急傾斜煤層頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及其控制研究

王曉波

（晉能控股集團(tuán)朔州煤電有限公司，山西 朔州 038300）

0 引 言

急傾斜煤層與水平煤層在采礦方法、上覆巖層結(jié)構(gòu)、礦壓規(guī)律、支架穩(wěn)定控制等方面存在顯著差異。上覆巖層沿傾角的結(jié)構(gòu)決定了圍巖控制的重點(diǎn)，這是采場支護(hù)設(shè)計的主要依據(jù)之一。國內(nèi)學(xué)者對急傾斜盤區(qū)圍巖控制問題進(jìn)行了大量研究。例如：基于彈性力學(xué)研究了急傾斜厚煤層主頂板的斷裂模式及評價；急傾斜大采高綜采工作面周圍巖層移動與支護(hù)系統(tǒng)的相互作用特征；通過光彈性試驗(yàn)獲得了大傾角工作面圍巖的地壓；基于薄板理論研究了沿斜面不對稱充填的變形和斷裂特征。通過類似模擬等綜合方法，提出了傾斜方向和反傾斜方向樁型的斜砌體結(jié)構(gòu)，并指出這些結(jié)構(gòu)的不平衡運(yùn)動是“R-S-F”體系失穩(wěn)的主要因素。然而，陡斜面與近似水平斜面不同的主要特征是由傾角引起的沿斜面圍巖結(jié)構(gòu)的差異。對礦井壓力的構(gòu)造形式、失穩(wěn)形式及成因規(guī)律研究不夠深入[1-4]。

本文以石碣峪煤礦為工程底板地面，通過相似模擬實(shí)驗(yàn)，研究了急傾斜煤層開采上覆巖層沿傾角移動規(guī)律及頂板結(jié)構(gòu)特征。通過理論分析研究了頂板結(jié)構(gòu)在傾斜方向上的失穩(wěn)條件，并通過現(xiàn)場礦壓規(guī)律進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 工程概況

石碣峪煤礦煤層埋深為195.6 ～ 242.6 m，盤寬為60 m。煤層平均厚度為6.8 m，平均傾角為45。采用了長壁綜放開采方法。截煤高度2.3 m，放頂煤高度4.5 m。直接頂板為8 m 厚粉砂巖，普氏系數(shù)f 在4～6.14 之間。基底頂板為3～5 m 厚的中厚砂巖，普氏系數(shù)f 為6.31。直接底板為含碳泥巖和粉砂巖，厚度在3.8～5.4 m 之間。基本地板是12 m 厚的中砂巖。通風(fēng)入口布置在樓層，運(yùn)輸入口也在層。節(jié)理截面為圓弧，如圖1 所示。37 個支架從上到下沿傾斜方向安裝。31 號支架位置傾角達(dá)到最大值52。在設(shè)備安裝的3 個月時間里，上部支架的穩(wěn)定性較差，出現(xiàn)滑動、傾倒、擠壓等現(xiàn)象。工作面距離切眼不超過10 m。

圖1 煤礦面板巷道布置示意圖

2 覆巖移動的物理模擬

在急傾斜煤層開采中，上覆巖層移動規(guī)律及其失穩(wěn)形式?jīng)Q定了支護(hù)穩(wěn)定性控制的重點(diǎn)。對于近似水平煤層的開采，走向方向上頂板構(gòu)造的認(rèn)識在很大程度上是研究的結(jié)果。而在急傾斜煤層中，研究頂板在傾斜方向的破壞模式及其結(jié)構(gòu)具有更大的意義。上覆巖層結(jié)構(gòu)及其失穩(wěn)方式的差異是造成急傾斜煤層與近似水平煤層“支護(hù)- 圍巖”系統(tǒng)存在較大差異的因素。因此，采用平面模擬模擬的方法對覆巖移動及其傾向方向的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)基于相似理論設(shè)計，包括幾何相似、運(yùn)動學(xué)相似和動力學(xué)相似。幾何相似度為100∶1，體積重量為1.6∶1，時間相似度為10。巖層物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。該模型長180 cm，寬16 cm，高120 cm。采用補(bǔ)償法上傳覆巖剩余重量。模型布置完成后，從下往上布置位移觀察點(diǎn)。布局密度為10 cm×10 cm。共11 層。在巖層達(dá)到預(yù)定強(qiáng)度后，模擬不同板寬下的切放煤。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，在100 m 板寬下模擬2.3 m 采高下切煤，然后模擬放煤，觀察上覆巖層崩落規(guī)律。

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)

為了與實(shí)際生產(chǎn)一致，在材料達(dá)到預(yù)定強(qiáng)度后，模擬出初始推進(jìn)2.3 m，出料量。為模擬急傾斜綜放煤層上覆巖層移動規(guī)律，在距底界20 m 處開挖。每個面板的模擬寬度為100 m。放煤后各層垂向位移如圖2 所示。由圖2 可知，急傾斜煤層開采后水平位移主要為正位移。最大的垂直和水平位移偏置在面板的底端。50 m 和60 m 的測量線位移突然增大，分別到距底端50 m 和60 m 的位置。垂直位移約為5.0 m 和5.5 m。80 m 測線以上地層的水平位移和垂直位移很小。上面的地層與下面的地層分離。基準(zhǔn)線80 m 以內(nèi)的巖層大面積下沉。在垂直于巖層的力作用下，破碎的鉸接巖層向上端水平移動，即垮落塊體繞底部鉸接點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。這與緩傾斜煤層開采中垮落塊體向采空區(qū)中心移動的工作面開采完全不同。上部豎向位移突變表明在測線上方60 m 處形成傾斜砌體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)下方巖石發(fā)生滑動失穩(wěn)，向底部滑動，增大了豎向位移。抽采后，崩塊體向下滑動，導(dǎo)致上頂板活動廣泛。上部破碎頂板有較大的移動空間，導(dǎo)致對支架產(chǎn)生動荷載作用。同時，上部頂板暴露會降低抗滑力，加重支架的滑移和擠壓。

圖2 放頂煤后覆巖水平和垂直位移

不同放煤階段上覆巖層移動情況如圖3 所示。由圖3 可知，沿傾斜方向切割100 m 后，覆巖移動較小。頂部有65 的崩塌角度，已經(jīng)足夠多的崩塌的底部，有51 的崩塌角度。在上端和下端形成一個三鉸拱。巖層沿傾斜方向相互擠壓（圖3a）。在抽煤的過程中，較軟的煤上方的破碎頂板會破碎成小巖石塊，并從板板上滑下來。底端崩塌角度增加到57，上端保持在65。試驗(yàn)結(jié)果表明，開采初期上端巖層達(dá)到全垮落，而隨著開采空間的增大，下端巖層的破碎程度也隨之發(fā)展。當(dāng)板寬為100 m 時，上覆巖層在巖層法線方向上的移動范圍為37 m。80 m 放煤時，范圍為40 m。此時，傾斜砌體結(jié)構(gòu)形成的層向上發(fā)展，下層巖層向抽煤空間移動。100 m 放煤時，移動范圍增加到45 m，下傾斜砌體結(jié)構(gòu)再次失穩(wěn)（圖3d）。研究表明，急傾斜采場傾斜方向的中上部是巖層移動的活躍區(qū)。通過類似模擬觀察巖層移動特征，直觀地驗(yàn)證了上端傾斜砌體結(jié)構(gòu)的滑動失穩(wěn)是頂板破壞結(jié)構(gòu)的主要失穩(wěn)模式。在開采急傾斜煤層時，其上、下兩端形成三鉸拱結(jié)構(gòu)。不同的是，底部構(gòu)造由滑動巖層支撐，開采空間越大，崩落幅度越大。放煤后，上端砌體結(jié)構(gòu)下方存在頂板暴露區(qū)(圖3c、d)，初始截煤后頂板冒落程度最大。放煤導(dǎo)致頂板暴露被上端傾斜砌體結(jié)構(gòu)屏蔽。該構(gòu)造下的地層在垮落后向下滑動，十分活躍。這種結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)導(dǎo)致頂板暴露，上部受動荷載，加重了支撐的滑動和傾倒。

圖3 上覆巖層沿傾斜方向的運(yùn)動過程

3 斜砌體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模式及現(xiàn)場驗(yàn)證

急傾斜煤層開采后，直接頂板垮落、滑降、充填底端，基本頂板彎曲破壞。在傾向性的上端和下端形成了不同于水平伏索梁的斜拱結(jié)構(gòu)。根據(jù)拱結(jié)構(gòu)的平衡條件，可以得到上下拱彈跳的反力T1、R1、T2、R2：

式中：q為拱結(jié)構(gòu)荷載強(qiáng)度（kN/m）；A為煤層傾角；L為頂板最大跨徑（m）；H為頂板厚度（m）；T1、T2分別為兩拱彈起傾向方向推力（kN）；R1、R2分別為兩拱彈簧的摩擦力（kN）。陡斜板屋蓋結(jié)構(gòu)與緩傾斜板屋蓋結(jié)構(gòu)不同，結(jié)構(gòu)受力不對稱明顯。煤層傾角降低了垂直于頂板的壓力。由于上覆地層壓力分力的單極性，導(dǎo)致底端推力T1增大，上端推力T2減小。因此，滑脫失穩(wěn)可能發(fā)生在上部。定義滑動穩(wěn)定系數(shù)k 為T/r，選取急傾斜煤層上部推力T2。

注意，當(dāng)k乘以tanα大于1 時，結(jié)構(gòu)將保持穩(wěn)定。式中：T為彈簧線方向推力（kN）；i為巖石長度L/2 與基本頂板厚度h的比值。而i可以由式（3）計算。

式中：RT、q分別為頂板抗拉強(qiáng)度和荷載。隨著k系數(shù)的增加，上部巖石結(jié)構(gòu)不會發(fā)生滑動失穩(wěn)。傾角為0（水平煤層）時，滑動穩(wěn)定系數(shù)k約為1.1。傾斜砌體結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。隨著傾角減小到55 左右，k減小到0，上部巖石的推力T2為0，上部巖石結(jié)構(gòu)出現(xiàn)滑動失穩(wěn)現(xiàn)象。對于急傾斜煤層，傾斜巖體形成的砌體結(jié)構(gòu)的滑動穩(wěn)定性受煤層傾角影響明顯。隨著傾角的增大，上部巖石更容易發(fā)生滑動失穩(wěn)，導(dǎo)致上部支架受到動載荷。

斜砌體結(jié)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)變形過程中，由于下部巖體壓應(yīng)力較大，局部應(yīng)力集中，下部巖體更容易形成塑性狀態(tài)。旋轉(zhuǎn)變形計算如圖4 所示。通過計算相對于O 點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩，可以得到式（4）。

圖4 旋轉(zhuǎn)巖石的變形失穩(wěn)

其中：T1=T3+qlsinα。

巖石的旋轉(zhuǎn)角度可以用類似于分析水平巖石變形失穩(wěn)的方法得到。由式（1）可知，傾斜砌體結(jié)構(gòu)中剪應(yīng)力R1隨傾角增大而減小，法向應(yīng)力即傾斜推力T1增大。根據(jù)屈服準(zhǔn)則，下拱結(jié)構(gòu)鉸節(jié)點(diǎn)比水平拱更容易斷裂，煤層傾角減小了垂直于巖層的傾斜砌體結(jié)構(gòu)的法向荷載。隨著煤層傾角的增大，巖石旋轉(zhuǎn)角度減小，即隨著傾角的增大，鉸入點(diǎn)撓度減小，變形失穩(wěn)程度減小。綜上所述，急傾斜煤層頂板破壞后形成的傾斜砌體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模式以滑動失穩(wěn)為主。

煤礦面板共有37 個支架，其中ZFY4800/17/28基本放崩落支架34 個，ZFG4800/18/32 過渡放崩落支架3 個，上端1 個，下端2 個。監(jiān)測上、中、底板支架的工作阻力，29、37 號在上端，19 號在中間，1、9號在上端。定義A（m）為m 號支撐工作阻力的波動指數(shù)。它的值是評估面板不同位置工作電阻變異性的指標(biāo)。A（m）值越大，表明動荷載效應(yīng)越明顯。

由于工作阻力在傾斜方向上的差異很小，所以采用波動率指數(shù)A（m）作為描述工作阻力在傾向方向上變化的指標(biāo)。沿面線方向，上段波動率指數(shù)大于下段波動率指數(shù)。也就是說，斜砌體結(jié)構(gòu)的滑動失穩(wěn)導(dǎo)致了明顯的變異性，這是導(dǎo)致其上端動荷載較大，而下端變形失穩(wěn)引起的荷載強(qiáng)度較小的原因。因此，上端傾斜砌體結(jié)構(gòu)的滑動失穩(wěn)及其滑移導(dǎo)致頂板暴露和劇烈加載。上支架的滑動、傾倒和擠壓威脅到中、底端支架的穩(wěn)定性，嚴(yán)重影響急傾斜板的安全有效生產(chǎn)。

4 工程應(yīng)用及成果

由于石碣峪煤礦傾角較大，頂板、支架重力法向力和切向力隨傾角增大而變化，切向力越大，法向力越小。因此，支撐系統(tǒng)在面板中的載荷減小，而引起支撐系統(tǒng)上端失穩(wěn)的動載荷增加。這將加劇支架的傾倒和擠壓，最終導(dǎo)致頂板支撐不足。實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的支持在整個小組由不穩(wěn)定支持和圍巖體系的上端屋頂發(fā)生時，公開的屋頂是充滿了板梁和柳條柵欄防止進(jìn)一步的屋頂確定屋頂，確保足夠的接觸。同時，當(dāng)頂板破碎時，截煤后超前支護(hù)，伸縮式鋼梁伸出，打開工作面防護(hù)罩，對頂板和煤肋進(jìn)行支護(hù)。移動支架時不卸壓，移動前支架設(shè)定載荷20 MPa 以上，保證頂板完整性。通過上述技術(shù)措施，煤的月產(chǎn)量提高到8 萬t。上部支架的穩(wěn)定性控制和滑動，防止支架的傾倒和擠壓。實(shí)現(xiàn)了支撐系統(tǒng)良好的工作條件。

5 結(jié) 論

急傾斜盤區(qū)巖層位移與緩水平盤區(qū)巖層位移有顯著差異，水平位移和垂直位移的特征表明，破碎塊體圍繞底部鉸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，在尾閘和主閘附近形成傾斜的砌體結(jié)構(gòu)。由于煤層開采后移動空間較大，煤層上端移動比下端移動更劇烈。斜砌體結(jié)構(gòu)上拱回彈的滑動穩(wěn)定性導(dǎo)致上支座受到明顯的動荷載。在急傾斜煤層開采中，傾斜巖體形成砌體結(jié)構(gòu)的滑動穩(wěn)定性受煤層傾角影響較大。隨著傾角的增大，上鉸節(jié)點(diǎn)發(fā)生滑移穩(wěn)定的概率變小，底塊體撓度減小。在急傾斜煤層開采中，上傾斜砌體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)容易引起頂板暴露，從而使整個盤區(qū)支護(hù)穩(wěn)定性急劇下降。采用墊板和木槽填充上部裸露區(qū)，配合支架不卸壓向前移動，增加相鄰支架的設(shè)置荷載，最大限度地減小了上頂板裸露對中底板支架穩(wěn)定性的不利影響。提高了月煤產(chǎn)量，保證了支架的穩(wěn)定性和良好狀態(tài)。