綜放采場上下位巖層結構相互作用對垮落帶分布影響的研究①

李紅濤

(華北科技學院 安全工程學院，北京東燕郊 101601)

綜放開采已經成為我國厚煤層正規(guī)開采的主要采煤方法。綜放開采時，砌體梁結構仍然存在，但其位置遠離采場，并在下位巖層的上部中，可形成“散體拱”結構［1］，“散體拱”結構相對于上位巖層砌體梁而言被稱之為小結構，文獻［2］的研究認為下位巖層形成的“散體拱”結構構成了綜放采場覆巖不規(guī)則垮落帶和規(guī)則垮落帶［3］的分界線，同時該結構對采場有一定的影響。綜放采場砌體梁大結構和其下位“散體拱”小結構的同時存在，隨著開采的不斷進行兩者相互影響是必然的。

因此，本文將以下位巖層形成散體拱為前提，深入探討上位巖層結構和下位巖層拱結構的相互作用對不規(guī)則垮落帶和規(guī)則垮落帶的影響。

1 上覆巖層垮落后綜放采場圍巖系統(tǒng)

眾所周知，采場圍巖系統(tǒng)主要是指上位巖層和下位巖層。傳統(tǒng)的礦山壓力理論都是視下位巖層為剛體［4］，即認為上位巖層的變形可以經由下位巖層全部傳遞給采場，并由此來確定頂板下沉量等采場參數。然而，實踐證明在放頂煤開采時，這與實際有較大的誤差。借鑒目前的研究成果并考慮下位巖層散體拱結構的存在，綜放采場圍巖支承系統(tǒng)如圖1所示，主要由工作面液壓支架、下位巖層散體拱結構、采空區(qū)已壓實矸石、工作面前方煤體和上位巖層等五部分組成。

1.1 上覆巖層垮落后綜放采面圍巖分區(qū)

依據綜放開采時工作面上覆巖層運動的特點和在開采過程中排放頂煤的特殊性，可以將上覆巖層已經垮落后的綜放采面圍巖空間大致分為五個區(qū)域［6］。

圖1 上覆巖層垮落后采場圍巖狀況圖

相似模擬實驗具有直觀再現煤層采出后上覆巖層變形、破斷和冒落全過程的特點，通過對綜放采場的相似模擬，放頂煤開采采場覆巖運移狀況如圖1所示，由圖1可以看出，隨著割煤過程的結束和頂煤的放出以及垮落直接頂運動空間的加大，在放煤區(qū)上方的頂煤和已垮落壓實的矸石之間形成了垮落直接頂流動的空間，垮落的直接頂散體巖塊不斷的流入放煤區(qū)，放空區(qū)上方的直接頂巖塊的運動幅度顯著大于頂煤上方和已壓實矸石上方直接頂巖塊的運動幅度，因此，流入放煤區(qū)上方空間的巖塊比其它地方巖塊的賦存狀態(tài)混雜，因而是形成不規(guī)則垮落的空間。隨著不規(guī)則垮落帶不斷壓縮覆巖運動空間，散體塊體之間產生相互咬合，形成下位巖層的“散體拱”小結構，“散體拱”具有一定的穩(wěn)定強度，從而使得上部巖層相對穩(wěn)定垮落，形成規(guī)則垮落帶，將采場進行分區(qū)如圖2所示。

I區(qū)為支撐區(qū)，它的主體為液壓支架，傳力介質剛度最大，近似于剛性體;

圖2 上覆巖層垮落后采場圍巖空間分區(qū)

II區(qū)為下位巖層散體拱影響區(qū)，它的主體為下位巖層散體拱及上部規(guī)則垮落帶;

III區(qū)為充填區(qū)，它的主體為已經壓實的下位巖層矸石;

IV區(qū)為煤體和下位巖層，它的主體為支承壓力影響區(qū)內的煤體下位巖層;

V區(qū)周期性垮落的上位巖層。

在開采過程中，這五個區(qū)域的位置，不僅是空間的函數，也是一個時間的函數。區(qū)域的位置及其內在關系隨工作面的推進而連續(xù)變化的。各區(qū)域間的分界比較模糊，但分區(qū)明顯。

1.2 上覆巖層垮落后的綜放采面圍巖力學系統(tǒng)

在與上覆巖層垮落后綜放采面周圍空間分區(qū)相對應的基礎上，可建立起上覆巖層垮落后綜放采面圍巖的力學剛度系統(tǒng)［4］。在這個力學系統(tǒng)中，施力體Ⅴ為斷裂后的上位巖層，可把它看作近似剛體，工作面載體為液壓支架1，也看作剛性體。上位巖層的載荷及其支承壓力，由圣維南體即彈塑性體2、虎克體即彈性體Ⅲ和馬克斯威爾體即彈粘性體Ⅳ共同承擔，其中Ⅱ所承受的載荷傳遞給液壓支架和采空區(qū)已近似壓實的矸石。上覆巖層垮落后綜放采面圍巖力學剛度模型如圖3所示。

這里需要特別說明的是Ⅱ區(qū)模型的定性，一方面，根據文獻［1］的有關研究，頂煤可視為彈塑性體;另一方面，由于下位巖層拱結構及其上方的規(guī)則垮落帶分別構成了塑性體(拱的承載是一定的，當載荷大于拱的承載能力時將自我變形調整，這種自我變形調整是不可逆的，因此可視為塑性體)和彈性體。因此，將兩部分合并統(tǒng)稱為彈塑性區(qū)。

該圍巖力學系統(tǒng)各區(qū)域內介質的剛度，有以下幾個方面的特點:

圖3 圍巖力學系統(tǒng)

1)上位巖層，采場后方已壓實的矸石及液壓支架近似等效為剛體;

2)在整個力學系統(tǒng)內，區(qū)域Ⅱ內的傳力介質為下位巖層拱及其上方的規(guī)則垮落帶，其力學剛度最低，其次為Ⅲ區(qū)已壓實的矸石，再次為前方承受支承壓力的煤體。在整個圍巖力學系統(tǒng)中，介質的力學剛度K有以下關系:

K5為上位巖層及支架剛度。

2 上位和下位巖層結構相互作用對垮落帶分布影響的分析

上位巖層砌體梁結構活動前期，上位砌體梁及其上覆軟巖層重量由Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)承受，此時上位砌體梁結構與Ⅱ區(qū)下位巖層散體拱及其上部規(guī)則垮落帶不接觸時，II區(qū)拱結構只承受其上方的規(guī)則垮落帶的重量不受外載荷 (這也是為什么此時支架載荷比較小的原因)，即

式中，Q靜—下位巖層拱上部規(guī)則垮落帶重量。

因而，此時不規(guī)則垮落帶和規(guī)則垮落帶的分布不受上位巖層砌體梁活動的影響。

上位巖層砌體梁活動后期，上位巖層砌體梁下部層失穩(wěn)垮落，形成對下位巖層拱結構的沖擊，即下位巖層拱結構承受外載荷Q動為:

上位巖層下部失穩(wěn)垮落時對下位巖層拱結構的沖擊力，F=mv/Δt;

式中，m——沖擊巖塊的質量;

v——沖擊接觸時速度;

Δt——沖擊作用時間。

對于沖擊動載荷，一般存在兩種情況:

1)下位巖層拱結構上方規(guī)則垮落帶較厚，使之與上位巖層接觸或間隙很小，則上位巖層下部失穩(wěn)巖塊失穩(wěn)造成的沖擊能量被規(guī)則垮落巖層吸收，轉變?yōu)殪o載荷。

式中，x2i——規(guī)則垮落帶彈性壓縮量。

2)下位巖層拱上方的規(guī)則垮落帶高度不足夠，使之與上位巖層有較大間隙時，

則下位巖層拱上方規(guī)則垮落帶上界面與上位巖層下界面之間間隙為:

式中，hz——下位巖層厚度;

hm——煤層厚度;

Kp——下位巖層巖石碎脹系數。由Δh可求算出上位巖層下部失穩(wěn)巖塊沖擊時接觸速度。

由上述兩種情況的分析，可知上位巖層下部失穩(wěn)巖塊形成對下位巖層拱結構的沖擊動載荷的充要條件是:

1)沖擊巖塊應有一定的質量;

2)沖擊時要有一定的自由下落高度，才能達到較大的沖擊速度;

3)直接沖擊作用于下位巖層拱結構上的時間短。

綜放工作面在開采過程中的狀態(tài)及上位巖層的運動狀況，可以通過對圖4的分析來說明。

圖4 圍巖空間及上位巖層運動關系

圖中，L1——上位巖層關鍵塊的長度;

θ——上位巖層關鍵塊的回轉角度;

h1——采高;

h2——頂煤厚度;

h3——下位巖層垮落厚度;

h4——下位巖體充填高度;

h5——下位巖層散體拱的高度;

h6——上位巖層關鍵塊尾端最終高度;

Δh——上位巖層與充填層間的間隙。

上位巖層砌體梁下部層位失穩(wěn)造成的沖擊載荷將由Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)共同承擔，與此同時情況變得較為復雜，由于沖擊載荷較大下位巖層拱上方的規(guī)則垮落帶只能吸收很小一部分載荷轉化為靜載荷，大部分的載荷將沖擊下位巖層拱結構進而使得下位巖層散體拱變形失穩(wěn)，在散體拱通過自我調整不能夠適應應力環(huán)境的變化時，原散體拱將遭到破壞，散體拱將向高位發(fā)展，此時不規(guī)則垮落帶和規(guī)則垮落帶的分布發(fā)生實質性的變化，不規(guī)則垮落帶和規(guī)則垮落帶繼續(xù)向高位發(fā)展。在上位巖層砌體梁活動作用下，下位巖層散體拱變形過程，如圖5所示。

圖5 下位巖層“散體拱”變形演化過程

不規(guī)則垮落帶和規(guī)則垮落帶向高位發(fā)展的情況根據上位巖層砌體梁活動的情況而定，當原散體拱上部的規(guī)則垮落帶全部轉化為不規(guī)則垮落帶的一部分仍不能適應上位巖層砌體梁的活動時，那么，上位巖層砌體梁的下部結構將失穩(wěn)垮落成為規(guī)則垮落帶，通過垮落過程中的自身擠壓形成高位擠壓拱。當高位擠壓拱還是不能適應外部應力時，上位巖層砌體梁結構將繼續(xù)失穩(wěn)垮落，最終將會出現整個采場的圍巖失穩(wěn)，采場圍巖上位巖層結構和下位巖層結構相互作用的結果如圖6所示。

圖6 上、下位巖層結構相互作用結果

3 結論

1)上位巖層結構和下位巖層結構相互作用的實質是上位巖層結構中的關鍵塊的活動和下位巖層“散體拱”結構的相互作用;

2)上位巖層結構的活動通過對下位巖層“散體拱”結構的影響，進而影響下位巖層不規(guī)則垮落帶和規(guī)則垮落帶的分布;

3)下位巖層結構活動并不一定會對下位巖層不規(guī)則垮落帶和規(guī)則垮落帶的分布高度有實質性的影響。

4)上位巖層結構和下位巖層相互作用對垮落帶分布影響的研究，豐富了人們對綜放采場覆巖垮冒規(guī)律的認識。

［1］ 張頂立，錢鳴高.綜放工作面圍巖結構分析［J］.巖石力學與工程報，1997，16(4): 320－326

［2］ 李紅濤，劉長友，汪理全.綜放條件下上位直接頂“散體拱”結構的形成機理及其失穩(wěn)演化研究煤炭學報［J］，2008，33(4): 378－381

［3］ 汪理全，李中頏.煤層 (群)上行開采技術［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1995

［4］ 錢鳴高，劉聽成主編.礦山壓力及其控制(修訂本).北京:煤炭工業(yè)出版社，1992

［5］ 宋振騏主編.實用礦山壓力控制［M］.徐州:中國礦業(yè)大學出版社，1998

［6］ 朱詩順，李鴻昌.綜放工作面支架與圍巖相互作用的研究［J］.礦山壓力與頂板管理，1993，3(4):69－75