大切割開(kāi)采深煤層煤面穩(wěn)定控制分析研究

鄭 僖

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)朔州煤電有限公司，山西 朔州 038300）

0 引言

隨著采礦綜合機(jī)械化進(jìn)程的加快和煤炭需求的增加，眾多的煤礦逐漸向深埋開(kāi)采延伸。例如，目前中國(guó)各礦區(qū)開(kāi)采或擴(kuò)張深度已超過(guò)800 m，江蘇、山東兩省甚至達(dá)到1 000 m。但深部開(kāi)采由于其固有的高壓、高溫、高應(yīng)力特性，更容易發(fā)生各種動(dòng)力災(zāi)害[1-2]。深部礦山由于地應(yīng)力大，極易發(fā)生頂板破壞和塌陷。煤層傾角也影響著采煤工作面的穩(wěn)定性和地表沉陷規(guī)律。此外，支護(hù)系統(tǒng)不能充分調(diào)動(dòng)，導(dǎo)致工作面端部穩(wěn)定性較弱，且采高較大，加劇了工作面剝落程度。近年來(lái)，工作面突發(fā)性剝落和頂板垮落被認(rèn)為是制約深埋煤層和較大切高工作面采場(chǎng)穩(wěn)定性的突出問(wèn)題。根據(jù)早期現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員對(duì)工作面剝落破壞類型的綜合研究，將控制工作面破壞的重點(diǎn)放在改進(jìn)相應(yīng)的支護(hù)系統(tǒng)測(cè)量，如聲發(fā)射（ACE）防護(hù)設(shè)備。隨著大截距開(kāi)采技術(shù)的成功應(yīng)用，眾多學(xué)者對(duì)采煤工作面破壞機(jī)理和防治技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究，并解決了采煤工作面剝落災(zāi)害的一些問(wèn)題。通過(guò)對(duì)工作面剝落破壞機(jī)理及控制技術(shù)的系統(tǒng)研究，揭示了兩種主要的破壞類型：剪切破壞和拉伸破壞。確定了工作面破壞的本質(zhì)是楔形體的破壞[3-5]。

顯然，目前的研究更多地集中在理論分析和實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，以控制工作面破壞。但優(yōu)先考慮得到采煤工作面的一般破壞機(jī)制，而不是考慮具體的影響因素，如開(kāi)采深度或開(kāi)采與邊界條件。特別是對(duì)于深部開(kāi)采，水平應(yīng)力是影響工作面穩(wěn)定性的一個(gè)不可忽視的因素。因此，本文結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，充分考慮水平應(yīng)力和開(kāi)采條件，對(duì)某深部采煤工作面破壞機(jī)理及穩(wěn)定性控制措施進(jìn)行了研究。

1 工作面剝落的主要控制因素力學(xué)模型

根據(jù)采場(chǎng)上覆巖層的結(jié)構(gòu)，在工作面煤體開(kāi)挖后，形成了兩種類型：支承系統(tǒng)支承整個(gè)頂板巖石時(shí)形成的是b 型固體煤塌矸石，在工作面推進(jìn)方向上靠近煤層的頂板巖石由支承系統(tǒng)支承時(shí)形成的是b 型工作面支承-垮落矸石。因此，當(dāng)直接頂板和主頂板不穩(wěn)定時(shí)，工作面和支護(hù)系統(tǒng)主要吸收頂板壓力。圖1-1給出了研究工作面穩(wěn)定性的b 煤工作面-頂板力學(xué)模型，簡(jiǎn)化模型如圖1-2 所示。假設(shè)滑動(dòng)煤M1高度達(dá)到最大值M，即工作面開(kāi)采高度，滑動(dòng)面剪切力S 和法向力N，則破壞面上剪切力T 為式（1）～式（3）所示：

圖1 力學(xué)模型

式中：Q 為上覆地層壓力；P 為支撐體系工作阻力；G為滑體的重力；F 為煤體與直接頂板摩擦系數(shù)；Q0為支撐板作用在采煤工作面上的力；β、φ 分別為煤體破壞角、內(nèi)摩擦角；C 為內(nèi)聚力；M 為采高。結(jié)合方程式（1）～式（3），工作面穩(wěn)定系數(shù)K 可定義為式（4）所示：

由式（4）可知，多種因素共同決定了穩(wěn)定系數(shù)。首先，隨著頂板壓力Q 值的增大，工作面失穩(wěn)的可能性也隨之增大。前者與開(kāi)采高度和開(kāi)采深度有關(guān)，影響水平應(yīng)力的大小。因此，采煤工作面的穩(wěn)定性直接取決于采高和工作面水平應(yīng)力。二是工作面與支護(hù)系統(tǒng)共同承受上覆巖層的壓力。如果能充分調(diào)動(dòng)良好的支護(hù)體系，提高工作面穩(wěn)定性，工作面鉆孔壓力和煤體與直接頂板間的摩擦最小。煤體的黏聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)工作面穩(wěn)定性也起著至關(guān)重要的作用。煤體強(qiáng)度較弱，容易造成工作面破壞。因此，深埋煤層的大切高工作面在深部開(kāi)采時(shí)，由于煤巖體強(qiáng)度較低，極易引起工作面剝落。

煤力、水平應(yīng)力、采高、支護(hù)系統(tǒng)工作阻力和煤體強(qiáng)度共同作用于工作面穩(wěn)定性。然而，僅用理論方法很難對(duì)主要控制因素進(jìn)行分析。因此，為了制定解決工作面破壞的具體控制措施，有必要通過(guò)數(shù)值模擬研究這些因素的相對(duì)重要性。

2 影響某煤礦工作面穩(wěn)定性的主要因素分析

以1303 面板為工程背景，采用二維維通用離散元代碼（UDEC2D）軟件程序，研究了采煤高度、水平應(yīng)力、支護(hù)工作阻力、煤體黏聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)工作面穩(wěn)定性的影響。煤巖體力學(xué)參數(shù)，如表1 所示。

表1 煤巖體力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模型通過(guò)改變豎向荷載和側(cè)向壓力來(lái)模擬開(kāi)采深度。分別采用20、15、10、5 MPa 的豎向加載系數(shù)和1.6、1.2、0.8、0.4 的側(cè)壓系數(shù)模擬800、600、400、200 m 不同開(kāi)采深度。如圖2-1 所示，開(kāi)采深度對(duì)某工作面破壞特征的影響，當(dāng)開(kāi)采深度為200 m 時(shí)，工作面最大破壞深度為0.5 m，最大破壞區(qū)域?yàn)?.2 m2。最大破壞深度從0.8 m 增加到1.1 m，然后增加到1.5 m，從2.3 m2增加到3.6 m2，然后增加到5.6 m2。因此，隨著開(kāi)采深度的增加，破壞深度和破壞區(qū)域顯著增加。但工作面頂板的剪切破壞主要發(fā)生在淺埋深度，而工作面剝落發(fā)生在整個(gè)工作面高度，并結(jié)合拉伸破壞和剪切破壞，表現(xiàn)為在開(kāi)采深度連續(xù)出現(xiàn)的折痕。

圖2 影響工作面破壞深度及破壞帶面積的主要因素

采用4 種不同的開(kāi)采高度進(jìn)行數(shù)值模擬，隨著采高從3 m 增加到4 m，從5 m 增加到6m，最大破壞深度和破壞區(qū)域分別從0.7 m 增加到1.0 m，從1.5 m 增加到1.7 m，從1.5 m2增加到3.4 m2，從5.6 m2增加到7.4 m2，如圖2-2 所示。可見(jiàn)，隨著采高的增加，工作面破壞深度和破壞帶面積均略有增加，且4 個(gè)采高均造成工作面整體高度破壞。

當(dāng)煤體黏聚力從0.5 MPa 增加到1 MPa 時(shí)，最大破壞深度由2.1 m 減小到1.5 m，破壞區(qū)域面積由8.3 m2減小到5.6 m2。如圖2-3 所示，當(dāng)黏聚力達(dá)到3 MPa 時(shí)，工作面幾乎沒(méi)有發(fā)生明顯破壞。無(wú)支護(hù)強(qiáng)度時(shí)，最大破壞深度為1.5 m，破壞區(qū)域?yàn)?.6 m2。當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度從1 MPa 增加到1.25 MPa，再增加到1.5 MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大破壞深度和破壞區(qū)域分別從1.3 m 減小到1.1 m，最后減小到0.8 m，從4.5 m2減小到2.8 m2，最后減小到2.3 m2，如圖2-4 所示。結(jié)果表明：隨支護(hù)強(qiáng)度的增加，工作面破壞程度降低，且破壞速率降低；因此，增加支護(hù)強(qiáng)度對(duì)提高工作面穩(wěn)定性的作用也從根本上受到了限制。

3 結(jié)論

本文以1303 工作面為工程背景，結(jié)合理論計(jì)算、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，闡述了深埋煤層大采高工作面破壞機(jī)理及穩(wěn)定性控制措施。工作面應(yīng)力環(huán)境對(duì)工作面剝落起著至關(guān)重要的作用，它是由采掘過(guò)程中循環(huán)法向應(yīng)力和圍壓不斷卸荷引起的。特別是在初始加權(quán)前，由于工作面應(yīng)力狀態(tài)由三維向二維甚至一維變化，煤體強(qiáng)度逐漸降低，導(dǎo)致工作面失穩(wěn)。1303 面板在采煤工作面前方3 m 范圍內(nèi)可顯示出二維加載。與支護(hù)強(qiáng)度相比，影響深埋煤層大截高工作面工作面穩(wěn)定性的主要因素是煤體強(qiáng)度、采高和采深。該技術(shù)創(chuàng)新對(duì)工作面剝落的發(fā)生具有明顯的抑制作用。