楊 科，池小樓，劉欽節(jié)，劉文杰，劉 帥

(1.安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001; 2.安徽理工大學(xué) 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001; 3.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

在我國，大傾角(35°～55°)賦存條件煤炭資源儲(chǔ)量較多，分布范圍較廣[1]。近年來，隨易采煤炭資源趨于枯竭，愈多礦井開采賦存條件復(fù)雜的大傾角煤層。對(duì)于大傾角煤層，眾多學(xué)者對(duì)采場(chǎng)圍巖運(yùn)移[2-4]、采場(chǎng)空間支承壓力演化[5-7]、煤壁片幫[8-10]以及支架穩(wěn)定性[11-15]方面做了系統(tǒng)研究，揭示了大傾角采場(chǎng)圍巖非對(duì)稱空間梯階狀垮落特征，獲得了巖層破壞滑移易形成傾向與反傾向堆砌結(jié)構(gòu)。由于大傾角煤層采場(chǎng)空間支承壓力受矸石的非均勻充填和上覆巖層自重在傾向的分解影響，表現(xiàn)出 “勺型”的應(yīng)力拱形態(tài)。受煤層傾角影響，煤壁片幫具有區(qū)域多發(fā)性及交替演變性，具體表現(xiàn)為工作面傾向中部為煤壁片幫高發(fā)區(qū)，其與采場(chǎng)圍巖的非對(duì)稱受載相一致。而在礦壓控制中大傾角煤層采場(chǎng)液壓支架的防倒防滑是其主要技術(shù)難題，通過建立架間失穩(wěn)力學(xué)模型，揭示支架的力學(xué)失穩(wěn)機(jī)理，結(jié)合覆巖非對(duì)稱垮落及空間支承壓力分布制定了系列支架防倒防滑措施。

上述研究成果對(duì)大傾角煤層采場(chǎng)圍巖特征及支架穩(wěn)定性具有一定的理論指導(dǎo)作用，但受地質(zhì)構(gòu)造和煤層賦存條件影響，大傾角煤層頂板特性存在較大差異，其中軟弱破碎的再生頂板就是大傾角煤層開采圍巖控制的技術(shù)難題之一。已有再生頂板的研究主要集中在巷道圍巖大變形力學(xué)模型及支護(hù)系統(tǒng)改造[16-17]和大傾角煤層軟弱頂板巷道大變形關(guān)鍵部位確定及影響因素上[18]，對(duì)于再生頂板下采場(chǎng)圍巖破壞特征，尤其是大傾角煤層采場(chǎng)圍巖冒落滑移特征研究較少。

相似物理模擬試驗(yàn)中，有關(guān)學(xué)者成功運(yùn)用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)到斷層滑移失穩(wěn)時(shí)的事件數(shù)及其能量率，得到了斷層滑移失穩(wěn)的前兆信息，揭示了斷層活化前后采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)特征及其動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律;同時(shí)在急傾斜煤巖體的動(dòng)力失穩(wěn)時(shí)空演化特征方面，聲發(fā)射無損檢測(cè)技術(shù)也得到了較好的發(fā)揮[19-22]。綜上所述，筆者聚焦鮮有報(bào)道的再生頂板下大傾角煤層開采，運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、相似模擬聲發(fā)射監(jiān)測(cè)和理論分析手段，基于現(xiàn)場(chǎng)鉆孔窺視技術(shù)，探索了再生頂板下大傾角煤層采場(chǎng)圍巖破壞特征及支架失穩(wěn)模式。

1 工作面概況和開采條件

1212(3)工作面為潘北煤礦13號(hào)煤層首個(gè)回采工作面，工作面標(biāo)高為-375～-495 m，煤層平均傾角40°，平均厚度4.4 m，煤層賦存穩(wěn)定，煤的硬度系數(shù)f值為0.3～0.5;直接頂多為泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚度2.5～6.8 m，平均4.7 m，硬度系數(shù)f值為3;基本底為泥巖，平均厚度3.0 m，屬于大傾角 “三軟”煤層。13號(hào)煤層分上、下兩層開采，上分層工作面傾斜長度120 m，采高2 m，已于2015年回采完畢。底分層工作面布置在上分層采空區(qū)的傾斜下部區(qū)域，具體為:底分層運(yùn)輸巷距上分層運(yùn)輸巷5 m，回風(fēng)巷距上分層回風(fēng)巷25 m。底分層回采巷道正常掘進(jìn)，采用“錨網(wǎng)索+深淺孔注漿”多層次組合控制方案及時(shí)支護(hù)外露再生頂板。底分層工作面傾斜長度90 m，采高2.4 m，兩煤層回采時(shí)間間隔為2 a。工作面布置如圖1所示。煤層采用走向長壁傾斜分層綜合機(jī)械化開采方法進(jìn)行回采，全部垮落法管理頂板。底分層工作面回采期間煤層頂板破碎，架間和架前漏冒頂嚴(yán)重，支架出現(xiàn)傾倒、下滑失穩(wěn)現(xiàn)象，嚴(yán)重制約了安全開采。

圖1 工作面布置

2 底分層頂板實(shí)測(cè)

2.1 鉆孔布置

為摸清再生頂板未受底分層回采采動(dòng)應(yīng)力影響下的膠結(jié)壓實(shí)狀況，在1212(3)底分層工作面開切眼處的頂板中布置3個(gè)角度為0°(豎直往上)、編號(hào)為1～3號(hào)、孔深8 m和直徑32 mm的鉆孔。底分層工作面開切眼開挖后支架即安裝到位，因此鉆孔均布置在兩支架頂梁的較大間隙中。受傾角影響，上分層開采后頂板的垮落呈非對(duì)稱特征(上部垮落程度高于下部)，繼而導(dǎo)致底分層工作面頂板結(jié)構(gòu)也具有分區(qū)特點(diǎn)，為再現(xiàn)底分層工作面頂板的實(shí)際賦存狀態(tài)，定義工作面傾向自回風(fēng)巷實(shí)體煤側(cè)起0～30 m為工作面上部，30～60 m為工作面中部，60～90 m為工作面下部。鉆孔1號(hào)布置在距回風(fēng)巷實(shí)體煤側(cè)15 m處，鉆孔2號(hào)布置在距回風(fēng)巷實(shí)體煤側(cè)45 m處，鉆孔3號(hào)布置在距回風(fēng)巷實(shí)體煤側(cè)75 m處。使用TYGD10礦用本安型鉆孔窺視儀對(duì)孔壁變形實(shí)探，獲得孔壁圍巖變形形態(tài)。鉆孔具體位置及孔壁形態(tài)如圖2所示。

圖2 孔壁不同高度形態(tài)

2.2 鉆孔孔壁形態(tài)描述

3個(gè)鉆孔孔壁受上分層采動(dòng)和煤層傾角的影響，出現(xiàn)了不同程度的破碎，具體表現(xiàn)為:1號(hào)鉆孔在0.1～2.0 m孔壁圍巖破碎程度隨孔的高度增大而減小，2.5～4.5 m孔壁圍巖破碎程度減小，圍巖完整性變大，4.5 m處孔壁上下破碎程度出現(xiàn)分層，下部較為破碎，上部孔壁完整;2號(hào)鉆孔在0.1～0.3 m孔壁圍巖壓實(shí)程度較鉆孔1號(hào)密實(shí)，0.9～2.1 m孔壁圍巖破碎程度隨孔的高度增大而減小，2.7～4.7 m孔壁圍巖完整度增大，相較于鉆孔1號(hào)此高度段孔壁圍巖較為破碎;3號(hào)鉆孔在0.1～2.0 m孔壁圍巖壓實(shí)程度較1號(hào)鉆孔和2號(hào)鉆孔密實(shí)，2.0～2.6 m孔壁圍巖完整性較小，孔壁圍巖較為破碎，2.6 m后完整性呈增大趨勢(shì)。綜上可知，底分層再生頂板壓實(shí)程度為底分層下部>底分層中部>底分層上部，呈非對(duì)稱壓實(shí)特征。在再生頂板垂直方向，底分層上部0.5 m、中部1.0 m、下部2.0 m 范圍內(nèi)的壓實(shí)膠結(jié)程度較好;底分層上部2.0～2.5 m 、中部2.1～2.5 m、下部2.3～2.7 m內(nèi)巖塊尺寸相對(duì)較大，壓實(shí)及膠結(jié)程度一般。1號(hào)鉆孔在3.5～4.5 m、3號(hào)鉆孔在3.4～4.6 m孔壁圍巖較為完整，個(gè)別位置裂隙發(fā)育。

3 采場(chǎng)圍巖破壞冒落相似模擬

3.1 方案設(shè)計(jì)

采用相似材料模擬試驗(yàn)研究底分層工作面頂板圍巖冒落滑移過程，試驗(yàn)選用的相似模擬裝置尺寸為長×寬×高=2.0 m×0.2 m×2.0 m。試驗(yàn)以細(xì)河沙為骨料，石膏、石灰為膠結(jié)物，水為黏結(jié)劑。為確定相似材料配比，首先建立相似模擬材料的初始配比，對(duì)模擬材料進(jìn)行加權(quán)混合，利用這些材料制備柱狀標(biāo)準(zhǔn)試樣，并對(duì)這些試樣進(jìn)行力學(xué)測(cè)試，通過篩選和比較，最終確定相似材料的配比。工作面頂?shù)装宀煌瑤r性物理力學(xué)參數(shù)如圖3所示，相似材料配比見表1。云母模擬原生分層，采用人工開挖模擬工作面煤層回采，不同頂?shù)装甯叨韧磕ú煌伾右詤^(qū)分。物理模型中預(yù)先埋設(shè)9個(gè)聲發(fā)射探頭，用以監(jiān)測(cè)頂板斷裂過程中所釋放彈性波。具體為:正面6個(gè)聲發(fā)射探頭，位置在距上分層兩側(cè)巷道上方10 cm和20 cm處，背面3個(gè)聲發(fā)射探頭作為輔助監(jiān)測(cè)。為校對(duì)聲發(fā)射門檻值設(shè)定，在開挖上分層時(shí)設(shè)置系列梯度的聲發(fā)射門檻值，最終確定90 dB時(shí)可監(jiān)測(cè)到強(qiáng)烈的相似材料斷裂聲發(fā)射信號(hào)。因此，90 dB作為開挖動(dòng)作的上限聲發(fā)射信號(hào)接收門檻值，以便于后期數(shù)據(jù)篩選。鋪設(shè)的相似材料模型、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)探頭布置位置及模型設(shè)計(jì)滿足的相似條件如圖4所示(各相似常數(shù)式中下標(biāo)參數(shù)p表示原型，下標(biāo)參數(shù)m表示模型)。

圖3 巖層柱狀及物理力學(xué)參數(shù)

表1 不同巖性配比

大傾角工作面現(xiàn)場(chǎng)割煤機(jī)割煤順序?yàn)樽陨隙?，液壓支架移架順序?yàn)樽韵露希ぷ髅嫔细岔敯蹇迓浠瓢l(fā)生在移架階段，為真實(shí)再現(xiàn)大傾角工作面頂板垮落特征，相似模擬試驗(yàn)的挖煤順序?yàn)樽韵露稀Ｏ嗨颇M試驗(yàn)中開挖步距為10 cm，共開挖9次。每次開挖時(shí)間約1 min。聲發(fā)射監(jiān)測(cè)時(shí)間自底分層開挖至覆巖穩(wěn)定。

3.2 頂板圍巖破壞特征

上分層開挖后，根據(jù)時(shí)間相似比，待上覆巖層穩(wěn)定后繼續(xù)開挖底分層，如圖5所示。底分層煤層自下而上回采過程中，上分層回采后經(jīng)壓實(shí)的再生頂板下部隨即冒落，在傾角影響下，矸石向下滑移充填采空區(qū)。受矸石滑移影響，工作面上部區(qū)域存在自由空間高度，再生頂板在上覆巖層重力、采動(dòng)應(yīng)力和采場(chǎng)四周支承壓力疊加作用下繼續(xù)垮落滑移，上行開挖至上端頭后，煤柱上方的再生頂板在無任何支護(hù)下出現(xiàn)滑移破壞，煤柱傾斜下部出現(xiàn)片幫，再生頂板的上位巖層中裂紋發(fā)育。煤層采出后，對(duì)于底分層工作面下部而言，再生頂板垮落滑移，上分層形成的低位懸臂梁斷裂，揭露上位巖層，其下方存在自由空間高度，懸臂梁繼續(xù)斷裂，揭露更高層位巖層，在上覆巖層載荷作用下，只要高層位巖層下方存在自由空間高度，巖層就會(huì)斷裂，形成新的懸臂梁結(jié)構(gòu)。

圖4 物理模型

圖5 底分層再生頂板破壞損傷特征

根據(jù)再生頂板冒落滑移特征，結(jié)合聲發(fā)射能量和累計(jì)振鈴演化規(guī)律可知，煤層自下而上開挖過程中，采場(chǎng)圍巖破壞失穩(wěn)經(jīng)歷了6個(gè)階段，具體為:底分層工作面自下而上回采過程中，采場(chǎng)下部再生頂板低位懸臂梁(紅色部分)斷裂，聲發(fā)射表現(xiàn)為第1能量集中信號(hào)束，信號(hào)強(qiáng)度較小。隨上行開挖矸石下滑充填，上分層開挖后高位直接頂斷裂后形成的高位懸臂梁(綠色部分)斷裂，形成第2能量束，信號(hào)強(qiáng)度最高。第2階段斷裂矸石下滑，形成第3聲發(fā)射能量束。此時(shí)采場(chǎng)上方供巖層移動(dòng)的自由空間增大，引起上分層開挖后裂隙發(fā)育的基本頂沿較大裂紋破斷垮落，形成新的懸臂梁(藍(lán)色部分)結(jié)構(gòu)，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)到第4能量束，但強(qiáng)度弱于第2階段巖層斷裂能量束。破斷垮落矸石繼續(xù)下滑，由于工作面下部充填已較為密實(shí)，在傾向上充填高度接近中下部，因此監(jiān)測(cè)到矸石下滑第5能量束較第3下滑充填能量束弱。當(dāng)上行開挖至采場(chǎng)上部，在采動(dòng)應(yīng)力及上覆巖層載荷作用下，煤柱上方再生頂板在無任何支護(hù)下繼續(xù)剪切回轉(zhuǎn)破壞，聲發(fā)射出現(xiàn)第6能量束，強(qiáng)度僅次于第2能量束。

綜合分析可知，采場(chǎng)下部懸臂梁斷裂與形成過程的能量束最高，各階段的累計(jì)振鈴出現(xiàn)漸進(jìn)爬升趨勢(shì)，第2階段的漸進(jìn)升高幅度最大，巖體損傷程度亦最高。懸臂梁載荷全部施加在支架之上，致使采場(chǎng)下部支架載荷升高，但較上分層開采后形成的懸臂梁結(jié)構(gòu)相比，底分層開采形成的懸臂梁結(jié)構(gòu)小得多，對(duì)支架施加的載荷降低。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在2次采動(dòng)影響下，底分層頂板破碎程度加劇，上分層開挖后高位直接頂斷裂后形成的高位懸臂梁(綠色部分)斷裂，是引起工作面下部頂板破碎的主因;煤柱上方再生頂板在無任何支護(hù)下繼續(xù)滑移破壞，是引起工作面上部頂板破碎的主因。工作面上部區(qū)域存在自由空間，會(huì)導(dǎo)致工作面上部支架接頂不實(shí)，易引起支架失穩(wěn)。

4 支架-圍巖關(guān)系分析

底分層傾角為40°，頂板破碎，煤層回采過程中支架歪斜嚴(yán)重，架間距增大。結(jié)合鉆孔孔壁形態(tài)可知，底分層上部0.5 m、中部1.0 m、下部2.0 m范圍內(nèi)巖層隨采隨冒，塊度小，易在架間冒落，為上部較大塊度矸石冒漏提供了自由空間。因矸石有自由運(yùn)動(dòng)空間，底分層上部2.0～2.5 m 、中部2.1～2.5 m、下部2.3～2.7 m范圍內(nèi)較大塊度矸石繼續(xù)在架間和架前冒漏，引起更高層位破碎巖層斷裂冒落。實(shí)探表明，底分層再生頂板3 m范圍內(nèi)為架間冒漏矸石主要來源巖層(相似模擬試驗(yàn)中紅色部分及綠色下部)，5 m以上為冒落、滑移大塊度矸石的主要來源巖層，支架易受頂板冒落的大塊度矸石推移而失穩(wěn)。

綜合相似模擬可知，底分層回采過程中懸臂梁的斷裂與形成均對(duì)支架造成沖擊，斷裂后的巖層破斷成更大塊度矸石沿工作面傾向迅速下滑，支架上方頂板運(yùn)動(dòng)空間增大，引起底分層上部區(qū)域煤柱上方的再生頂板滑移，底分層上部出現(xiàn)空頂，支架空載。為佐證大傾角煤層底分層回采再生頂板的垮落、滑移特征，實(shí)測(cè)了底分層15號(hào)支架(采場(chǎng)下部),34號(hào)支架(采場(chǎng)中部)和51號(hào)支架(采場(chǎng)上部)回采期間工作阻力，如圖6所示。采場(chǎng)中下部支架工阻高于上部，下部最大，采場(chǎng)上部工阻整體較小，表現(xiàn)為傾斜方向支架載荷的非對(duì)稱特征，這與相似模擬結(jié)果具有一致性。同時(shí)底分層上部再生頂板在無任何支護(hù)下繼續(xù)滑移，空頂范圍增大，支架空載，這是采場(chǎng)上部支架工阻較小的原因。因此，采場(chǎng)上部亦是支護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定控制的重點(diǎn)區(qū)域。

圖6 底分層不同位置支架載荷

基于上述分析可知，沿工作面傾斜方向，底分層再生頂板大面積冒落、滑移是引起再生頂板下大傾角采場(chǎng)支架失穩(wěn)的主要誘因。此時(shí)，再生頂板運(yùn)動(dòng)引起支架的位態(tài)改變，支架發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖7所示。

圖7 再生頂板與支架作用關(guān)系

5 采場(chǎng)支架穩(wěn)定性分析

底分層底板為完整巖層，頂板為破碎的再生巖層。工作面回采過程中，底板較為穩(wěn)定，而再生頂板沿傾向滑移嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致支架發(fā)生下滑和順向轉(zhuǎn)動(dòng)。結(jié)合文獻(xiàn)[23]，建立如圖8所示的支架傾向力學(xué)模型，研究再生頂板對(duì)支架穩(wěn)定性的影響。

圖8 支架受力模型

圖8中，支架逆向轉(zhuǎn)動(dòng)為正,α為煤層傾角，(°);h為采高，m;B為支架底座寬度，m;F′c為再生頂板對(duì)支架的法向載荷，kN;f2為支架與再生頂板間的摩擦力，kN;x0為再生頂板法向載荷作用位置，m;W為底板對(duì)支架的法向載荷，kN;f1為支架與底板間摩擦力，kN;x1為再生頂板法向載荷作用位置，m;P1,P2為相鄰支架間作用載荷;G為支架自重力，kN;μ1,μ2為頂?shù)装迮c支架間摩擦因數(shù)。

支架受到的再生頂板作用力Fc計(jì)算式

Fc=γHLzB

(1)

式中，γ為容重，kN/m3;H為再生頂板厚度，m;Lz為支架支護(hù)長度，m。

煤層回采期間，當(dāng)再生頂板對(duì)支架的法向載荷F′c作用位置x0=B，底板對(duì)支架的法向載荷W移動(dòng)至x1=0時(shí)，支架處于傾倒極限臨界狀態(tài)。根據(jù)力矩平衡條件，此時(shí)有

(2)

當(dāng)再生頂板對(duì)支架的法向載荷F′c作用位置x0=B/2，底板對(duì)支架的法向載荷W移動(dòng)至x1=B/2時(shí)，支架在再生頂板作用力Fc，自重G作用下有沿工作面傾向下滑的趨勢(shì)，支架處于下滑臨界狀態(tài)，此時(shí)有

(3)

根據(jù)底分層工程地質(zhì)條件和支架技術(shù)參數(shù)，取α=40°,γ=25 kN/m3,H=4 m,Lz=5 m,B=1.5 m,h=2.4 m,μ1,μ2=0.37,G=240 kN。令P=P2-P1，把上述具體數(shù)值代入式(1)～(3)得到支架在傾倒模式下支架間作用力P為-126.8 kN、支架下滑模式下支架間作用力P為86.2 kN。綜合分析可知，隨再生頂板載荷作用位置x0由0增大到B時(shí)，支架的位態(tài)發(fā)生改變，支架運(yùn)動(dòng)模式由逆向轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)轫樝蜣D(zhuǎn)動(dòng)。底分層采用ZZ6 400/18/38型支撐掩護(hù)式支架，在回采過程中應(yīng)時(shí)刻監(jiān)測(cè)支架側(cè)護(hù)板千斤頂?shù)闹ёo(hù)力，為防止支架下滑，由支架側(cè)護(hù)板千斤頂提供的架間作用力最小應(yīng)達(dá)到86.2 kN。

6 支架-圍巖穩(wěn)定控制分析

煤炭采出后，再生頂板受2次采動(dòng)影響較為破碎，破碎垮落頂板沿工作面傾向滑移，采場(chǎng)上部支架空頂，載荷減小，出現(xiàn)倒滑失穩(wěn)。為控制工作面回采系統(tǒng)穩(wěn)定，從再生頂板下大傾角煤層綜采工作面支架-圍巖失穩(wěn)機(jī)理出發(fā)，提出了融護(hù)幫、護(hù)頂和護(hù)架為一體的三位協(xié)同支護(hù)體系，如圖9所示。具體為:底分層上風(fēng)巷煤柱側(cè)打高強(qiáng)中空注漿錨索，防治移架上端頭后煤柱上方再生頂板繼續(xù)剪切滑移;改用菱形金屬網(wǎng)(剛性)作為破碎頂板防冒頂材料，鋪設(shè)在支架頂梁之上，垂于煤壁;采場(chǎng)上部支架每3架頂梁和底座及六架四連桿處設(shè)置防倒、滑千斤頂防治支架失穩(wěn)引起整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)失效。

圖9 “三位一體”協(xié)同支護(hù)

7 結(jié) 論

(1)基于現(xiàn)場(chǎng)鉆孔實(shí)探，描繪出再生頂板下部>中部>上部的非對(duì)稱膠結(jié)壓實(shí)特征。底分層回采過程中，上覆巖層經(jīng)歷了6個(gè)階段的破斷失穩(wěn)，下部高位懸臂梁斷裂聲發(fā)射能量束集中程度最高，上部再生頂板剪切回轉(zhuǎn)滑移聲發(fā)射能量束集中程度其次。

(2)再生頂板高位懸臂梁的斷裂和上部再生頂板的剪切滑移是引起底分層頂板破碎嚴(yán)重的原因;底分層下部各層位形成的懸臂梁結(jié)構(gòu)是致使采場(chǎng)下部支架載荷升高的原因;上部采場(chǎng)空頂是引起上部支架載荷較小的原因。

(3)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)礦壓數(shù)據(jù)，得到了采場(chǎng)上部支架為重點(diǎn)防控對(duì)象，確定采場(chǎng)支架降架減阻的移架方式。再生頂板破壞演化過程中，支架受再生頂板滑移作用，基于此推導(dǎo)了支架臨界失穩(wěn)狀態(tài)側(cè)護(hù)板千斤頂?shù)闹ёo(hù)力，揭示了再生頂板載荷作用位置對(duì)支架運(yùn)動(dòng)方向的影響機(jī)制。

(4)基于大傾角煤層采場(chǎng)再生頂板結(jié)構(gòu)和支架穩(wěn)定性分析，探討了護(hù)幫、護(hù)頂和護(hù)架為一體的三位協(xié)同支護(hù)體系。