劉滿意
(遼寧工程技術大學 土木工程學院，遼寧 阜新 123000)
中國急傾斜煤層儲量豐富，約占全國總煤炭儲量的15%～20%[1]。急傾斜煤層開采中常見偽傾斜開采方法，偽傾斜煤層工作面的支護設計更是煤層開采工藝中的難點，深入研究急傾斜煤層頂板垮落規律與工作面支護結構受力變形特征，對煤礦安全高效生產具有重要意義。
國內外眾多學者對急傾斜煤層開采進行了研究，形成一定的理論和方法。在傾斜煤層頂板塌落規律研究方面，姚琦等[2]為研究急傾斜煤層頂板覆巖運動特征，將物理模型試驗和數值計算相結合，探討了頂板變形特征；
張浩等[3]通過室內試驗和理論分析研究了急傾斜煤層頂板破壞變形特點；
張基偉[4]采用試驗、模擬、理論分析等方法研究了急傾斜煤層的垮落規律；
潘瑞凱等[5]根據急傾斜煤層幾何特征，以彈性力學理論為基礎，構建了偽傾斜頂板力學模型；
HE S Q等[6]研究了急傾斜特厚煤層沖擊地壓發生的機理，提出了通過頂板泄壓預防沖擊地壓的方法；
程衛民等[7]通過室內物理模型實驗分析了煤層開采時圍巖破裂規律；
王家臣等[8]利用UDEC數值軟件分析了頂板破壞方式，并通過物理模型實驗進行了驗證；
康天合等[9]通過物理模型實驗研究了特厚煤層的變形垮落特點；
韓光等[10]基于顆粒流的PFC3D對開采過程進行了模擬，分析了開采過程中頂板運動規律。
在開采工作面支護研究方面，石福泰等[11]以傾斜煤層為研究對象，提出了回采與支護協調開展的生產模式；
張曉波等[12]對傾斜煤層頂板礦壓分布規律展開研究，提出了工作面有效支護方案；
陳志才等[13]研制了新型柔性掩護支架，提高了煤礦安全生產程度；
陳建強等[14]研究了急傾斜煤層巷道破壞變形特征，根據巷道非對稱變形特點提出了相應加固方案；
秦仕偉等[15]通過理論分析計算了巷道擠壓力與錨固范圍之間的關系；
朱川曲等[16]根據急傾斜煤層采煤特點，對比優化了放煤支護方案；
曹樹剛等[17]在現場監測了液壓支護壓力變化，探討了自移式液壓支架在復雜因素影響下的適用性；
何興巧等[18]通過分析急傾斜煤層巷道錨網支護受力及破壞特征，提出了控制圍巖失穩的方法。綜上所述，在急傾斜煤層頂板塌落規律研究方面，數值計算中力學模型及參數的選擇仍需優化，計算結果的準確性有待提高；
在工作面支護研究方面，多選用數學模型對支護結構進行設計，支護方案的現場實用性及安全性無從驗證，需進一步開展相關數值計算研究對現場支護設計進行檢驗。
以紅陽煤礦為背景，通過現場勘查及室內試驗獲取圍巖力學參數，利用3DEC離散元軟構建無支護狀態下偽傾斜煤層數值模型，分析頂板垮落規律。通過分析數值計算結果，并結合工程實際情況制定柔性掩護支架(柔掩支架)支護方案，利用3DEC軟件對支護結構受力及變形特征進行分析，模擬驗證支護方案的現場實用性，為急傾斜煤層工作面支護設計及優化提供參考。
1.1 工程概況
紅陽煤礦位于松遼平原南部，下遼河平原東側，主要以第四紀地層為主。含煤地層主要為山西組與太原組相互交合沉積，其中7號煤層沉積穩定，可采度適中，12號煤層為主要可采煤層，本文以12號煤層為例開展傾斜煤層頂板垮落及工作面支護研究。
該煤層為急傾斜煤層，煤層傾角50°，煤層平均厚度3 m，煤層走向長度460 m，傾斜長度103 m，面積為47 380 m2。頂板為厚層狀海相泥巖，其厚度為7～15 m，性脆，節理發育，巖體質量等級較差。東四區煤巖柱狀分層如圖1所示。
圖1 煤礦煤巖分層柱狀Fig.1 Stratified columnar of coal and rock in coal mine
由于該煤層傾角大，回采難度大，為減小煤層傾角，提高生產效率，煤礦采用偽傾斜柔掩支架采煤法對煤層進行開采。偽傾斜角為28°，落煤方式為工作面爆破落煤為主，柔掩面開采厚度為3.0 m，工作面平均循環進度1.0 m，頂板管理采用全部自然垮落法。煤層回采方式如圖2所示。
圖2 偽傾斜煤層回采示意Fig.2 Mining diagram of pseudo inclined coal seam
1.2 煤巖力學性能研究
煤層及頂底板力學參數是巷道支護及安全開采的基礎，同時也是確定數值分析參數的數據依據。通過現場勘探取樣獲得12號煤層頂底板泥巖、砂巖巖樣及煤樣，其中泥巖及砂巖巖樣如圖3(a)所示，泥巖巖性破碎、節理裂隙發育、遇水易崩解，砂巖巖性完整、堅硬、質地均勻。將巖樣加工打磨成直徑50 mm，高度100 mm的標準試件，利用TAW 2000微機控制電液伺服壓力機開展巖石力學性能測試試驗，試驗加載系統及巖樣破壞特征如圖3(b)所示。
圖3 巖石力學參數測定試驗Fig.3 Rock mechanics parameter determination test
通過室內實驗獲得的一組頂板泥巖試樣全應力-應變曲線，如圖4所示，其中e1為軸向應變；
e3為徑向應變。通過室內試驗及文獻[19-20]所提供的方法獲得煤巖層基本力學參數，見表1。
利用3DEC軟件構建急傾斜煤層離散元數值模型，基于室內煤巖力學參數及應變軟化模型對數值模型賦予計算參數，分析煤巖層接觸面分離斷裂過程，獲取偽傾斜煤層頂板塌落規律。
2.1 傾斜煤層3DEC離散元數值模型
以紅陽東四采區地煤巖特性及分布特征為基礎構建3DEC數值模型，模型邊界條件及尺寸如圖5所示。為提高模型計算準確率，對煤層及其頂板單元進行密集化處理[21]。
表1 煤巖力學參數
在偽傾斜煤層頂板塌落規律數值計算中，完整巖塊物理力學性質通過室內試驗測定，而在實際工程中巖體多分布節理裂隙，巖體強度通常小于試驗測定強度，數值模型中巖石力學參數應為實際巖體參數，模型中單元之間接觸面強度與裂隙分布情況相關，為使得計算模型更符合現場實際，模型煤層和頂板接觸面強度分別為試驗值的1/10和1/5，離散元模型單元接觸面力學參數見表2。
采用摩爾 -庫倫應變軟化本構模型，當巖層達到臨界強度時并不會立即破壞，而是逐步衰減至殘余強度，更符合現場煤巖破壞特性。計算過程對煤層進行模擬開采，開采總長度為55 m，回采推進循環進尺為5 m，隨機挑選多個頂板單元監測其變形。
圖5 數值計算模型Fig.5 Numerical calculation model
表2 離散元模型單元接觸面力學參數
2.2 數值計算結果
計算完成后提取頂板變形數據，繪制回采進尺與頂板變形的關系曲線，如圖6所示。煤層頂板隨著工作面的推進變形逐步增大，并且垮落及時，當工作面回采至10 m時，頂板最大位移量為0.5 m；
當工作面回采至47 m時，頂板出現初次塌落，頂板塌落深度為4.8 m，縱向垮落范圍為13 m，位移曲線發生突變；
當工作面回采至34 m時，頂板發生第1次周期垮落，垮落高度為9.6 m，垮落范圍為22 m；
當工作面回采至47 m時，煤層頂板出現第2次周期塌落，垮落深度為14.2 m，縱向塌落范圍為35 m。通過數值計算結果可知，12號煤層泥巖頂板來壓及時，頂板具有隨采隨垮的特征。
通過分析數值計算得到的泥巖頂板塌落規律可知，12號煤層泥巖頂板垮落及時，垮落頂板較破碎，結合紅陽煤礦現場工況，設計柔性掩護支架支護方案，并利用3DEC離散元軟件對支護方案進行驗算，分析支護結構受力特征及現場實用性。
圖6 數值計算煤層頂板垮落規律Fig.6 Numerical calculation of roof caving law of coal seam
3.1 柔掩支架受力分析
掩護支架工作時主要受到垮落矸石重力的分力，所以進行支架受力分析時以矸石作為研究對象，根據幾何關系計算矸石受力特征，矸石受力分析如圖7所示。其中AC為真傾斜工作面，CE為偽傾斜工作面，AE為上通風巷，CD為下水平巷。
圖7 矸石單元受力分析幾何示意Fig.7 Geometric diagram of stress analysis of gangue unit
由圖7(a)可知，偽傾斜工作面與下水平巷道夾角為
(9)
式中，α為真傾角，此處取α=50°；
β為偽傾斜角，此處取β=28°。
由于支架主要受力來自垮落矸石的重力，所以柔掩支架上的受力并不是均勻分布，其中頂板和底板受力較小，鋼梁中部受力較大。矸石重力和巖柱高度H、煤層傾角及煤層厚度M有關。煤層厚度取3.0 m，H為
H=M(2.77-2.36cosα)=3.75 m
(10)
矸石單元在JD上的受力特征如圖7(b)所示，G為煤矸石單元的自身重力，Fz為垂直于斜面ACE的支撐力，Ft為工作面AE的推力，支架在ACE面沿著AE方向額度摩擦力Fm。其中
F=G′=Gsinα=γHBMsinα=37.66 kN
(11)
式中，G′為重力沿JD向下的分力，kN；
g為矸石容重，此處取23 kN/m3；
B為支架軸心距，m。
Ft=G′cosε=29.8 kN
(12)
根據力的平衡和相互作用原理，矸石單元對支架的壓力Fy=Ft，方向相反。
3.2 柔掩支架選型
根據紅陽煤礦東四采區地質條件及支架受力分析，初步設計工作面采用長3.0 m的“八”字型柔掩支架進行支護，選用的鋼材為12號Q345工字鋼。每組支架由5根工字鋼組成，每組工字鋼之間通過鋼絲繩、小夾板和螺絲等構件固定。每組支架之間采用軟梁連接，支護密度為5.5根/m。“八”字型柔掩支架結構示意圖如圖8所示。
圖8 “八”字型柔掩支架結構示意Fig.8 Schematic diagram of “eight” shaped flexible shield support structure
3.3 偽傾斜柔性掩護支架采煤法數值計算
采用圖5所示數值模型模擬12號煤層在柔掩支架支護條件下的煤層開采，構建有液壓支柱和無液壓支柱2種支架模型進行對比，分析頂板塌落規律及柔掩支架的受力特征。
3.3.1 柔掩支架支護作用下頂板塌落規律
數值計算時模擬現場回采，由上向下逐步推進，回采進尺設定為5 m，共回采12步，同時根據12號Q345工字鋼參數構建柔掩支架模型對工作面進行支護。柔掩支架支護條件下的工作面頂板塌落規律如圖9所示。
圖9 柔掩支架采煤法模擬開采Fig.9 Simulated mining by flexible shield support mining method
通過圖9可以看出，在煤層回采過程中柔性掩護支架的性能主要體現在3方面：①柔性掩護支架能夠有效阻擋垮落矸石滾落至工作面，保證了工作面的安全生產，并且矸石能夠為柔性掩護支架提供足夠的推動力，使支架隨工作面向下移動。②柔性掩護支架能夠減小頂板的垮落范圍，通過計算結果可以看出，由于柔性掩護支架的存在，使垮落矸石堆積在工作面后方，煤矸石的堆積為上方頂板提供了支撐，限制了頂板中部的進一步變形。③柔掩支架能夠為工作面分擔部分壓力，頂板來壓時工作面上方圍巖將壓力傳至工作面，工作面將積蓄能量，為工作面帶來安全隱患，柔掩支架能夠為工作面緩解部分壓力，提高工作面的穩定性。
3.3.2 柔掩支架變形及受力分析
為進一步分析柔掩支架支護過程中的穩定性，對開采模擬過程中柔掩支架變形及受力進行分析，最大應力變化曲線如圖10所示，計算過程中柔掩支架變形云圖如圖11所示。
通過計算發現，2種支架變形趨勢基本相同，即在垮落矸石推力的作用下，支架下部的變形量最大，并且與采煤方向一致，說明柔掩支架的底部有向下滑移的趨勢。但2種支架的受力狀態差別較大，在沒有單體液壓支柱的條件下，通過圖10可知，最大應力達到731.5 MPa，已經超出鋼材的極限承載能力，不利于工作面安全穩定。當柔掩支架配有液壓支柱時，支架受力狀態良好，液壓支柱在周期來壓作用下表現出較好的穩定性。因此，有液壓支柱的柔掩支架更能保障工作面人員設備安全，更適合現場應用。
圖10 柔掩支架應力變化曲線Fig.10 Stress change curve of flexible shield support
圖11 柔掩支架變形云圖Fig.11 Deformation cloud picture of flexible shield support
3.4 柔掩支架采煤法現場應用分析
該方案應用于東四采區1203工作面，并利用礦壓監測系統對柔掩支架進行監測。通過現場觀測發現，試采期間液壓支柱平均初撐強度118 MPa，與數值計算結果接近，工字鋼支架最大均布荷載為98 kN/m，未出現屈服變形，支護系統整體工作狀態良好。工作面在試采期間狀態穩定，未出現片幫、冒頂、切頂和頂板臺階下沉等現象，頂板周期來壓步距為10～15 m，塌落后的頂板矸石能夠充分填補采空區，減小瓦斯對煤礦生產的影響，保證了工作面的安全生產。通過與數值計算對比可以發現，3DEC離散元計算結果和現場觀測結果基本一致，證明3DEC數值計算方法能夠有效檢驗偽傾斜煤層開采支護方案的合理性。
(1)利用3DEC離散元數值計算方法時，賦予煤巖層接觸面彈脆塑性應變軟化本構模型，能夠合理反映急傾斜煤巖層頂底板的力學特性及破壞特征。
(2)偽傾斜柔掩支架采煤法適用于急傾斜泥巖頂板煤層，煤層開采期間泥巖頂板垮落及時，對柔性掩護支架起到積極的推動作用，并且液壓支柱能夠有效改善支架受力狀態，提高支架支護能力。
(3)3DEC離散元數值計算方法能夠合理分析傾斜煤層頂底板受力及變形狀態，適用于煤層開采方法及支護方案的驗算。
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