伪倾斜煤层顶板垮落规律与支护受力特征研究

2023-02-10刘满意

陕西煤炭 2023年1期

刘满意

(辽宁工程技术大学土木工程学院，辽宁阜新 123000)

0 引言

中国急倾斜煤层储量丰富，约占全国总煤炭储量的15%～20%[1]。急倾斜煤层开采中常见伪倾斜开采方法，伪倾斜煤层工作面的支护设计更是煤层开采工艺中的难点，深入研究急倾斜煤层顶板垮落规律与工作面支护结构受力变形特征，对煤矿安全高效生产具有重要意义。

国内外众多学者对急倾斜煤层开采进行了研究，形成一定的理论和方法。在倾斜煤层顶板塌落规律研究方面，姚琦等[2]为研究急倾斜煤层顶板覆岩运动特征，将物理模型试验和数值计算相结合，探讨了顶板变形特征；张浩等[3]通过室内试验和理论分析研究了急倾斜煤层顶板破坏变形特点；张基伟[4]采用试验、模拟、理论分析等方法研究了急倾斜煤层的垮落规律；潘瑞凯等[5]根据急倾斜煤层几何特征，以弹性力学理论为基础，构建了伪倾斜顶板力学模型；HE S Q等[6]研究了急倾斜特厚煤层冲击地压发生的机理，提出了通过顶板泄压预防冲击地压的方法；程卫民等[7]通过室内物理模型实验分析了煤层开采时围岩破裂规律；王家臣等[8]利用UDEC数值软件分析了顶板破坏方式，并通过物理模型实验进行了验证；康天合等[9]通过物理模型实验研究了特厚煤层的变形垮落特点；韩光等[10]基于颗粒流的PFC3D对开采过程进行了模拟，分析了开采过程中顶板运动规律。

在开采工作面支护研究方面，石福泰等[11]以倾斜煤层为研究对象，提出了回采与支护协调开展的生产模式；张晓波等[12]对倾斜煤层顶板矿压分布规律展开研究，提出了工作面有效支护方案；陈志才等[13]研制了新型柔性掩护支架，提高了煤矿安全生产程度；陈建强等[14]研究了急倾斜煤层巷道破坏变形特征，根据巷道非对称变形特点提出了相应加固方案；秦仕伟等[15]通过理论分析计算了巷道挤压力与锚固范围之间的关系；朱川曲等[16]根据急倾斜煤层采煤特点，对比优化了放煤支护方案；曹树刚等[17]在现场监测了液压支护压力变化，探讨了自移式液压支架在复杂因素影响下的适用性；何兴巧等[18]通过分析急倾斜煤层巷道锚网支护受力及破坏特征，提出了控制围岩失稳的方法。综上所述，在急倾斜煤层顶板塌落规律研究方面，数值计算中力学模型及参数的选择仍需优化，计算结果的准确性有待提高；在工作面支护研究方面，多选用数学模型对支护结构进行设计，支护方案的现场实用性及安全性无从验证，需进一步开展相关数值计算研究对现场支护设计进行检验。

以红阳煤矿为背景，通过现场勘查及室内试验获取围岩力学参数，利用3DEC离散元软构建无支护状态下伪倾斜煤层数值模型，分析顶板垮落规律。通过分析数值计算结果，并结合工程实际情况制定柔性掩护支架(柔掩支架)支护方案，利用3DEC软件对支护结构受力及变形特征进行分析，模拟验证支护方案的现场实用性，为急倾斜煤层工作面支护设计及优化提供参考。

1 工程围岩力学特性

1.1 工程概况

红阳煤矿位于松辽平原南部，下辽河平原东侧，主要以第四纪地层为主。含煤地层主要为山西组与太原组相互交合沉积，其中7号煤层沉积稳定，可采度适中，12号煤层为主要可采煤层，本文以12号煤层为例开展倾斜煤层顶板垮落及工作面支护研究。

该煤层为急倾斜煤层，煤层倾角50°，煤层平均厚度3 m，煤层走向长度460 m，倾斜长度103 m，面积为47 380 m2。顶板为厚层状海相泥岩，其厚度为7～15 m，性脆，节理发育，岩体质量等级较差。东四区煤岩柱状分层如图1所示。

图1 煤矿煤岩分层柱状Fig.1 Stratified columnar of coal and rock in coal mine

由于该煤层倾角大，回采难度大，为减小煤层倾角，提高生产效率，煤矿采用伪倾斜柔掩支架采煤法对煤层进行开采。伪倾斜角为28°，落煤方式为工作面爆破落煤为主，柔掩面开采厚度为3.0 m，工作面平均循环进度1.0 m，顶板管理采用全部自然垮落法。煤层回采方式如图2所示。

图2 伪倾斜煤层回采示意Fig.2 Mining diagram of pseudo inclined coal seam

1.2 煤岩力学性能研究

煤层及顶底板力学参数是巷道支护及安全开采的基础，同时也是确定数值分析参数的数据依据。通过现场勘探取样获得12号煤层顶底板泥岩、砂岩岩样及煤样，其中泥岩及砂岩岩样如图3(a)所示，泥岩岩性破碎、节理裂隙发育、遇水易崩解，砂岩岩性完整、坚硬、质地均匀。将岩样加工打磨成直径50 mm，高度100 mm的标准试件，利用TAW 2000微机控制电液伺服压力机开展岩石力学性能测试试验，试验加载系统及岩样破坏特征如图3(b)所示。

图3 岩石力学参数测定试验Fig.3 Rock mechanics parameter determination test

通过室内实验获得的一组顶板泥岩试样全应力-应变曲线，如图4所示，其中e1为轴向应变；e3为径向应变。通过室内试验及文献[19-20]所提供的方法获得煤岩层基本力学参数，见表1。

2 伪倾斜煤层顶板塌落规律研究

利用3DEC软件构建急倾斜煤层离散元数值模型，基于室内煤岩力学参数及应变软化模型对数值模型赋予计算参数，分析煤岩层接触面分离断裂过程，获取伪倾斜煤层顶板塌落规律。

2.1 倾斜煤层3DEC离散元数值模型

以红阳东四采区地煤岩特性及分布特征为基础构建3DEC数值模型，模型边界条件及尺寸如图5所示。为提高模型计算准确率，对煤层及其顶板单元进行密集化处理[21]。

表1 煤岩力学参数

在伪倾斜煤层顶板塌落规律数值计算中，完整岩块物理力学性质通过室内试验测定，而在实际工程中岩体多分布节理裂隙，岩体强度通常小于试验测定强度，数值模型中岩石力学参数应为实际岩体参数，模型中单元之间接触面强度与裂隙分布情况相关，为使得计算模型更符合现场实际，模型煤层和顶板接触面强度分别为试验值的1/10和1/5，离散元模型单元接触面力学参数见表2。

采用摩尔 -库伦应变软化本构模型，当岩层达到临界强度时并不会立即破坏，而是逐步衰减至残余强度，更符合现场煤岩破坏特性。计算过程对煤层进行模拟开采，开采总长度为55 m，回采推进循环进尺为5 m，随机挑选多个顶板单元监测其变形。

图5 数值计算模型Fig.5 Numerical calculation model

表2 离散元模型单元接触面力学参数

2.2 数值计算结果

计算完成后提取顶板变形数据，绘制回采进尺与顶板变形的关系曲线，如图6所示。煤层顶板随着工作面的推进变形逐步增大，并且垮落及时，当工作面回采至10 m时，顶板最大位移量为0.5 m；当工作面回采至47 m时，顶板出现初次塌落，顶板塌落深度为4.8 m，纵向垮落范围为13 m，位移曲线发生突变；当工作面回采至34 m时，顶板发生第1次周期垮落，垮落高度为9.6 m，垮落范围为22 m；当工作面回采至47 m时，煤层顶板出现第2次周期塌落，垮落深度为14.2 m，纵向塌落范围为35 m。通过数值计算结果可知，12号煤层泥岩顶板来压及时，顶板具有随采随垮的特征。

3 伪倾斜柔性掩护支架采煤法

通过分析数值计算得到的泥岩顶板塌落规律可知，12号煤层泥岩顶板垮落及时，垮落顶板较破碎，结合红阳煤矿现场工况，设计柔性掩护支架支护方案，并利用3DEC离散元软件对支护方案进行验算，分析支护结构受力特征及现场实用性。

图6 数值计算煤层顶板垮落规律Fig.6 Numerical calculation of roof caving law of coal seam

3.1 柔掩支架受力分析

掩护支架工作时主要受到垮落矸石重力的分力，所以进行支架受力分析时以矸石作为研究对象，根据几何关系计算矸石受力特征，矸石受力分析如图7所示。其中AC为真倾斜工作面，CE为伪倾斜工作面，AE为上通风巷，CD为下水平巷。

图7 矸石单元受力分析几何示意Fig.7 Geometric diagram of stress analysis of gangue unit

由图7(a)可知，伪倾斜工作面与下水平巷道夹角为

(9)

式中，α为真倾角，此处取α=50°；β为伪倾斜角，此处取β=28°。

由于支架主要受力来自垮落矸石的重力，所以柔掩支架上的受力并不是均匀分布，其中顶板和底板受力较小，钢梁中部受力较大。矸石重力和岩柱高度H、煤层倾角及煤层厚度M有关。煤层厚度取3.0 m，H为

H=M(2.77-2.36cosα)=3.75 m

(10)

矸石单元在JD上的受力特征如图7(b)所示，G为煤矸石单元的自身重力，Fz为垂直于斜面ACE的支撑力，Ft为工作面AE的推力，支架在ACE面沿着AE方向额度摩擦力Fm。其中

F=G′=Gsinα=γHBMsinα=37.66 kN

(11)

式中，G′为重力沿JD向下的分力，kN；g为矸石容重，此处取23 kN/m3；B为支架轴心距，m。

Ft=G′cosε=29.8 kN

(12)

根据力的平衡和相互作用原理，矸石单元对支架的压力Fy=Ft，方向相反。

3.2 柔掩支架选型

根据红阳煤矿东四采区地质条件及支架受力分析，初步设计工作面采用长3.0 m的“八”字型柔掩支架进行支护，选用的钢材为12号Q345工字钢。每组支架由5根工字钢组成，每组工字钢之间通过钢丝绳、小夹板和螺丝等构件固定。每组支架之间采用软梁连接，支护密度为5.5根/m。“八”字型柔掩支架结构示意图如图8所示。

图8 “八”字型柔掩支架结构示意Fig.8 Schematic diagram of “eight” shaped flexible shield support structure

3.3 伪倾斜柔性掩护支架采煤法数值计算

采用图5所示数值模型模拟12号煤层在柔掩支架支护条件下的煤层开采，构建有液压支柱和无液压支柱2种支架模型进行对比，分析顶板塌落规律及柔掩支架的受力特征。

3.3.1 柔掩支架支护作用下顶板塌落规律

数值计算时模拟现场回采，由上向下逐步推进，回采进尺设定为5 m，共回采12步，同时根据12号Q345工字钢参数构建柔掩支架模型对工作面进行支护。柔掩支架支护条件下的工作面顶板塌落规律如图9所示。

图9 柔掩支架采煤法模拟开采Fig.9 Simulated mining by flexible shield support mining method

通过图9可以看出，在煤层回采过程中柔性掩护支架的性能主要体现在3方面：①柔性掩护支架能够有效阻挡垮落矸石滚落至工作面，保证了工作面的安全生产，并且矸石能够为柔性掩护支架提供足够的推动力，使支架随工作面向下移动。②柔性掩护支架能够减小顶板的垮落范围，通过计算结果可以看出，由于柔性掩护支架的存在，使垮落矸石堆积在工作面后方，煤矸石的堆积为上方顶板提供了支撑，限制了顶板中部的进一步变形。③柔掩支架能够为工作面分担部分压力，顶板来压时工作面上方围岩将压力传至工作面，工作面将积蓄能量，为工作面带来安全隐患，柔掩支架能够为工作面缓解部分压力，提高工作面的稳定性。

3.3.2 柔掩支架变形及受力分析

为进一步分析柔掩支架支护过程中的稳定性，对开采模拟过程中柔掩支架变形及受力进行分析，最大应力变化曲线如图10所示，计算过程中柔掩支架变形云图如图11所示。

通过计算发现，2种支架变形趋势基本相同，即在垮落矸石推力的作用下，支架下部的变形量最大，并且与采煤方向一致，说明柔掩支架的底部有向下滑移的趋势。但2种支架的受力状态差别较大，在没有单体液压支柱的条件下，通过图10可知，最大应力达到731.5 MPa，已经超出钢材的极限承载能力，不利于工作面安全稳定。当柔掩支架配有液压支柱时，支架受力状态良好，液压支柱在周期来压作用下表现出较好的稳定性。因此，有液压支柱的柔掩支架更能保障工作面人员设备安全，更适合现场应用。

图10 柔掩支架应力变化曲线Fig.10 Stress change curve of flexible shield support

图11 柔掩支架变形云图Fig.11 Deformation cloud picture of flexible shield support

3.4 柔掩支架采煤法现场应用分析

该方案应用于东四采区1203工作面，并利用矿压监测系统对柔掩支架进行监测。通过现场观测发现，试采期间液压支柱平均初撑强度118 MPa，与数值计算结果接近，工字钢支架最大均布荷载为98 kN/m，未出现屈服变形，支护系统整体工作状态良好。工作面在试采期间状态稳定，未出现片帮、冒顶、切顶和顶板台阶下沉等现象，顶板周期来压步距为10～15 m，塌落后的顶板矸石能够充分填补采空区，减小瓦斯对煤矿生产的影响，保证了工作面的安全生产。通过与数值计算对比可以发现，3DEC离散元计算结果和现场观测结果基本一致，证明3DEC数值计算方法能够有效检验伪倾斜煤层开采支护方案的合理性。