采动影响下急倾斜底板破坏防治

2021-06-03郭恒

能源与环保 2021年5期

郭恒

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037； 2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037)

目前，我国急倾斜煤层约占煤炭总储量的20%左右，随着经济发展对能源的需求，伴随着煤炭开采的时间推移和开采强度的不断扩大，复杂条件下急倾斜煤层的开采已经是对煤炭产量贡献不可或缺的部分。但是复杂条件下的急倾斜煤层开采一直是行业领域的技术难题，主要受到煤层倾角和赋存条件的因素影响，由于这种特殊开采条件会引起不均衡围岩应力的二次分布，因此随着工作面的推进，采动影响下应力向顶板底板深部传递，这种应力分布是工作面底板出现不同程度破坏的主要原因[1-3]。工作面底板不同位置出现各种不规则破坏，直接影响采场支护稳定和工作面正常推进，严重影响煤炭产量和安全开采。

在工作面支护体系中，很多学者对底板破坏以及支护进行了大量的研究。张勇等[4]结合弹性力学研究了急倾斜煤层底板力学破坏临界条件，采用数值模拟得出了底板卸压破坏的主要原因；也有学者对底板破坏深度进行分析，许延春等[5]给出了工作面底板破坏深度经验公式。但是这些仅仅研究了底板受到工作面载荷引起应力破坏[6-10]，却忽略了在倾斜方向上急倾斜工作面因受到底板“非均衡”应力导致存在不同的底板破坏情况。

本文结合相关力学理论建立走向方向受力特点的底板塑性破坏受力模型，综合研究了急倾斜工作面底板在中下部、中部和中上部的不同受力情况，进一步对急倾斜工作面底板进行精准支护，有效控制底板底鼓以及破坏滑移。此项研究对工作面底板管理具有一定意义，该技术具有一定的创新性，最终能确保急倾斜工作面生产安全高效。

1 急倾斜工作面底板塑性破坏受力模型

1.1 底板受力力学模型

根据矿山压力与岩石力学的相关知识，建立如图1所示走向和倾向急倾斜工作面底板受力力学模型[11-15]。由图1中所示区域可知：原岩应力分布区为①、④、⑤、⑨区域，高应力分布区为②、⑥、⑧区域，低应力分布区为③、⑦区域。

图1 急倾斜工作面底板受力力学模型Fig.1 Mechanical model of floor in steeply inclined working face

由于急倾斜工作面倾角过大等因素，使得采动影响下围岩存在“非均衡”力学特征[16-18]。通过对大量的资料分析可知，急倾斜工作面中下部、中部和中上部受力有明显不同，导致工作面走向方向3个位置应力集中系数不同，最终底板破坏深度亦不同[19]。

1.2 底板塑性破坏受力模型

急倾斜工作面走向底板塑性破坏受力模型如图2所示。根据图2所示，应力集中系数k1、k2与k3分别表示工作面中下部、中部与中上部。由于急倾斜煤层倾角过大的特殊因素，使得工作面围岩形成非均衡性受力，最终形成应力集中系数的差异性。因此，需要对工作面中下部、中部与中上部不同位置破坏深度分别进行分析。

图2 工作面走向底板塑性破坏受力模型Fig.2 Stress model of plastic failure of working face strike floor

(1)工作面中下部应力系数为k1的情况。根据图2可知，在△OAB中：

(1)

式中，φ0为底板岩体权重平均内摩擦角，取37°；xa为工作面前方煤壁屈服宽度。

在△OCE中，h1=rsin φ，φ=∠COE，而：

r=r0eθtan φ0

(2)

式(2)为对数螺线方程，θ为r与r0之间的夹角。

(3)

将式(1)—式(3)代入h1=rsin φ中，得：

(4)

(5)

工作面前方煤壁屈服宽度xa采用公式[20-21](6)，该公式为达到极限平衡条件时，满足摩尔—库仑破坏准则推导而获得。

(6)

式中，M为开采煤层厚度；φm为煤层内摩擦角，取28°；Cm为煤层黏聚力，取1.05 MPa；γ为岩层平均容重，取25.48 kN/m3；Km=2.77。

将xa代入式(5)，即可求得工作面底板岩体的最大破坏深度。

(2)工作面中部应力集中系数为的最大破坏深度公式：

(7)

(3)工作面中上部应力系数为的最大破坏深度公式：

(8)

2 分析底板破坏深度

利用底板岩体最大破坏深度的经验公式进行工作面底板破坏深度计算。该公式结合Saint Venant原理进行等效力系替代，最后由摩尔—库仑准则导出工作面底板最大破坏深度[22-24]计算公式：

(9)

式中，n为最大应力集中系数；k=(1+sinφ)/(1-sinφ)，φ为岩体内摩擦角；H为开采深度；Rc为岩体单向抗压强度；γ为岩体容重。

某矿工作面最大开采深度H=495 m；底板岩体单向抗压强度Rc=2.9 MPa；内摩擦角φ=28°；岩体容重γ=25.48 kN/m3。根据以上分析急倾斜工作面中下部、中部以及中上部应力集中系数不同，因此，应力集中系数k1、k2、k3分别取1.6、2.0、2.4。

由公式计算得出3处位置对应的底板破坏深度：h中下=10.0 m；h中部=11.7 m；h中上=13.6 m。

而根据式(5)、式(7)、式(8)计算出的3处位置对应的底板破坏深度分别为：h1=6.4 m；h2=7.3 m；h3=7.8 m。

根据2处求得的工作面中下部、中部以及中上部的底板破坏深度，取其平均值分别为10.7、9.5、8.2 m。

3 数值模拟

3.1 模型的建立

为了研究采动影响下急倾斜工作面“非均衡”的围岩应力分布对底板破坏深度的影响情况，使用FLAC3D模拟软件进行数值模拟。数值模拟过程中以工作面底板为研究对象，主要研究工作面底板岩体产生塑性破坏分布。

3.2 无支护状态下底板塑性破坏分析

工作面底板支护前后塑性区分布如图3所示。

图3 工作面底板支护前后塑性区分布Fig.3 Floor supporting before and afterdistribution of plastic zone

由图3可知，急倾斜工作面底板破坏主要是剪切破坏为主，其塑性破坏区域分布，中上部塑性破坏较严重，且底板破坏深度较大；中部塑性破坏程度与底板破坏深度居中；中下部塑性破坏程度与底板破坏深度最小。由于工作面煤炭采出后，急倾斜煤层倾角大等特殊地质因素，使得底板受到围岩应力传递的“非均衡”力学作用，工作面底板倾斜方向上存在塑性区域总体上部略大于下部的不对称性，说明底板上部、中部塑性破坏较严重。

3.3 支护状态下底板塑性区域分析

(1)底板支护方式。根据摩尔—库仑破坏准则τ=c+σntanφ(c为岩体黏聚力)可知，其他影响因素一定的情况下，岩体黏聚力c越高岩体越难以破坏，因此防治底板破坏对安全生产带来的影响，采用打孔注浆方式增加底板岩体黏聚力，控制底板破坏，提高底板岩体强度。

在某矿煤壁与刮板输送机之间进行注浆钻孔的施工，施工时垂直于底板。根据理论计算得出工作面中上部、中部、中下部对应底板破坏最大深度为h中上=10.7 m，h中部=9.5 m，h中下=8.2 m，由数值模拟分析可知对应3个位置底板破坏深度分别为11.5、10.2、7.3 m，与计算得出底板破坏深度存在一定误差(表1)，误差最大为0.9 m，在合理范围之内。结合工作面实际情况，分别在工作面中上部底板深度10.7 m处、工作面中部9.5 m处和工作面中下部8.2 m处进行底板注浆加固支护措施。

表1 急倾斜工作面底板破坏深度误差分析Tab.1 Steeply inclined working face floor damage depth error analysis m

(2)注浆支护后塑性区域分析。分别对工作面在中上部、中部和中下部进行指定区域注浆加固措施后，进行数值模拟计算。如图3(b)所示，工作面底板主要破坏以剪应力为主，但是塑性破坏区域明显减小，说明通过对底板采用注浆支护使得岩体黏聚力与强度增加，该底板支护方式能够有效控制底板塑性破坏。

4 现场试验

某矿采煤工作面处于正常推进状态，煤层倾角平均为50°，工作面长度为180 m。工作面底板来压期间，分别在工作面中上部底板深度10.7 m处、工作面中部9.5 m处和工作面中下部8.2 m处进行底板注浆加固的支护措施。通过这种方式的支护加固，工作面底鼓量发生显著的变化。

工作面中上部、中部和中下部底板支护前后底鼓量如图4所示。

图4 工作面底板支护前后底鼓量Fig.4 Floor heave before and after floor support in working face

本文把工作面中上部、中部和中下部分别分为50 m距离进行数据分析。由于工作面底板受到采动影响，通过对现场底鼓情况进行计量可知，工作面中上部支护前的最大底鼓量为410.5 mm，支护后的最大底鼓量为89 mm，底鼓量减少了78.32%；工作面中部支护前的最大底鼓量为223 mm，支护后的最大底鼓量为56 mm，底鼓量减少了74.89%；工作面中下部支护前的最大底鼓量为130 mm，支护后的最大底鼓量为35 mm，底鼓量减少了73.08%。

综上可知，在工作面倾斜方向上的中上部、中部和中下部位置，按照计算和数值分析得出对应的底板破坏深度，并进行注浆支护加固措施，可以有效控制底板破坏量。