复杂条件下大采高工作面围岩活动规律分析

2020-04-08惠兴田刘章飞

科学技术与工程 2020年3期

惠兴田，刘章飞

(西安科技大学建筑与土木工程学院，西安 710054)

在科技驱动、创新驱动绿色开采理念推动下，大采高开采工艺快速发展。近年来，众多专家学者通过模拟实验、理论分析、现场实践等针对大采高工作面围岩、采场、支架开展了丰富的研究。刘文岗等[1]用实测和理论分析了综采覆岩顶板运动结构，发现其表现为“两带”或不稳定“三带”特征；弓培林等[2-3]运用相似模拟和现场实测研究了三种不同直接顶力学模型及控制方法，分析了覆岩结构和运移规律；王庆雄等[4]结合实测与理论对大小周期来压发生机理进行分析；付玉平等[5]以关键块为研究对象得出关键块承载能力的回归计算公式；孙森等[6]在现场观测基础上研究三软煤层因围岩矿压显现规律，提出“底板、煤壁、底板”三原则综合控制手段；陈加轩[7]通过工业开采和模拟，研究了不同采高、不同工作面长度下对围岩矿压显现强度的影响；鞠金峰等[8]、许家林等[9]、陈鹏宇等[10]研究了特大采高综采工作面覆岩关键层结构形态及其对矿压显现的影响规律与支架合理工作阻力。但从数值模拟、理论分析及现场实测对复杂条件下，大采高智能化开采工作面矿压显现规律的相关研究较少。

为此，以418工作面为黄陵二号煤矿实施智能化开采工作面，对其采高变化、巷道变形、顶底板演化等进行相关监测研究。通过综合观测，发现巷道围岩较破碎，变形破坏严重，底鼓问题突出，其围岩破坏规律还有待进行深入研究。对此采用数值计算、理论计算和实测分析等手段，开展深部矿井工作面围岩破坏规律研究，以期为矿井安全生产和围岩控制提供理论依据。

1 工程背景

黄陵二号煤矿位于黄陵矿区西北部，为一倾向北西-北西西的单斜构造，地层倾角一般1°～5°。418工作面埋深在478～660 m，平均采高6.0 m，地表为山顶区域。煤层上覆顶板依次为细砂岩、粉砂岩相互交替叠加，煤层赋存特征如图1所示。

图1 煤层柱状图

直接顶板以石英、长石为主；老顶以粉砂岩为主，夹薄层粉砂质泥岩层位，分选区性较好，属半坚硬类不易软化岩石，岩石普氏硬度f=6～7。底板以泥岩为主，发育较多的水平层理、小型交错层理，以具有节理、裂隙和滑面等结构面为特点。

2 工作面围岩破坏特征数值模拟

2.1 模型建立

模型尺寸为1 200 m(长)×20 m(宽)×570 m(高)，煤层顶部至地表500 m，模型水平四周及底部约束，上部为自由面。初始地应力平衡后模拟工作面回采，设置初始开挖为开切眼(40 m)、剩余每次开挖8 m，共开挖45步，分析回采进尺40～400 m工作面矿压显现。采用Mohr-Coulomb准则计算，各地层媒岩力学参数如表1所示。

表1 煤岩力学参数

2.2 应力扰动分析

工作面开挖后0～400 m垂直应力分布特征。工作面逐步开挖后，由图2可知，工作面受上覆岩层载荷的重力的作用下，原岩应力破坏，煤壁及煤壁顶板发生应力集中现象，应力扰动范围随着开挖步距的增加而扩大，且煤层顶板侧的应力释放范围逐渐加大。

图2 0～400 m应力扰动特征

开挖至120 m时，老顶开始释放。第5次开挖时顶板应力释放，释放步距约10 m，随着开挖步距的增加，底板应力释放能力及范围加大，在10～20 m，间距约为20 m，煤壁前10～18 m(开挖0～200 m)，扰动应力最大。随着开挖尺寸的增加，应力扰动范围加剧，煤壁前应力较为集中逐渐增大(大于0～200 m，约为15～22 m)，容易出现煤壁片帮等物理现象，最大扰动应力为煤壁前约20 m处。

根据应力合理的分布特征分析，开采的煤层扰动应力峰值趋于稳定，如图 3所示。随着开挖的推进，应力峰值趋近42 MPa，约为原岩应力的2.87倍。

分析表2可知,工作面继续推进，应力峰值及超前压力影响范围趋于稳定，超前支承应力峰值39.8～41.7 MPa，距工作面17～20 m；工作面回采影响距离最远可达到232 m，应力集中系数1.67～2.87。

2.3 塑性区破坏特征

开采后的岩层整体强度降低，采空区上覆岩层会出现张拉、剪切破坏形成塑性破坏区，随着开采的持续性，更多区域的煤岩破坏范围逐渐扩大。提取与应力相同的开挖的塑性区，分析覆岩“三带”划分特征及围岩塑性破坏现象。

图3 围岩应力分布特征

表2 工作面推进40～400 m时超前支承压力统计

开切眼扰动稳定后，直接顶和直接底出现塑性破坏。并随着开挖步距的加大，覆岩出现塑性破坏。围岩均以剪切、拉张的物种破坏形式共同产生，大部分岩层以Shear破坏为主。工作面推进至200 m处时，工作面顶部约105 m处岩层(泥岩)具有贯通趋势。同时工作面两端具有向上演化趋势。老顶与其上部细砂岩具有协同破坏的现象。开挖至280 m时(图4)所示，工作面末端覆岩与105 m处泥岩贯通；开挖至320 m时105 m处岩层贯通，覆岩破坏继续向上演化。随着开挖范围的增大，覆岩塑性破坏逐渐出现对称的破坏特性。360 m处，覆岩塑性破坏至190 m厚的中砂岩底部，表明190 m中砂岩具有强烈的稳定性。随着步距继续加大，覆岩塑性破坏高度为280 m，并向工作面两端演化。

由于顶板的随采随冒和底板塑性破坏，大大减少了采空区空间。如图 5所示，根据垮落岩层的发育情况(垮落岩层体积为原岩体积的1.2倍)和老顶垮落得协同作用的共同作用下，煤层垮落高度约为38 m。105 m处泥岩的裂隙贯通，表明覆岩裂隙带高度约为105 m，其上部为弯曲下沉带，约为175 m。

3 工作面围岩破坏理论分析

3.1 超前支承压力分布特征

3.1.1 塑性区内支承压力计算

根据弹塑性理论，在工作面前方极限平衡区内支承压力、塑性区内支承压力σy计算公式如式(1)所示：

图4 工作面推进0～200 m塑性区演化特征

图5 工作面推进240、280、320 m时塑性区变化特征

(1)

式(1)中：f为层间的摩擦系数0.21；φ为煤体内摩擦角26.1；X为塑性区内任一点到煤壁的距离；M为煤层厚度，6 m；τcotφ为煤体自撑力，1.07。

令σy=KγH，支承压力峰值点距煤壁的距离为X0，公式如式(2)所示：

(2)

式(2)中：K为应力集中系数8；H为煤层埋深，500 m；γ为上覆岩层容重，2 600 kN/m3。6.0 m煤层塑性区支承压力峰值点距煤壁距离约为47.75 m。

3.1.2 弹性区内支承压力计算

根据弹性区内支承压力分布表达式如式(3)所示：

(3)

式(3)中：β为非净水应力。设弹性区的范围为X1，当X=X0+X1时，σy=γH代入式(3)得到：

(4)

由式(4)可知，工作面前方弹性区内支承压力的范围X1由于采厚M的增厚而增大，则6.0 m的弹性区内支承压力范围约为185.7 m。

3.1.3 工作面动压影响范围计算

综合依据弹塑性力学计算所得，不同采高动压影响范围为X=X0+X1，则由式(2)、式(4)计算可得6.0 m的动压影响范围为233.45 m。

综合以上理论分析418工作面塑性区内支承压力峰值距工作面煤壁48.99 m，弹性区内支承压力范围为185.71 m，则418工作面动压影响范围为233.45 m，与数值模拟计算结果相差不大。

3.2 “三带”高度理论计算

随着工作面的推进，覆岩变形和破坏在不断地变化，图6所示为煤层开采后覆岩破坏情况。

A为煤层支撑影响区；B为岩层离层区；C为重新压实区；Ⅰ为垮落带；Ⅱ为裂缝带；Ⅲ为弯曲带

垮落带高度计算：假定垮落的顶板岩层厚度最大为充满采空区，由《矿井水文地质规程》中冒落带和裂隙带最大高度经验公式可知：

冒落带最大冒落高度Hc为

Hc=(4～8)M=24～48 m

(5)

裂隙带高度(包括冒落带最大高度)Hf为

(6)

式(7)中：M为开采厚度，m；n为开采煤层层数。

(7)

通过数值分析和理论计算可知，数值计算的冒落高度3 m在理论计算范围之内，冒采比为6.3；裂隙发育高度高于理论计算的9.3%，采裂比为17.5。

4 现场实测及分析

4.1 来压步距实测与分析

418工作面现场来压如图 7所示。

现场实测418工作面初次来压步距83.7 m；周期来压步距不等，最大为62.2 m，最小为8.1 m。初次来压和第一次周期来压步距较长，大部分垮落在12～18 m，14.4 m出现的周期来压次数较多，周期来压平均步距约为15 m。通过垮落步距和持续布局分析可知：垮落步距产生的持续步距不一，平均持续步距约为10 m。

受采动和顶板岩性的影响，粉砂岩在煤墙内部切断后，加剧细砂岩裂隙发育、破碎、冒落等矿压现象，增加了来压的持续步距。当来压步距较长时，对应的持续步距较小。持续步距最长为27.6 m，最短为3.6 m，平均值约为10.3 m。

图7 工作面来压步距情况

4.2 “三带”现场探查

在416工作面采空区上布置3个N203、N403、N303钻孔，利用钻孔冲洗液消耗量来对“三带”发育高度进行探查。

现象一钻孔深度达到397.54 m上钻后，孔内水位迅速下降，继而保持水位稳定的现象是由于392.94～397.54 m段钻进过程中揭露裂隙带顶界，孔内水通过导水裂隙带迅速漏失，漏失量大于补给量，原有的离层裂隙导水与含水层补给所形成的稳定状态被打破，所以出现孔内水位迅速下降的现象；而孔内水位下降到一定深度后，洛河组中上段含水层暴露于孔内水位以上，因为失去原有孔内水压的作用，含水层补给量增大，和漏失量重新达到平衡，所以出现孔内水位下降至111 m后，短时间内孔内水位基本保持稳定的现象。

现象二孔深471.88～476.48 m时，上钻后孔内300 m测不到水位是因为钻孔揭露冒落带顶界，冒落带钻孔孔壁冒落塌陷，成碎块状，不规则堆积，孔内水迅速漏失，孔内无水位。

通过钻孔孔内水位及冲洗液消耗量观测，判断钻孔裂隙带发育高度为孔深392.94～397.54 m，冒落带发育高度为471.88～476.48 m。探查钻孔孔口标高1 236.12 m，裂隙带发育高度标高为841.82 m；钻孔位置处所对应的井下煤层开采底板标高为720.00 m，煤层顶板标高为728.00 m，冒落带发育高度38.42 m，则裂隙带发育高度为112 m。

结合数值模拟、理论计算以及现场实测对比分析，三者结果基本一致。