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《采礦與安全工程學報雜志》2015年第六期

急傾斜特厚煤層綜放開采中，頂板的破斷方式、礦壓顯現(xiàn)與緩斜水平煤層區(qū)別很大，研究急傾斜煤層綜放工作面頂板的變形特征，對工作面的頂板治理、強制放頂、靠頂板側(cè)巷道的支護設計、動力災害的預報有重要意義。屠洪盛等利用彈性薄板理論，建立了薄板力學模型，得出急傾斜工作面采用充填法的頂板變形撓度方程以及上部頂板和中下部冒落矸石接觸處首先出現(xiàn)拉伸破壞或剪切破壞的結(jié)論；王港盛等運用梁式理論對采空區(qū)充填后的頂板進行分析，并給出頂板撓曲線計算公式；張嘉凡等應用Kirchhoff薄板理論，運用能量法得到頂板撓度的解析表達式，分析了煤層傾角、水平分段高度和基本頂厚度對頂板撓曲變形的影響；鞠文君等通過對急傾斜特厚煤層綜放開采的基本頂破壞特點分析，建立了懸臂梁式基本頂力學模型，推導出基本頂巖層懸臂梁能量表達式。上述學者對急傾斜煤層頂板的變形特征進行了較充分的分析研究，但較少考慮頂板與工作面上部殘留煤體的相互作用。本文以烏東煤礦北采區(qū)45#煤層為背景，以理論分析為主和數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)測為輔的研究方法，建立工作面頂板梁結(jié)構(gòu)力學模型，得出頂板的撓度計算公式，最后結(jié)合工程實例，對工作面頂板進行分析計算，得到頂板變形特征以及在不同工作面頂板傾斜長度下的頂板變形特征。

1工程背景

烏東礦區(qū)分為南北采區(qū)，其中北采區(qū)位于八道灣向斜北翼(七道灣背斜南翼)，基本構(gòu)造形態(tài)呈一向南傾斜的單斜構(gòu)造。煤層走向北東67°，傾向南東157°，煤層傾角平均45°。煤層頂板為塊狀粉砂巖夾有少量細砂巖，硬度較大、穩(wěn)定性好，煤層直接底為厚達7.0~10.0m的泥巖段。主采煤層水平寬度為20.0~50.0m。由于煤層和頂板的傾角接近自然安息角，使頂板與煤體自然垮落難度增加，水平分段綜放開采是該礦區(qū)采煤方法的主導，放頂煤工作面割煤高度3.0m，水平分段高度在15.0~30.0m，烏東煤礦井田剖面如圖1所示。

2工作面覆巖受力結(jié)構(gòu)分析

2.1工作面覆巖結(jié)構(gòu)模型傾角45°~90°的煤層為急傾斜煤層，急傾斜煤層的綜放開采和賦存環(huán)境加劇了工作面采場結(jié)構(gòu)與應力演化的復雜性。與緩斜煤層不同，急傾斜特厚煤層綜放開采的工作面長度為煤層水平寬度，由于綜放開采是按照一定的采放比開采的，就存在部分頂煤弱化不充分加之在開采時會留一部分頂煤不進行爆破弱化，因此有部分頂煤不會被充分放出，此頂煤阻礙了上一階段的殘留煤體以及矸石(頂板垮落和地表回填)沿底板傾斜方向的滑落，使“頂板-殘留煤體-底板”形成一個空間，其工作面賦存環(huán)境如圖2a所示。在小變形的前提下，為簡化計算，將頂板底端簡化為固定端約束；不考慮頂板與頂煤之間的相對運動，將頂板與頂煤連接點簡化為固接，作用在頂板上的地應力簡化成垂直作用在頂板上的均布載荷q1，最終，在底板與殘留煤體形成穩(wěn)定鉸接結(jié)構(gòu)且不考慮滑落煤矸對頂板支撐作用的前提下，可簡化成頂板與工作面上方殘留煤體的梁結(jié)構(gòu)力學模型(圖2b)。殘留煤體剛度為E2I2，長度為煤層水平寬度l2，受到均布荷載q2的作用。頂板剛度為E1I1，l1為頂板傾斜長度，煤層傾角為α，受到均布荷載q1的作用。在小變形的條件下，圖2b由疊加原理分解為如圖3a所示殘留煤體受均布荷載q2作用和頂板只受q1作用的情況。殘留煤體受均布荷載q2作用下，解除底板給殘留煤體的約束并用廣義力x1和x2代替得到如圖3b所示的基本體系。

2.2頂板變形參數(shù)計算烏東煤礦北采區(qū)+575水平工作面的埋深為H1，取145.0m；α為煤層傾角，取45°；垂直作用于頂板的q1在考慮構(gòu)造應力的情況下q1=γH1(cosα+λsinα)，γ為上覆巖層平均容重，取20kN/m3；λ為側(cè)壓力系數(shù)，取0.3；由現(xiàn)場經(jīng)驗可知殘留煤體平均厚度為3.0~5.0m，則E2I2取2.25×104MPa•m3；E1I1取9.0×104MPa•m3；煤層厚度l2取35.0m；頂板的傾斜長度l1取35.0m；k取4；垂直作用于殘留煤體的q2=0.2γH2；H2=H1-l1sinα。將以上力學參數(shù)代入方程(8)可得到烏東煤礦北采區(qū)頂板變形曲線如圖4a所示。如圖4a，頂板的最大變形位于頂板沿傾斜方向的中上部，當傾斜長度l1大于20.0m時曲線的增速明顯變大；工作面頂板傾斜長度為35.0m時，最大的變形出現(xiàn)在20.0m左右，最大變形量約為600.0mm。為得到頂板的傾斜長度對工作面頂板變形的影響，在煤層傾角為45°的條件下，將頂板傾斜長度為25.0，30.0，35.0m依次代入式(8)得不同頂板傾斜長度下頂板變形曲線，如圖4b，傾斜長度為25.0，30.0，35.0m時的最大變形量分別為220.0，350.0，600.0mm；隨頂板傾斜長度增加，頂板變形量增大，頂板變形曲線增速依次增大，最大變形位置沿頂板傾斜方向向上移動，并保持在中部偏上。

3頂板變形特征驗證

3.1數(shù)值模型計算根據(jù)烏東煤礦45°煤層+620水平西翼工作面的開采布置，設計了FLAC3D的數(shù)值計算模型。模型中水平方向代表工作面傾向，垂直方向代表埋藏深度。為便于較好地表示開采范圍，將+620水平和+630水平特別用顏色表示區(qū)分出來，開采時將這兩部分的煤層挖去并計算模擬煤層的開采。圖5反映了開采前后頂板巖層的變形特征。分析表明：隨工作面推進，頂板懸空面積逐漸增大，在高階段放頂煤的開采擾動下，工作面上部煤巖體的運動演化愈加劇烈。在覆巖載荷的作用下，頂板與殘留煤體間相互固接，形成“頂板-殘留煤體-底板”的梁結(jié)構(gòu)。由于頂板的垂直應力分布呈現(xiàn)出由中部向兩端遞減的特征，頂板沿傾斜方向的下沉位移變形量隨時間推移不斷增大；工作面頂板發(fā)生了倒“拱形”的撓曲變形，工作面頂板中上部變形量最大；變形區(qū)域從頂板中部向外部擴展，在靠近梁結(jié)構(gòu)支點處的頂板變形則相對較小。當圍巖的承載能力達到極限時，梁結(jié)構(gòu)將發(fā)生失穩(wěn)。

3.2現(xiàn)場監(jiān)測實證地質(zhì)雷達是利用高頻電磁波在地下介質(zhì)中的傳播差異性揭示地下介質(zhì)特征和結(jié)構(gòu)的地球物理方法。由于覆巖載荷的作用，頂板發(fā)生變形，使頂板巖層裂隙發(fā)育明顯，故雷達所發(fā)射的高頻電磁波在受載荷巖層中傳播遇到裂隙等目標體時，因其與周圍巖體存在電性差異而產(chǎn)生反射波被接收形成雷達探測圖像，從而確定覆巖變形區(qū)域，最終根據(jù)介質(zhì)的電性和物性差異實現(xiàn)對所測區(qū)域的立體探測。本文采用美國進口的SIR-20專業(yè)型地質(zhì)雷達，對烏東煤礦北采區(qū)+575水平南巷工作面頂板塑性區(qū)進行監(jiān)測，來反演頂板變形情況。監(jiān)測方案如圖6所示，監(jiān)測參數(shù)見表1。從圖7a可看出在傾向0~3.0m范圍內(nèi)掃描圖顏色已發(fā)生明顯變化，波形出現(xiàn)紊亂，表明該區(qū)域內(nèi)頂板發(fā)生明顯變形，即該區(qū)域內(nèi)巖體裂隙相對較發(fā)育；在3.0~14.0m范圍內(nèi)掃描圖顏色變化不像0~3.0m局部變化那么明顯，但整體比較混亂，表明在該范圍內(nèi)頂板變形整體比0~3.0m范圍內(nèi)的大；20.0~40.0m范圍內(nèi)顏色變化較小，波形整體變化較小，則此范圍內(nèi)頂板變形較小；在14.0~20.0m范圍內(nèi)(橙色范圍)局部顏色變化非常明顯，反射率較強，存在明顯的波形變化分界面且波形整體發(fā)生較大的紊亂，判斷此范圍內(nèi)頂板變形比0~14.0m以及20.0~40.0m范圍內(nèi)的變形大；從圖7b也可看出在14.0~20.0m范圍內(nèi)(橙色范圍)頂板變形比其他區(qū)域的變形都大。分析表明，頂板中部偏上區(qū)域的變形比其他區(qū)域較大，即與理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。

4結(jié)論

1)基于急傾斜特厚煤層水平分段綜放開采的特征，建立了頂板力學模型，得出急傾斜特厚煤層綜放工作面頂板撓曲變形方程，方程表明頂板變形隨剛度以及傾角增大而減小。2)分析表明烏東煤礦北采區(qū)工作面頂板傾斜長度為35.0m時，最大的變形出現(xiàn)在20.0m左右，最大變形量約為600.0mm；隨頂板傾斜長度的增加，頂板最大變形量增大，頂板變形曲線的增速依次增大。3)頂板的垂直應力分布呈現(xiàn)出由中部向兩端遞減的特征，變形區(qū)域從頂板中部向外部擴展；工作面頂板中上部變形量最大，在靠近梁結(jié)構(gòu)支點處的頂板變形相對較小。

作者：來興平 李云鵬 王寧波 劉永紅 閆鵬佳 單位：西安科技大學能源學院 教育部西部礦井開采及災害防治重點實驗室 中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院