīng)歷多次劇烈頂板來(lái)壓，易發(fā)生壓架事故。因此，需分析沖刷帶侵蝕煤層覆巖結(jié)構(gòu)特征，研究支架-圍巖穩(wěn)定條件，并提出沖刷帶頂板弱化措施，以保障工作面的安全生產(chǎn)。

2 沖刷帶侵蝕煤層覆巖結(jié)構(gòu)特征

2.1 采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)特征分析

采面回采過(guò)程中，達(dá)到極限跨距后頂板在支架后方發(fā)生破斷，直接頂板垮落后充填采空區(qū)，基本頂破斷后可通過(guò)巖塊砌合作用形成砌體梁結(jié)構(gòu)，采場(chǎng)頂板破斷下沉情況如圖3所示。

1) 基本頂巖塊下沉量。直接頂在支架后方垮落后充填采空區(qū)，但矸石未能完全填滿采空區(qū)，矸石頂部同基本頂間存在一定空間，為基本頂破斷后的回轉(zhuǎn)下沉量w1；采空區(qū)矸石在基本頂作用下被壓實(shí)，此時(shí)基本頂巖塊的殘余下沉量為w2。巖塊回轉(zhuǎn)下沉量w1計(jì)算見(jiàn)式(1)[13]。

w1=M-h1(Kp-1)

(1)

式中：w1巖塊回轉(zhuǎn)下沉量；Kp為直接頂?shù)乃槊浵禂?shù)，取Kp=1.5；h1為直接頂厚度，取8.2 m；M為采高，取4.4 m。根據(jù)式(1)求得基本頂回轉(zhuǎn)下沉量w1=0.3 m。

基本頂觸矸后，在其載荷作用下矸石間縫隙不斷壓縮，矸石充填高度降低，但仍大于直接頂?shù)某跏己穸龋藭r(shí)的碎脹系數(shù)稱為殘余碎脹系數(shù)Kp′，矸石壓密后巖塊殘余下沉量w2計(jì)算見(jiàn)式(2)。

w2=h1(Kp-Kp′)+w1

(2)

殘余碎脹系數(shù)Kp′取1.1[14]，計(jì)算得到關(guān)鍵層巖塊殘余下沉量w2=3.58 m。

圖2 81308工作面柱狀圖Fig.2 Histogram of 81308 working face

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)表Table 1 Physical and mechanical parameters of rock

圖3 采場(chǎng)頂板破斷下沉示意圖Fig.3 Diagram of stope roof breaking and sinking

2) 頂板破斷步距。根據(jù)兩邊固支條件下基本頂初次來(lái)壓步距的計(jì)算方法[13]，代入81308工作面參數(shù)，得出沖刷帶侵蝕區(qū)域直接頂?shù)某醮慰迓渚嚯x為41.69 m，基本頂?shù)某醮慰迓洳骄酁?2.54 m。假設(shè)頂板的周期斷裂為一端自由的懸臂式斷裂，可通過(guò)材料力學(xué)得出頂板的周期垮落距離，結(jié)合工作面參數(shù)計(jì)算得沖刷段直接頂周期斷裂步距為L(zhǎng)k=17.02 m，關(guān)鍵層周期斷裂步距為L(zhǎng)1=21.44 m。

受沖刷帶侵蝕影響，工作面直接頂厚度增加，基本頂破斷后回轉(zhuǎn)下沉量及殘余下沉量均較小，通過(guò)式(3)對(duì)關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行判斷，當(dāng)滿足式(3)，關(guān)鍵層將以砌體梁結(jié)構(gòu)形態(tài)出現(xiàn)。

(3)

式中：q為基本頂及其隨動(dòng)巖層載荷，MPa；σc為基本頂破斷巖塊抗壓強(qiáng)度，取30 MPa。

通過(guò)計(jì)算，得出式(3)左側(cè)結(jié)果為7.4 m，右側(cè)結(jié)果為10.55 m，右側(cè)大于左側(cè)，滿足基本頂砌體梁結(jié)構(gòu)的形成條件。

2.2 沖刷帶侵蝕煤層覆巖結(jié)構(gòu)模型

基于對(duì)采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)特征的分析，針對(duì)工作面沖刷段回采礦壓顯現(xiàn)特征，建立了沖刷帶侵蝕煤層的覆巖結(jié)構(gòu)模型，如圖4所示。

圖4 沖刷段采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)模型Fig.4 Overburden structure model of erosion zone stope

沖刷帶侵蝕區(qū)域煤層的厚度較薄，同時(shí)直接頂板較厚，基本頂巖塊回轉(zhuǎn)下沉空間小，可形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，以承受上覆巖層荷載，緩解支架受力。此時(shí)支架處于給定變形狀態(tài)， 為防止關(guān)鍵塊B回轉(zhuǎn)下沉誘發(fā)的頂板結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，要求支架有足夠的變形量及支撐阻力。

3 支架穩(wěn)定性分析

采場(chǎng)支架上方的覆巖層結(jié)構(gòu)可分為直接頂破斷后的懸臂梁結(jié)構(gòu)和基本頂破斷后形成的砌體梁結(jié)構(gòu)。為保證覆巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，支架支護(hù)阻力需滿足直接頂作用力、基本頂及其隨動(dòng)巖層作用力的影響。根據(jù)沖刷帶侵蝕煤層開(kāi)采頂板周期破斷形成的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析并計(jì)算其支架所受到的載荷。沖刷帶侵蝕煤層頂板結(jié)構(gòu)力學(xué)模型及分析如圖5所示。

圖5 沖刷帶侵蝕煤層頂板結(jié)構(gòu)力學(xué)模型Fig.5 Mechanical model of roof structure of coal seam eroded by erosion zone

為實(shí)現(xiàn)基本頂破斷后巖體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，支架需承受兩部分載荷：一部分為支架承受的直接頂重力載荷，另一部分為控制基本頂破斷后巖塊結(jié)構(gòu)穩(wěn)定需承受的破斷巖體及其隨動(dòng)巖層傳遞的載荷。

1) 支架需承受的直接頂重力載荷可根據(jù)式(4)計(jì)算得出。

Pz=Lkbzh1γ

(4)

式中：Pz為直接頂重力，kN；Lk為直接頂周期破斷步距，m；bz為支架中心距，m；h1為直接頂厚度，m；γ為巖層容重，kN/m3。

根據(jù)式(4)計(jì)算得到?jīng)_刷段直接頂作用力為6 171 kN。經(jīng)過(guò)分析，由于沖刷段直接頂板較厚，作用于支架的重力載荷大。

2) 基本頂破斷塊體B自身重力載荷為GB計(jì)算見(jiàn)式(5)。

GB=L1bzh2γ

(5)

式中：GB為破斷塊體B重力，kN；L1為基本頂周期破斷步距，m；h2為基本頂厚度，m。

為實(shí)現(xiàn)基本頂巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，避免滑落失穩(wěn)發(fā)生，需滿足式(6)。

Ttan(φ-θ)+F≥GB+Ps

(6)

式中：T為巖塊B回轉(zhuǎn)形成的水平推力，kN；F為支架作用于巖塊B的支撐力，kN；Ps為破斷塊體B上方隨動(dòng)巖層作用力，kN；φ為巖塊的內(nèi)摩擦角，(°)；θ為巖塊的破斷角，(°)。

水平推力T計(jì)算見(jiàn)式(7)。

(7)

保證基本頂巖層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性所需的支護(hù)力F計(jì)算見(jiàn)式(8)。

(8)

經(jīng)過(guò)計(jì)算得出，當(dāng)支架提供6 693 kN的支護(hù)時(shí)，頂板結(jié)構(gòu)可保持穩(wěn)定。

綜上，支架所受靜態(tài)支護(hù)阻力為P0，計(jì)算見(jiàn)式(9)。

P0=Pz+F

(9)

由于頂板周期破斷存在動(dòng)載作用，支架工作阻力計(jì)算應(yīng)包含頂板破斷的動(dòng)載作用力計(jì)算見(jiàn)式(10)。

PD=KD×P0

(10)

式中，KD為動(dòng)載系數(shù)。

因此，支架應(yīng)提供支架工作阻力P計(jì)算見(jiàn)式(11)。

P≥P0+PD

(11)

根據(jù)式(11)得出，沖刷帶侵蝕區(qū)域要求支架的工作阻力P為12 864 kN。

81308工作面選用液壓支架型號(hào)為ZFY12500/25/39D，支架頂梁寬度1.75 m，最大控頂距為5.91 m，支架的工作阻力為12 500 kN，支護(hù)強(qiáng)度為1.33～1.35 MPa。根據(jù)上述支架受力分析及載荷計(jì)算，結(jié)合支架各項(xiàng)參數(shù)，認(rèn)為來(lái)壓期間支架所承受上覆巖層載荷可能略大于額定工作阻力。在工作面來(lái)壓期間多個(gè)支架的安全閥發(fā)生開(kāi)啟，存在壓架現(xiàn)象，需采取卸壓措施保障工作面回采安全。

4 水力壓裂沖刷帶頂板弱化技術(shù)

為了確保在81308工作面初采期間沖刷帶頂板的及時(shí)破斷，避免因頂板懸露引起的安全風(fēng)險(xiǎn)，保證采面的安全高效生產(chǎn)，提出通過(guò)水力壓裂提前對(duì)沖刷帶頂板弱化，降低頂板巖層力學(xué)性能，使得采面回采至預(yù)裂區(qū)域時(shí)頂板能夠及時(shí)垮落，降低礦壓顯現(xiàn)程度。水力壓裂鉆孔的施工參數(shù)如圖6所示。

圖6 水力壓裂鉆孔布置參數(shù)Fig.6 Layout parameters of hydraulic fracturing boreholes

由于81308工作面上覆均厚8.2 m的沖刷帶頂板和均厚15 m的細(xì)粒砂巖基本頂，為實(shí)現(xiàn)對(duì)沖刷帶頂板和砂巖基本頂?shù)挠行趸刂祈敯寮皶r(shí)垮落，避免大面積懸頂現(xiàn)象的發(fā)生，頂板水力壓裂高度設(shè)計(jì)為25 m。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)得81308工作面水力壓裂的有效壓裂半徑為12 m，因此鉆孔間隔設(shè)計(jì)為24 m。

水力壓裂鉆孔參數(shù)：短壓裂鉆孔(S鉆孔)：設(shè)計(jì)長(zhǎng)度33 m，與水平面夾角50°，垂直于煤壁施工，在順槽共設(shè)計(jì)施工24個(gè)鉆孔，間距為24 m(圖6(a))；長(zhǎng)壓裂鉆孔(L鉆孔)：設(shè)計(jì)鉆孔長(zhǎng)度50 m，與水平面夾角30°，在順槽共設(shè)計(jì)施工24個(gè)鉆孔，間距為24 m，鉆孔同切眼間的夾角為22°(圖6(b))。在實(shí)際操作時(shí)，可結(jié)合壓裂效果及時(shí)修正技術(shù)參數(shù)。

5 工程試驗(yàn)效果

在81308工作面運(yùn)輸順槽進(jìn)行了頂板水力壓裂試驗(yàn)，為檢驗(yàn)其對(duì)頂板的弱化效果，對(duì)工作面初采期間液壓支架實(shí)時(shí)工作阻力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，記錄了每個(gè)循環(huán)頂板破斷、支架承載情況。

根據(jù)所記錄、測(cè)量數(shù)據(jù)，整體生成81308綜放面回采期間支架壓力云圖，如圖7所示。由圖7可知，當(dāng)工作面回采28 m后，基本頂初次破斷，頂板發(fā)生的垮落使得工作面來(lái)壓強(qiáng)烈，支架載荷驟增，持續(xù)推進(jìn)12 m后，支架載荷降低，支架后方采空區(qū)垮落充填較好。基本頂周期來(lái)壓步距平均為20 m，來(lái)壓期間支架工作阻力在可控范圍內(nèi)，僅小部分支架出現(xiàn)安全閥開(kāi)啟現(xiàn)象。

圖7 81308工作面初采期間支架壓力云圖Fig.7 Cloud chart of support pressure in 81308working face during initial mining

6 結(jié) 論

1) 為解決81308沖刷帶侵蝕工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈問(wèn)題，構(gòu)建了沖刷帶侵蝕煤層采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)模型，分析發(fā)現(xiàn)沖刷段頂板來(lái)壓步距將增大，沖刷體破斷垮落后采空區(qū)充填程度較高；關(guān)鍵層破斷后回轉(zhuǎn)下沉能夠形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，支架處于給定變形狀態(tài)。

2) 基于沖刷帶侵蝕煤層覆巖結(jié)構(gòu)模型，分析了支架穩(wěn)定性，得出來(lái)壓期間支架所承受上覆巖層載荷略大于額定工作阻力，為避免壓架事故發(fā)生，需采取水力壓裂措施弱化頂板。

3) 支架載荷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，通過(guò)水力壓裂弱化頂板后，基本頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距為28 m，周期來(lái)壓步距為20 m，來(lái)壓較為平穩(wěn)，僅小部分支架存在安全閥開(kāi)啟現(xiàn)象，表明頂板弱化措施取得了良好的成效。