受背斜控制大采高工作面片帮冒顶机理分析

张佳佳

(晋煤集团晋圣亿欣煤业有限公司，山西 晋城 048000)

0 引言

大采高采煤工艺具有开采空间大、围岩活动剧烈、支承压力峰值与影响范围明显增大等特点，适用于煤层倾角小、煤层相对稳定、顶板情况好的条件[1]。受开采因素和地质因素影响，大采高工作面更易于发生煤壁片帮、端面冒顶等事故[2]。防治片帮冒顶是实现工作面高产高效需要解决的问题。

许多学者对工作面片帮冒顶机理进行了研究，对影响片帮冒顶的采高、煤体力学性质、煤层倾角、端面距、支架适应性等因素进行了分析，并建立相关的力学模型预测煤壁片帮的位置[3-7]。而对于多因素作用下工作面片帮冒顶机理及防治鲜有报道。为此，针对11503大采高工作面初采阶段片帮冒顶事故，应用理论分析和数值模拟，研究受背斜控制大采高工作面片帮冒顶机理。

1 事故基本情况

1.1 11503工作面概况

任家庄煤矿位于宁东矿区，可采煤层包括山西组和太原组在内共12层，目前开采山西组5号煤。5号煤赋存较稳定，煤层结构单一，无夹矸，煤体硬度f约为1.2，煤层底板为泥岩，老顶为粉砂岩。11503工作面位于11采区，工作面大部分受到三道沟背斜影响，该背斜轴面东倾85°，西翼较陡，东翼较缓，在工作面内延伸约1 023 m。在距风巷F1点575.6 m处三道沟背斜轴部进入工作面，从工作面切眼出。此外，工作面内存在f 6、f 41、f 42和f 44等一系列小型断层，落差均不大于5 m。断裂带煤岩不稳定，较破碎，巷道顶板管理困难。11503工作面标高+993～+1 110 m，平均埋藏深度433 m；工作面走向长度1 530 m，工作面煤层倾角4°～11°，煤层平均厚度为4.8 m，采用一次采全高综合机械化开采。

1.2 事故概况

11503大采高工作面在初采阶段，回采至18 m处，距风巷巷口60 m的范围内发生了一次严重的片帮冒顶事故，造成大量煤体涌出，煤体堆积至支架间走道。液压支架上方出现大面积冒顶，无人员伤亡，但是严重影响工作面的安全、快速回采。事故位置示意图及事故后现场如图1所示。

图1 发生事故位置及事故后现场照片

2 事故机理分析

三道沟背斜从11503工作面穿出，工作面从切眼推进受到背斜影响，从翼部向轴部开采，初采阶段工作面处于仰斜开采。从大采高矿压显现特点、仰采条件下老顶初次破断距及煤壁破坏特征，对11503工作面初采阶段发生的片帮冒顶机理进行分析。

2.1 大采高工作面矿压显现特点

现场实践证明，随开采高度的增加，工作面顶板压力随之增大，煤壁前方支承压力集中程度也随之增加。大采高综采老顶来压相比普通综采更为剧烈，工作面周期来压明显，来压强度增加[8]。综放开采由于顶煤的缓冲作用，破断岩板离工作面较高，放顶煤开采工作面初次来压强度不大，较大采高开采矿压显现较缓和，缓解了煤壁处压力。相同采高条件下，大采高与综放开采超前支承压力曲线如图2所示[9]。

图2 大采高与综放开采支承压力对比

2.2 仰采条件下老顶的初次断裂步距

图3 初次来压前老顶的力学模型

(1)

式中，L—极限跨距；h—岩层厚度；RT—岩层抗拉强度；q—岩层所承受载荷。当煤层倾角为α时，梁所受载荷可分解为：平行于推进方向的qsinα和垂直于推进方向的qcosα，两端固支梁的受力分析如图4所示。

图4 仰斜开采初次来压老顶的力学模型

在梁上端B点产生最大拉应力

(2)

当σB=RT时，岩层在该处破断，破断距为

(3)

由此可以看出，随着煤层倾角的变大，老顶破断距逐渐减小，初次来压步距减少，初次来压可能造成工作面前方压力过大，导致顶板下沉。采取仰采，容易引起顶板松动，对顶板的稳定性造成一定的影响。另外，在仰斜开采时，煤层重心偏向采空区一侧，煤壁内超前支承压力的峰值向煤壁自由面一侧移动，更容易诱发片帮。

2.3 煤壁的剪切破坏

受煤体自重及顶板压力作用，当煤壁内的剪应力大于煤体抗剪强度时将发生剪切滑动破坏。将仰采时煤壁简化为平面力学模型如图5所示，按照摩尔-库仑强度理论，破坏准则可表述为当沿剪切面的抗剪力D小于该面上的滑动力S时，则煤壁发生剪切破坏,破坏准则判定安全余量G表示为

G=D-S=Chsecα+Ntanφ-S≤0

(4)

式中，C—煤体粘聚力；h—剪切面破坏高度；α—剪切面与煤壁的夹角；N—剪切面上的法向力；φ—煤体内摩擦角。

由图5可知，力N、S是由顶板压力和破坏体自重2个部分组成，煤壁所受顶板压力p=qhtanαsinθ，滑动体自重w=h2γtan(α/2)，其中γ为煤体容重。

图5 倾斜煤壁剪切破坏分析

由摩尔-库仑理论得到α=45°-φ/2，N=(P+W)cos(90°-α+θ)，S=(P+W)sin(90°-α+θ)代入式(4)得煤壁剪切破坏准则为

G=Chsecα+(qhsinθ+h2γ/2)[sin(α-θ)tanφ-cos(α-θ)]≤0

(5)

B=sin(α-θ)tanφ-cos(α-θ)

(6)

上述煤壁片帮机理分析表明，煤壁发生剪切破坏，除与煤体的顶板压力、抗剪强度、煤体性质有关外，仰斜开采时煤层倾角对煤壁片帮影响较大。

由式(5)可知，随着煤层倾角的增大，B值减小，当煤层倾角超过某一特定值时，B<0，可见煤层倾角大幅增加了煤壁剪切破坏的危险性。

2.4 受背斜控制大采高工作面矿压规律

建立模型：为分析三道沟背斜对11503工作面矿压显现规律的影响，建立基于现场实际地质情况的精细化三维数值模型，具体建模步骤如图6所示。根据现场钻孔资料，运用AutoCAD建立能准确反映该工作面地形的精细化三维地质模型，然后将模型导入ANSYS进行网格划分，生成精细化三维地质模型。最后将数值模型导入FLAC3D，对各岩层赋参数进行数值计算。

图6 三维地质模型数值模拟建模流程

两帮收敛量模拟与实测结果对比：数值模拟中开挖步距设置为6 m，与现场回采每天的推进度一

致。通过对比分析数值模拟与现场实测布置在风巷中各测点的两帮收敛量随回采进行的变化情况，对数值模拟结果的准确性进行验证。图7为数值模拟结果与现场实测结果的对比曲线，可以看出，数值模拟结果与实测结果差别微小，具有基本一致的变化趋势，可以反映巷道收敛量变化趋势和规律，说明数值模拟的结果是可取的。

图7 两帮收敛量模拟与实测结果对比

区域位移分析：利用精确三维地质模型分析随回采的该区域的位移的变化情况，如图8所示。工作面附近处于卸压状态，随着工作面推进，煤层顶板下沉量逐渐增加，由0.049 m变为0.055 m最后增加到0.076 m，最大位移范围扩大至距风巷30 m附近。机巷位于下巷，位移应力均大于位于上巷的风巷。仰采开采过程中，工作面受仰采角度作用，顶板将产生向采空区方向的沿层面的分力，在此沿层面的分力的作用下，顶板悬臂岩层将向采空区方向移动，煤壁的水平位移量也会增大，导致煤壁片帮，煤壁侧无支护面积增大，更加促使近煤壁处顶板的下沉及破碎，使顶板维护条件恶化。

图8 推进过程中竖向位移云图

2.5 大采高工作面矿压控制建议

通过分析11503工作面片帮冒顶机理表明，大采高工作面矿压显现剧烈，受背斜影响老顶初次破断距减小，初次来压时在基本顶回转作用下，煤体的抗剪能力大大降低，容易发生片帮。煤层倾角变大，增加了煤壁剪切破坏的危险性。大采高工作面应避免仰斜开采，对地质构造段应加强矿压观测与顶板管理。此外，煤体发生片帮与煤体自身性质有很大关系，可通过注浆加固煤壁改变煤体性质提高煤体抗剪强度，达到减少片帮冒顶的目的。

3 结论

(1)通过理论分析得出大采高工作面矿压显现剧烈，煤层倾角变化后，老顶初次破断距减小，煤层倾角变大，增加了煤壁剪切破坏的危险性。

(2)基于GIS建立考虑三道沟背斜的真实地质模型，分析受背斜控制大采高工作面矿压显现规律，考虑三道沟背斜的地质模型与现场监测数据变化规律保持一致，相关度极高。

(3)受背斜影响大采高工作面易发生片帮冒顶，在地质构造段应加强矿压观测与顶板管理。