某礦長(zhǎng)距離連續(xù)推進(jìn)工作面頂板破斷規(guī)律研究

孫新磊 王 甲 李 偉

（臨沂礦業(yè)集團(tuán)菏澤煤電有限公司）

工作面長(zhǎng)度變化導(dǎo)致的煤層回采過(guò)程中的頂板破斷結(jié)構(gòu)異常，嚴(yán)重影響了礦井的安全生產(chǎn)工作［1-2］。在工作面長(zhǎng)度變化的采場(chǎng)中，由于頂板礦山壓力顯現(xiàn)，在傳統(tǒng)礦井中使用的支護(hù)系統(tǒng)難以起到有效的支護(hù)作用［3-4］。因此，探究頂板的破斷規(guī)律是優(yōu)化巷道支護(hù)的關(guān)鍵問(wèn)題。

姜福興［5］基于微震定位監(jiān)測(cè)技術(shù)，根據(jù)采場(chǎng)的不同邊界條件總結(jié)了采場(chǎng)頂板三維空間的力學(xué)形態(tài)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。楊增強(qiáng)等［6］采用數(shù)值模擬和微震監(jiān)測(cè)手段研究了斷層影響下工作面長(zhǎng)度變化區(qū)的覆巖破壞機(jī)理。何富連、陳冬冬等［7-8］運(yùn)用有限差分原理構(gòu)建了彈性基礎(chǔ)邊界、彈-塑性基礎(chǔ)邊界的薄板結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，深化了采場(chǎng)頂板的破斷順序細(xì)則。

針對(duì)復(fù)雜的變面采場(chǎng)頂板破斷結(jié)構(gòu)的演化問(wèn)題，以往學(xué)者多采用實(shí)地監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬手段進(jìn)行研究，而理論分析方法多用于研究簡(jiǎn)單地質(zhì)條件下的破斷結(jié)構(gòu)。針對(duì)某礦工作面長(zhǎng)度變化的復(fù)雜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立不同邊界條件下的連續(xù)性頂板破斷結(jié)構(gòu)模型，探究頂板的失穩(wěn)破壞規(guī)律，為復(fù)雜條件下的采場(chǎng)巖層控制提供理論基礎(chǔ)。

1 工程地質(zhì)概況

某礦11184 采煤工作面位于井田東翼，北部是11182 采空區(qū)，南部18 煤未采動(dòng)，西部為軌道上山及主運(yùn)輸上山，東部為井田邊界。工作面總體表現(xiàn)為北高南低的單斜構(gòu)造，工作面內(nèi)煤層傾角變化較小，煤層厚度1.3～4.2 m，平均煤厚3.8 m。煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，夾矸一般為0～1層，巖性均為泥巖或炭質(zhì)泥巖，層位穩(wěn)定，煤層頂?shù)装鍘r性特征如表1所示。

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受制于煤層賦存地質(zhì)環(huán)境影響，工作面具有變化特性，傾向長(zhǎng)度最短為120 m，最長(zhǎng)為240 m，平均長(zhǎng)度180 m。為探究工作面推進(jìn)過(guò)程中由于工作面長(zhǎng)度導(dǎo)致的礦山壓力顯現(xiàn)異常，尤其是工作面長(zhǎng)度進(jìn)入對(duì)接變化區(qū)后的支架快速升壓，頂板大量破碎等問(wèn)題，對(duì)某礦的工作面頂板破壞規(guī)律進(jìn)行分析。

2 沿空巷道初采采場(chǎng)頂板破斷規(guī)律

以往的頂板破斷力學(xué)研究模型中，多將頂板的力學(xué)邊界條件設(shè)立為四邊固支條件。為減少煤炭資源的回收損失率，某礦采用沿空留巷，因此，頂板力學(xué)模型的邊界條件也會(huì)隨之發(fā)生改變。由于沿空巷道對(duì)上方頂板的力學(xué)夾支性能極弱，固支條件已經(jīng)不再滿足工程力學(xué)模型，應(yīng)變更為簡(jiǎn)支邊界條件。適用于沿空巷道邊界條件下的采場(chǎng)頂板力學(xué)模型如圖1 所示，模型的尺寸為2a×b（長(zhǎng)×寬）。此模型為三邊固支一邊簡(jiǎn)支，沿空巷道邊界為簡(jiǎn)支邊界，其余邊界的力學(xué)夾支性能較好，設(shè)置為固支邊界條件。利用伽遼金法對(duì)此頂板進(jìn)行數(shù)學(xué)解析，通過(guò)分析頂板的彎矩?cái)?shù)值規(guī)律，探究此邊界條件下頂板的采動(dòng)裂隙場(chǎng)發(fā)育規(guī)律。

根據(jù)模型邊界條件可以得出：

式中，ω為撓度，m。

依據(jù)彈性力學(xué)伽遼金法，撓度公式：

式中，μ為泊松比。

假 設(shè)a=80 m，b=120 m，q=-15 MPa，D=70.52 GPa·m，μ=0.35，最終利用MATLAB 計(jì)算得到彎矩圖像，如圖2所示。

根據(jù)圖2所示的彎矩圖，最終可得到頂板的破斷過(guò)程，即高位裂隙的瓦斯流動(dòng)通道演化過(guò)程，由圖可以看出，x方向彎矩與y方向彎矩均在固支邊的長(zhǎng)邊位置達(dá)到最高值，分別為980 MN·m 與3 300 MN·m，大于兩側(cè)短固支邊界處的1 800 MN·m，所以，此處頂板率先發(fā)生破斷，隨后兩側(cè)短固支邊的彎矩達(dá)到最高值，使頂板發(fā)生破斷，此時(shí)固支邊界全部破斷，與下方沿空巷道的邊界裂隙貫通，最終連接成“O”形裂隙圈，隨后中間位置的頂板發(fā)生破斷，并向邊界方向延伸，在板中間內(nèi)部產(chǎn)生“X”形裂隙通道，至此形成頂板的“O-X”裂隙破斷過(guò)程，破斷過(guò)程如圖3所示。

綜上所述，沿空巷道條件下的初始采場(chǎng)頂板破斷發(fā)育過(guò)程與傳統(tǒng)采場(chǎng)的頂板破斷過(guò)程略有不同，但均會(huì)發(fā)育為“O-X”破斷，其發(fā)育過(guò)程為長(zhǎng)邊裂隙產(chǎn)生—短邊裂隙產(chǎn)生—周?chē)严敦炌ā虚g裂隙產(chǎn)生。

3 工作面長(zhǎng)度變化區(qū)頂板破斷規(guī)律

隨著工作面的推進(jìn)距離繼續(xù)增加，工作面進(jìn)入長(zhǎng)度變化區(qū)。如圖4所示，此時(shí)工作面位置處的頂板受到擾動(dòng)應(yīng)力的影響發(fā)生斷裂，頂板模型的底部為沿空巷道的破斷頂板，因此模型的左邊界下半部分與底部可設(shè)置為簡(jiǎn)支邊界條件。此模型中在同一個(gè)邊界上出現(xiàn)了2 種邊界條件，根據(jù)全區(qū)域擾動(dòng)特性，工作面連續(xù)推進(jìn)時(shí)會(huì)在正前方產(chǎn)生超前支承壓力包絡(luò)區(qū)，對(duì)于相鄰位置的頂板超前支承壓力的影響較小，考慮到變面采場(chǎng)的下部邊界約束性較弱，因此，以變面采場(chǎng)的1/2 為分割線，將變面采場(chǎng)劃分為變面采場(chǎng)Ⅰ與變面采場(chǎng)Ⅱ，其中變面采場(chǎng)下部1/2 的變面采場(chǎng)Ⅰ會(huì)率先發(fā)生破斷，繼而促使上部1/2 的變面采場(chǎng)Ⅱ發(fā)生破斷。

根據(jù)上述分析過(guò)程，對(duì)變面采場(chǎng)Ⅰ進(jìn)行力學(xué)建模，如圖5所示。

運(yùn)用MATLAB計(jì)算得到彎矩圖像，如圖6所示。

根據(jù)圖6所示的頂板彎矩圖，可分析頂板的破斷規(guī)律，如圖7、圖8所示。此模型在長(zhǎng)簡(jiǎn)支邊的中心位置取得極大值，促使采場(chǎng)的頂板在長(zhǎng)簡(jiǎn)支邊處發(fā)生破斷，由于此處的頂板在小面采場(chǎng)時(shí)已經(jīng)率先發(fā)生破斷，因此，頂板的裂縫將會(huì)向板中心延伸并逐漸向固支邊靠攏，誘發(fā)固支邊發(fā)生破斷，隨后固支邊斷裂裂縫向兩側(cè)貫通形成閉合的破斷結(jié)構(gòu)，在整體結(jié)構(gòu)上，表現(xiàn)為具有延長(zhǎng)特性的“O-X”破斷。

4 工作面長(zhǎng)度漂移區(qū)頂板破斷規(guī)律

當(dāng)變面采場(chǎng)Ⅰ破斷形態(tài)形成后將會(huì)誘發(fā)變面采場(chǎng)Ⅱ的連續(xù)性破斷，變面采場(chǎng)Ⅱ的模型邊界條件與小面采場(chǎng)模型邊界條件相同，因此，省略其計(jì)算過(guò)程，此過(guò)程中，頂板的破斷結(jié)構(gòu)向傾向發(fā)生了漂移，最終出現(xiàn)接續(xù)小面采場(chǎng)的漂移形“O-X”破斷結(jié)構(gòu)，并且破斷規(guī)律與某礦實(shí)測(cè)的頂板下沉規(guī)律相吻合，如圖9 所示。由于延長(zhǎng)形“O-X”破斷與漂移形“O-X”破斷均出現(xiàn)在工作面長(zhǎng)度的變化區(qū)，所以導(dǎo)致了工程現(xiàn)場(chǎng)中的來(lái)壓步距短、變壓強(qiáng)度高、頂板破碎、支護(hù)難等現(xiàn)象。其整體在回采推進(jìn)與巖層運(yùn)移的時(shí)空關(guān)系上表現(xiàn)出頂板結(jié)構(gòu)破斷的漂移性、巖層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的非連續(xù)性、支撐壓力擴(kuò)展的遷移性以及礦壓顯現(xiàn)陡增的瞬時(shí)性。

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）建立沿空巷道條件下的初采采場(chǎng)力學(xué)模型，運(yùn)用伽遼金法進(jìn)行理論求解，得到頂板破斷發(fā)育過(guò)程為長(zhǎng)邊裂隙產(chǎn)生—短邊裂隙產(chǎn)生—周?chē)严敦炌ā虚g裂隙產(chǎn)生。

（2）將工作面長(zhǎng)度變化采場(chǎng)劃分為變面采場(chǎng)Ⅰ與變面采場(chǎng)Ⅱ，其中變面采場(chǎng)Ⅰ發(fā)生延長(zhǎng)形“O-X”破斷結(jié)構(gòu)，變面采場(chǎng)Ⅱ發(fā)生漂移形“O-X”破斷結(jié)構(gòu)。

（3）由于延長(zhǎng)形“O-X”破斷與漂移形“O-X”破斷均出現(xiàn)在工作面長(zhǎng)度的變化區(qū)，并由此導(dǎo)致了工程現(xiàn)場(chǎng)中的來(lái)壓步距短、變壓強(qiáng)度高、頂板破碎難支護(hù)等現(xiàn)象。