斜沟矿8号煤层采后上覆顶板破断规律及力学分析

2019-07-25郝昭龙

煤矿现代化 2019年5期

郝昭龙

（山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西兴县 033602）

山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿设计生产能力1500万t/a。斜沟煤矿正在开采13#和8#煤层。在8#煤层12采区的开采过程中，随着工作面开采深度的增加和顶板岩石条件的变化，巷道顶板支护出现了一些问题，发生了几次漏顶和冒顶的事故，给矿井的安全生产带来了很大隐患，严重影响了矿井的生产接续。如果借鉴相邻矿井的资料来进行工作指导，就会存在很大的盲目性和针对性，必将给矿井安全生产和防治水工作带来安全隐患。因此探讨煤矿顶板断裂具有重要的意义，必将对工作面顶板维护和防治水工作提供可靠的理论基础。

1 顶板破断力学分析

1.1 留巷的围岩结构

随着回采工作的不断推进，采空区面积不断的增加，煤层上覆岩层的悬露面积也不断扩大，当煤层顶板是坚硬的岩层时，由于岩层受到自身自重，上覆覆岩重量及煤层开采引起的应力，顶板会在实体煤体上方发生断裂，形成铰接结构[1-2]，如图1所示。坚硬顶板的断裂，会在回采工作面形成来压突然增大、顶板出现整体冒落，此现象必然会引起上覆岩层发生较大的活动，留巷围岩所受到的载荷势必会增加，造成巷道维护困难。

图1 留巷围岩结构图

1.2 基本顶发生破断对留巷煤柱的影响

工作面回采后，煤层的老顶在断裂后会在采空区侧形成关键块体A、B、C，如图1所示；关键块A位于未采区域煤层上方、关键快B则是在采空区与未采区之间，一段处于未采的实体煤层上方，另一端则旋转下沉，位于冒落的矸石之上[3-4]，关键块C则整体位于冒落的矸石之上。由于老顶的岩性一般为坚硬的砂岩，强度、刚度较大。由于老顶受到较大的压力，当支撑关键块B的实体煤及矸石无法阻止其旋转下沉时，就会发生沉降。关键块B的下沉量S和旋转角θ可由下式求得：

其中任意点x处的基本顶给定变形量Sx为：

式中：M为工作面采高；∑h为直接顶厚度；k0为采空区矸石参与碎胀系数；θ为块体B的旋转角；L为块体B的长度；X为距块体B破断位置的距离。

1.3 三角块B相关参数

周期来压步距L1、沿采空区向断裂跨度L2，煤体中发生断裂的位置x0，是三角块B的重要参数。三角块B的基本尺寸以及通过基本顶在周期来压时的断裂模式和周期来压步距可以由公式（4）、（5）确定[5-6]。由材料力学的先关理论可知周期来压步距计算公式为：

式中：h为基本顶厚度，取24.0m；RT为基本顶抗拉强度，根据岩石力学试验结果取4.5MPa；Q为基本顶单位面积承受的载荷，本计算中取基本顶自身的重量2.5MPa。

经过计算可得出周期来压步距为35m。

根据对82401、82403两个工作面矿压观测可知，82401、82403工作面的周期来压步距为10～38m。

利用上式公式可知侧向断裂跨度L2计算公式为：

通过计算可知，三角块B的悬跨度范围为：11～31m。

由此可见，三角块的悬跨范围是与周期来压步距的基本一致。因此在端头形成的弧形板通常为等边三角形，这与现场观测的结果相一致。由于弧形板的断裂决定了煤柱应力的峰值与范围，因此适当缩短端头弧形板的长度，对煤柱的稳定性及底鼓均可以起到缓解作用。通过对82401工作面的矿压观测可知，在末采过程中，周期来压步距一般为14m左右，底鼓量基本没有。因此可以通过周期来压步距或者结合距离工作面贯通距离然后来决定是否需要对顶板做出相应处理。

2 煤柱及实体煤帮的横向扩容变形分析

老顶作用在实体煤体上的竖向及侧向应力会导致护巷煤柱及实体煤体在竖向发生压缩变形，导致侧向发生扩容，从而使得实体煤体发生变形。根据相应的几何关系，建立如下图2所示的留巷小结构横向变形的计算模型，并分析实体煤帮以及煤柱的横向变形。

图2 顶板横向变形示意图

如图 2 所示，d1、d2、d3分别为老顶在该处的竖向沉降量，△1、△2、△3分别为该点处煤体的侧向变形值。

d1、d2、d3的求解可由下式求得：

相关专家学者的研究表明，支撑顶板的护巷煤柱及实体煤体的变形与老顶的岩性有较大关系。当老顶岩性较为坚硬时，支撑顶板的煤体的变形量会明显大于软弱老顶时的变形量。相关的测量及数值模拟研究指出，相同条件下，坚硬顶板引起的支撑煤体的变形量值是软弱顶板时的变形量值的2.5～4倍。

综上，当煤层顶板较为坚硬时，留巷的变形控制是较为困难的，需要适当的对顶板进行处理。

3 煤柱的破碎对顶底板的影响

在矿井中，留巷滞后段经常发生大变形和围岩破坏，巷道断面收缩率经常达到50%以上，这主要是因为受到回采及巷道掘进产生的动压影响，煤柱表面发生一定的弹塑性破坏，煤柱本身的支撑强度降低，此时应当在煤柱的上方采用锚网索相结合的支护方式，而下部则是无支护的围岩。

回采巷道的帮部稳定性对于底板的稳定性有非常重要的影响。当支撑煤柱受到较大的支承压力时，支撑煤柱表层会产生塑性破坏，进而对巷道底板产生一定的挤压作用，引起底板的滑移或者剪切破坏。

图3 底角承载性能弱化区

如图3是应力云图是斜沟矿82401回采工作面靠后方100m左右的位置巷道截面内的最小主应力分布情况图。

FlAC3D数值模拟结果中，压应力用负值表示，巷道围岩受力主要以压应力为主。巷道受到回采及巷道掘进作用影响下的承载能力可用最小主应表示。从图3可知，巷道实体煤体与底板相交出的底角是整个巷道受力相对较弱的区域，这也从力学角度解释了巷帮低侧角处发生滑移剪切破坏的原因。

留巷煤柱和煤帮的强度都是远远小于顶底板的岩层强度，因此护巷煤柱及实体煤侧的破裂范围及程度会较煤层顶底板岩层大的多，因此在巷道支护时应对围岩支护结构的薄弱部位加强支护。回采工作面及掘进工作面产生的动压会使护巷煤柱及实体煤侧表面发生一定塑性破坏，煤体深部会存在一定的弹性变形，在采掘的不断影响作用下，表明煤体的损伤程度进一步增加且向煤体深部延伸，使得煤体的承载能力降低，煤体从表面向深部内不断扩展的塑性破坏就相当于增加了巷道的宽度，变相减少了护巷煤柱的有效宽度。若是把巷道顶板的受力情况简化成简支梁结构，巷道广义宽度的增加与顶板内部的最大拉应力是呈现出平方的增长的关系。巷道的广义宽度增加会导致巷道顶板受力情况趋于复杂，巷道顶板发生较大的变形。巷道围岩支护理论中的“强帮控顶”支护技术思想就是表面，巷道两帮强度的增加能有效降低巷道顶板受力，降低顶板下沉量。广义上分析，“强帮控顶”技术相当于变相的减少巷道顶板岩层跨度，改善巷道顶板的受力状况，降低顶板下沉量，有助于提高巷道整体的稳定性。