淺埋深薄基巖煤層組開采采動(dòng)裂隙演化及臺(tái)階式切落形成機(jī)制

薛東杰,周宏偉,任偉光,張博夫,劉亞群,趙宇峰

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083)

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淺埋深薄基巖煤層組開采采動(dòng)裂隙演化及臺(tái)階式切落形成機(jī)制

薛東杰,周宏偉,任偉光,張博夫,劉亞群,趙宇峰

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083)

摘 要:探索淺埋深薄基巖煤層組開采采動(dòng)裂隙演化對(duì)認(rèn)識(shí)潰水潰砂通道形成機(jī)制具有指導(dǎo)意義?；诖罅V地質(zhì)條件,設(shè)計(jì)相似模擬試驗(yàn),首采1-2上煤層,充分開采后再采1-2煤層。由此,揭示采動(dòng)裂隙演化規(guī)律,指出上煤層采動(dòng)碎脹作用明顯,下煤層采動(dòng)地表下沉線性增長(zhǎng)明顯。利用分形與逾滲理論定量評(píng)價(jià)了采動(dòng)裂隙的演化特征。上煤層開采,根據(jù)周期來壓特征,分維變化劃分2個(gè)線性階段。下煤層開采,非線性受控于上覆煤層引起的分維變化,分形維數(shù)將趨于一個(gè)穩(wěn)定值。進(jìn)一步揭示了采動(dòng)裂隙逾滲概率隨推進(jìn)度的線性關(guān)系的,得到整個(gè)煤層組開采覆巖裂隙非線性演化的2個(gè)臨界狀態(tài)。研究了切落式破壞形成機(jī)制,提出了巖層板簧效應(yīng)并分析了崩塌式切落特征,指出拉破壞是典型切落式臺(tái)階形成的主要原因。

關(guān)鍵詞:淺埋深;煤層組;分維;板簧效應(yīng);崩塌式切落

責(zé)任編輯:常 琛

薛東杰,周宏偉,任偉光,等.淺埋深薄基巖煤層組開采采動(dòng)裂隙演化及臺(tái)階式切落形成機(jī)制[J].煤炭學(xué)報(bào),2015,40(8):1746-1752.doi:10.13225/ j.cnki.jccs.2014.1168

我國(guó)大量賦存埋深在150 m以內(nèi)的淺部煤層,最典型的當(dāng)屬神東礦區(qū),是我國(guó)目前探明儲(chǔ)量最大的煤田,也是世界七大煤田之一,典型賦存特點(diǎn)是淺埋深、薄基巖、厚松散層。類似地質(zhì)條件的煤層也存在于潞安、永城、兩淮和濟(jì)寧等礦區(qū)。早期針對(duì)此類煤層開采過程中,工作面曾出現(xiàn)過頂板臺(tái)階式切落、壓架、潰水、潰砂甚至危及人身安全的重特大事故。實(shí)踐表明,淺埋煤層長(zhǎng)壁工作面開采過程中礦壓不一定小,反而可能表現(xiàn)出礦壓顯現(xiàn)劇烈、工作面支架壓毀、潰砂潰水等不利情況,且頂板普遍出現(xiàn)臺(tái)階下沉現(xiàn)象,難以形成典型的“砌體梁”結(jié)構(gòu),頂板控制極具特殊性。針對(duì)薄基巖淺埋煤層礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律,前蘇聯(lián)學(xué)者П.М.秦巴列維奇提出“臺(tái)階下沉假說”;B.B.布德雷克研究了埋深100 m上覆黏土層的礦壓規(guī)律,發(fā)現(xiàn)頂板冒落時(shí)會(huì)產(chǎn)生動(dòng)載現(xiàn)象。澳大利亞B.霍勃爾瓦依特[1]與Holla[2]對(duì)淺部長(zhǎng)壁開采煤礦進(jìn)行了礦壓規(guī)律實(shí)測(cè)。英國(guó)和美國(guó)也進(jìn)行淺埋深煤層的開采的研究,為控制地表下沉塌陷問題,主要采用房柱式采煤方法[3-4]。印度和南美也采用房柱式開采,進(jìn)行了開采沉陷和煤柱穩(wěn)定性計(jì)算方面的研究[5-7]。隨著我國(guó)神東煤田的開發(fā),薄基巖問題開始引起眾多學(xué)者的注意和研究。侯忠杰等對(duì)大柳塔煤田進(jìn)行礦壓實(shí)測(cè)[8],建立了覆巖全厚整體臺(tái)階切落的判別公式[9-10]。黃慶享等提出了淺埋煤層初次來壓的“非對(duì)稱三角拱”和周期來壓的“臺(tái)階巖梁”結(jié)構(gòu)模型[11-12]。余學(xué)義等對(duì)淺埋煤層覆巖切落裂縫破壞及控制方法進(jìn)行了研究分析[13]。董愛菊等對(duì)淺埋煤層周期來壓動(dòng)載機(jī)理進(jìn)行了研究[14],得出薄基巖淺埋煤層周期來壓期間有明顯的動(dòng)載現(xiàn)象。黃正全對(duì)薄基巖淺埋煤層開采巖移特征與滲水機(jī)理進(jìn)行了分析[15]。李鳳儀等基于彈性力學(xué)建立了上覆巖層的梯度復(fù)合板模型[16]。許家林等分析了工作面回采過程中壓架事故發(fā)生的主要原因[17]。楊峰華揭示了不同巖性組合薄基巖的采動(dòng)破斷機(jī)理,明確了薄基巖的含義[18]。方新秋等認(rèn)為較厚的黏土層和薄基巖組合可以形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),分析了薄基巖厚松散煤層開采的極限基巖厚度[19]。

研究淺埋深、薄基巖、厚松散層賦存條件下,長(zhǎng)壁工作面覆巖(土、砂、水)采動(dòng)裂隙發(fā)育特征以及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,尤其是臺(tái)階式切落形成機(jī)制,對(duì)發(fā)展實(shí)用礦壓估算方法和工作面頂板控制技術(shù),揭示采動(dòng)巖體水砂土耦合滲流規(guī)律具有重要指導(dǎo)意義。不僅為保障淺埋深、薄基巖、厚松散層賦存條件下煤炭資源的安全開采奠定基礎(chǔ),而且可為我國(guó)煤炭資源的高效、安全、綠色開采提供必要的理論基礎(chǔ)。

1 煤層組相似模擬試驗(yàn)

1.1 地質(zhì)概況

大柳塔井田位于神木縣城西北,烏蘭木倫河?xùn)|側(cè)約52.5 km。井田范圍東西向長(zhǎng)度為10.5~13.9 km,南北向?qū)挾葹?.1~10.5 km。地層近似水平,斷層稀少,屬于鄂爾多斯沉積盆地中生代。地層不整合覆于基巖之上,分為上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)。上更新統(tǒng)分為3個(gè)組:①三門組:厚度0~45.7 m,平均11.77 m,巖性為礫石巖,夾多層礫質(zhì)黏土。②離石組:底部為砂礫石層,上部以黃土為主。③薩拉烏蘇組:厚度0~75.3 m,平均18.85 m,巖性為黏土質(zhì)中、細(xì)砂為主。全新統(tǒng)分為沖洪積層和分積層。沖積層下部由砂礫石和中粒砂構(gòu)成,厚度0~12.45 m;上部構(gòu)成為淺黃色中細(xì)砂、粉砂質(zhì)黏土、黏土質(zhì)粉砂,厚度1~10 m。風(fēng)積砂廣闊分布于井田地層,由淺黃色細(xì)砂、粉砂組成,厚度0~15 m。含煤地層為延安組,因遭受后期沖刷、剝蝕殘余厚度6.62~243.50 m,平均195.24 m。

以活雞兔井1-2煤層綜放工作面開采為研究對(duì)象,地面標(biāo)高為1 187.7~1 241.2 m,煤層底板標(biāo)高為1 124~1 140 m,平均煤厚為4.20 m。12312切眼外旺采工作面位于1-2煤三盤區(qū)集中輔運(yùn)大巷南東側(cè),上方為1-2上310切眼外旺采區(qū),該采區(qū)已于2009年采空。本旺采區(qū)與上覆采空區(qū)的層間距為19~21 m,上覆采空區(qū)中可能有積水。

1.2 相似模型及試驗(yàn)平臺(tái)

試驗(yàn)采用平面應(yīng)力二維試驗(yàn)臺(tái),尺寸為: 1 800 mm×400 mm×1 300 mm(長(zhǎng)×寬×高)。幾何相似比αL= 100,容重相似比αγ= 1.6,強(qiáng)度相似比ασ=αLαγ= 160。鋪設(shè)高度為1 126.7 mm,地表距1 - 2上煤層鋪設(shè)高度742 mm, 1 - 2上煤層厚34.8 mm, 1 - 2煤層厚42 mm,煤層凈間距22.4 mm,模型沿傾向概貌如圖1所示。每次開采50 mm,每2 h采一次。

圖1　相似模型開采示意Fig.1 Sketch map of physical modeling

2 采動(dòng)裂隙演化規(guī)律

2.1 上層開采裂隙演化(1-2上煤層)

隨著上煤層開采,推進(jìn)45 m后,直接頂初步垮落,垮高2.5 m,垮長(zhǎng)40 m。推進(jìn)到60 m時(shí),出現(xiàn)離層,中部發(fā)生裂斷,已斷裂的巖塊回轉(zhuǎn)失穩(wěn),垮高13 m,此時(shí)為工作面初次來壓。推進(jìn)到75 m時(shí)首次出現(xiàn)周期來壓,垮高31 m。推進(jìn)到95 m發(fā)生第2次周期來壓,垮落高度為43 m,此后,分別推進(jìn)到110 m 及130 m時(shí)出現(xiàn)周期來壓,垮落高度分別為52, 75 m,來壓期間有明顯的頂板臺(tái)階下沉現(xiàn)象(圖2)。工作面總長(zhǎng)度130 m,推進(jìn)到工作面末端時(shí),采動(dòng)影響波及地表,出現(xiàn)下沉,形成地表塌陷。

圖2　1-2上煤層開采裂隙生成及演化Fig.2 Generation and evolution of cracks when mining 1-2upcoal seam

煤層開采后頂板的垮落主要形成明顯的垮落帶、斷裂帶“兩帶”,彎曲下沉帶也有所發(fā)育?？迓鋷Ц叨纫话阍?2 m左右,大約為采高的4倍,對(duì)上覆斷裂帶巖體起到支撐作用;斷裂帶高度為33 m,出現(xiàn)明顯縱向斷裂帶。斷裂帶上部邊緣至地表為彎曲下沉帶,彎曲下沉帶的豎向裂隙較少,但整體縱向裂隙結(jié)合離層裂隙貫穿地表至工作面采空區(qū)全部區(qū)域。由于碎脹作用明顯,上部彎曲下沉比預(yù)估值要小。

根據(jù)推進(jìn)度、垮落高度關(guān)系曲線及上覆裂隙頂部垮落寬度,可以得到垮落破裂角的演化曲線(圖3),開挖過程中未垮落的推進(jìn)度不計(jì)。隨著推進(jìn)度的增加,一開始垮落破裂角增長(zhǎng)較大,因?yàn)槠鹗茧A段是擾動(dòng)的初始階段,尚未形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。當(dāng)推進(jìn)到一定距離(臨界值約60 m)后,線性擬合,斜率非常小,基本成穩(wěn)定緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì),破裂角α的范圍基本維持在區(qū)間50°~65°,最終穩(wěn)定破裂角維持在60°左右。根據(jù)擬合關(guān)系,當(dāng)α=90°時(shí),推進(jìn)度約為691 m,此時(shí)才會(huì)出現(xiàn)典型的臺(tái)階式切落,而事實(shí)上α并不會(huì)隨著推進(jìn)度的增加不斷增加,尤其是達(dá)到充分開采時(shí),α值趨于穩(wěn)定。從這里可以看出,試驗(yàn)結(jié)果整體上還是以剪切破壞為主,這與很多室內(nèi)相似模擬試驗(yàn)?zāi)M淺埋深薄基巖破壞的效果一致[9-15]。

圖3　1-2上煤層開采破裂角變化趨勢(shì)Fig.3 Tendency of fractured angle when mining 1-2upcoal seam

2.2 下層開采裂隙演化(1-2煤層)

上煤層開采結(jié)束,垮落穩(wěn)定,形成采空區(qū)。隨后開采下煤層,推進(jìn)50 m,頂板巖層及上覆采空區(qū)出現(xiàn)垮落,臺(tái)階下沉明顯,冒落高度為51 m,為下煤層采高的12.75倍。工作面初次來壓后,繼續(xù)推進(jìn)到70 m時(shí),出現(xiàn)首次周期性垮落,垮落帶延伸到距下煤層底板73 m處,為采高的18.25倍。繼續(xù)推進(jìn)10,5, 15 m,出現(xiàn)周期性垮落,垮落帶高度發(fā)育到距下煤層底板75 m處,為采高的18.75倍。周期來壓期間地表明顯下沉,最大沉降4.7 m,推進(jìn)到100 m時(shí),煤層充分開采,地表的影響范圍相應(yīng)擴(kuò)大,但地表最大沉降不再增加(圖4)。

上煤層充分開采后,由于巖石碎脹作用,地表塌陷極值約1 m,之后開采下煤層,地表最大下沉量w線性增長(zhǎng)明顯(圖5),當(dāng)開采至130 m時(shí),下沉量增加了約4倍,遠(yuǎn)大于上覆煤層開采產(chǎn)生的沉降量。事實(shí)上兩煤層厚度差別并不大,碎脹作用與上覆巖層冒落高度有著正向關(guān)系,下煤層的絕對(duì)上覆巖層較厚,碎脹作用應(yīng)該明顯,而實(shí)際上開采順序?qū)е铝讼旅簩拥拈_采碎脹作用主要是由于上煤層開采導(dǎo)致的。從圖4可以看出,兩層煤中間覆巖厚度并不大,雖然上覆煤層開采的卸壓作用可以在一定程度上增加碎脹作用。但當(dāng)中間覆巖垮落時(shí),上覆冒落結(jié)構(gòu)對(duì)其產(chǎn)生了沖擊作用,一方面中間覆巖破碎較劇烈,但破裂結(jié)構(gòu)整體排列較為一致,另一方面沖擊作用重新壓實(shí)破裂結(jié)構(gòu),這都削弱了碎脹效果。而上煤層上覆破裂結(jié)構(gòu)的再次破壞,導(dǎo)致其不同結(jié)構(gòu)重新分離或接觸整合,形成更加明顯的裂隙導(dǎo)通帶,這為潰砂潰水的形成提供了條件。從沉降增量來看,每次垮落時(shí),沉降增加約0.5 m,隨推進(jìn)度變化并不大,這是由于上覆煤層開采已經(jīng)達(dá)到充分開采,下伏煤層開采時(shí)變化比較穩(wěn)定。

圖4　1-2煤層開采裂隙生成及演化Fig.4 Generation and evolution of cracks when mining 1-2 coal seam

圖5　1-2煤層開采地表下沉曲線Fig.5 Continuous changes of surface subsidence

3 采動(dòng)裂隙演化非線性定量分析

3.1 采動(dòng)覆巖裂隙網(wǎng)絡(luò)分維特征演化

根據(jù)相似模擬試驗(yàn)不同推進(jìn)度下裂隙演化圖片,利用面積覆蓋法[20]計(jì)算其分維值,得到不同推進(jìn)度下裂隙網(wǎng)絡(luò)分形維數(shù)關(guān)系。圖6為開采1-2上煤層與1-2上覆整體裂隙網(wǎng)絡(luò)分維值與推進(jìn)度的關(guān)系。開采上煤層推進(jìn)到75 m時(shí),進(jìn)入周期來壓階段。由此分維變化可以劃分2個(gè)線性階段,周期來壓前,分維為D=0.87+0.007 4x,之后分維D=1.31+0.001 4x。前一階段分維變化較之后劇烈,這說明周期來壓之前,即開切眼至工作面初次來壓時(shí)間,采場(chǎng)整體裂隙發(fā)育非線性特征明顯,是裂紋網(wǎng)絡(luò)形成的初始激增時(shí)期。之后來壓步距穩(wěn)定,裂紋網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定擴(kuò)展,分維也呈線性遞增特征。下煤層開采裂隙網(wǎng)絡(luò)主要是中間覆巖裂隙的生成增長(zhǎng)與上煤層上覆生成裂隙的再閉合與再生長(zhǎng),但由于中間覆巖較薄且容易壓密,此時(shí)的非線性還是受控于上覆煤層引起的分維變化。下伏煤層開采裂紋網(wǎng)絡(luò)分形維數(shù)擬合為D = 1.49 + 0.000 5x,線性特征明顯,但近似水平,說明隨著推進(jìn)度的增加,分形維數(shù)將趨于一個(gè)穩(wěn)定值,約1.49。

圖6　上、下煤層開采裂隙網(wǎng)絡(luò)分維與推進(jìn)度的關(guān)系Fig.6 Relationship between fractal dimension and advancing distance when mining upper coal seam before lower

3.2 采動(dòng)覆巖裂隙網(wǎng)絡(luò)逾滲特征演化

在無序介質(zhì)中,流體可以進(jìn)行無規(guī)律的隨意擴(kuò)散和任意流動(dòng),在研究此種現(xiàn)象時(shí)經(jīng)常采用的方法是借助逾滲理論構(gòu)建逾滲模型[21]。煤層采動(dòng)過程中上覆巖層裂隙演化處于隨機(jī)和無序的狀態(tài),分布較復(fù)雜。為了定量描述采動(dòng)裂隙的連通發(fā)育程度,首先確定橫向裂隙、縱向裂隙以及最大連通團(tuán)對(duì)為研究對(duì)象,基于像素單元建立逾滲網(wǎng)格模型(圖7),對(duì)不同推進(jìn)度下的覆巖裂隙圖進(jìn)行不同尺寸的劃分。

圖7　逾滲網(wǎng)格模型(開采上煤層推進(jìn)130 m時(shí))Fig.7 Percolative grid when mining upper coal seam atadvancing distance of 130 m lower

圖8分別為上煤層和下煤層開采過程中橫縱裂隙及最大團(tuán)所占格子數(shù)量演化曲線。隨著上煤層開采不斷進(jìn)行,橫縱裂隙數(shù)量不斷增加,縱向裂隙數(shù)量大于橫向裂隙數(shù)量。初次垮落后,橫向裂隙一直不斷增長(zhǎng),增長(zhǎng)幅度基本不變,呈直線增長(zhǎng)趨勢(shì)?？v向裂隙與裂隙最大連通團(tuán)格點(diǎn)數(shù)增長(zhǎng)曲線基本一致。下煤層開采過程中,隨著工作面不斷推進(jìn),橫縱裂隙在原有裂隙基礎(chǔ)上,繼續(xù)增長(zhǎng)發(fā)育。最大連通團(tuán)所占格點(diǎn)數(shù)不斷增加,增長(zhǎng)趨勢(shì)與縱向裂隙仍然保持基本一致?？梢娮畲筮B通團(tuán)受控于縱向裂隙的發(fā)展,而最大連通團(tuán)對(duì)裂隙的導(dǎo)通尤為重要。

圖8　橫縱裂隙及最大團(tuán)所占格子數(shù)量與推進(jìn)度關(guān)系Fig.8 Grids of the biggest cluster and different cracks with advancing distance

在上下煤層順序開采過程中,上煤層采動(dòng)裂隙逾滲概率迅速增長(zhǎng)(圖9),呈線性關(guān)系,逾滲概率為p=-12.81+0.34x,在煤層開采到末端,即工作面推進(jìn)至130 m時(shí),逾滲概率為33.727%,地表出現(xiàn)明顯下沉,橫縱裂隙貫通地表與上煤層采空區(qū)。下煤層采動(dòng)裂隙概率緩慢增長(zhǎng),逾滲概率線性擬合為p=32.14+ 0.11x。下煤層開采50 m時(shí),逾滲概率上升為38.613%,此時(shí)工作面來壓劇烈,中間覆巖大面積垮落,裂隙貫通上下煤層采空區(qū),之后增長(zhǎng)相對(duì)緩慢,這是整個(gè)煤層組開采覆巖裂隙非線性演化的2個(gè)臨界狀態(tài)。

圖9　上煤層開采過程中逾滲概率演化曲線Fig.9 Variation curves of percolation probability in the up coal seam mining process

4 覆巖土(砂)切落模型及臺(tái)階式切落形成機(jī)制

由本文第3節(jié)采動(dòng)裂隙演化分析指出,室內(nèi)相似模擬試驗(yàn)覆巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性主要是受控于剪切破壞,形式表現(xiàn)為覆巖破裂角的變化分析。典型的臺(tái)階式切落塌陷特征并不明顯,而石平五教授在大柳塔監(jiān)測(cè)6次周期來壓均發(fā)生沿煤壁的切頂臺(tái)階(圖10)。其主要特征表現(xiàn)為破裂面與上覆巖層層理方向近似90°角,即剪切面平行于剪切力方向,由室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得知,這種情況只有在嚴(yán)格約束側(cè)限變形的條件下才能形成,而且主要是以砂土介質(zhì)為主。另一方面試驗(yàn)結(jié)果中也存在著90°角破裂面,尤其是頂部垮落前中部部分,當(dāng)垮落時(shí)勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,接觸底板時(shí),沖擊作用形成了相互平行的90°破裂面。假如僅僅考慮巖梁作用,上覆等效載荷,理論上在梁上端兩側(cè)也應(yīng)形成類似拉裂區(qū),但由于板簧效應(yīng)的存在及等效荷載的側(cè)限約束作用(圖11),并不會(huì)造成明顯的拉破壞,這也是深部破裂角受控于剪切破壞的外在因素(板簧效應(yīng)是指由于層間摩擦作用形成的臺(tái)階式自穩(wěn)結(jié)構(gòu),類似于汽車彈簧)。而淺埋深上覆采場(chǎng)并不能滿足側(cè)限條件,而且由應(yīng)力主導(dǎo)的剪應(yīng)力絕對(duì)值也并沒有那么大。如果剪應(yīng)力足夠大破壞十分突然,有可能形成快剪。從整體考慮,淺埋深厚度也接近150 m左右,因此整體快剪形成的地質(zhì)條件并不具備。因此切落式破壞中的“切”更多含義是指切落式特征,而非切破壞,相反是拉破壞,其才是形成如此典型的切落式臺(tái)階的主要原因。

淺部煤層也存在著板簧效應(yīng),但是淺部覆巖較薄,削弱了板簧效應(yīng)產(chǎn)生的自穩(wěn)結(jié)構(gòu),另一方面上覆砂土對(duì)巖石的側(cè)限約束作用有限,因此淺部開采會(huì)首先在頂部巖梁兩側(cè)形成拉破壞,同時(shí)在工作面上方存在著剪切破壞隱患。此時(shí)若無砂土作用,頂部拉裂隙隨著推進(jìn)度的增加向前方轉(zhuǎn)移,形成排列狀拉裂隙,轉(zhuǎn)移后,后方裂紋趨于閉合,并不會(huì)向縱深發(fā)展,而頂板剪切破壞的可能性越來越大,破壞效果與深部一致。隨著推進(jìn)度增加,當(dāng)混合砂土進(jìn)入上部拉裂隙,覆巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)趨勢(shì)明顯,拉裂隙隨之向下拓展延伸,越往下水應(yīng)力與主動(dòng)砂土應(yīng)力越大,裂縫發(fā)展越迅速,延伸至工作面,最終形成切落式破壞。也有可能拉裂隙拓展與剪切裂隙同時(shí)發(fā)展,最后貫通,形成拉剪組合破壞,這取決地質(zhì)材料力學(xué)特征及開采進(jìn)度等因素。一旦形成明顯的貫通覆巖的水砂輸運(yùn)通道,這就為潰砂潰水形成了條件。更關(guān)鍵的是隨著推進(jìn)度增加,上覆巖層拉破壞形成更容易,因?yàn)檩斶\(yùn)通道的形成無法對(duì)前方覆巖形成有效的約束作用,當(dāng)拉裂縫貫入一定深度,在上覆壓力與水土耦合的作用下,會(huì)形成崩塌式切落,造成沖擊,帶來安全生產(chǎn)隱患,此時(shí)工作面頂部可能是拉破壞也可能是快剪破壞。值得說明的是即使現(xiàn)在沒有水砂作用于裂縫,當(dāng)上覆巖石重量足夠大時(shí),也有可能形成崩塌破壞。可見通道的形成會(huì)引起開采的連鎖效應(yīng),通道形成越多,側(cè)限約束越弱,崩塌形成條件越充分。因此無論是開采引起的通道還是斷層等天然通道,都要給予充分的重視。從上述分析,如若在室內(nèi)試驗(yàn)得到切落式破壞特征,必須滿足上述條件才有可能,因此以后在設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)要充分考慮淺埋深特征。

圖10　典型切落式破壞[8]Fig.10 Typical stepped shearing-induced failure[8]

圖11　巖層板簧效應(yīng)示意Fig.11 Sketch of rock seam spring effect

5 結(jié) 論

(1)上煤層采動(dòng),碎脹作用明顯,上部彎曲下沉比預(yù)估值要小。推進(jìn)到臨界值約60 m后,破裂角呈線性緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì),達(dá)到充分開采時(shí),α值趨于穩(wěn)定,最終穩(wěn)定破裂角維持在60°左右,以剪切破壞為主。下煤層采動(dòng),地表最大下沉量w線性增長(zhǎng)明顯,主要原因?yàn)橹虚g覆巖破裂結(jié)構(gòu)整體排列一致且沖擊作用重新壓實(shí)削弱了碎脹效果。上煤層上覆破裂結(jié)構(gòu)的再次破壞,導(dǎo)致其不同結(jié)構(gòu)重新分離或接觸整合,形成更加明顯的裂隙導(dǎo)通帶,這為潰砂潰水的形成提供了條件。

(2)上煤層開采,覆巖裂隙分維變化劃分2個(gè)線性階段,周期來壓前,分維為D = 0.87+0.007 4x,之后分維D= 1.31+0.001 4x。前周期來壓之前,裂隙發(fā)育非線性特征明顯,是裂紋網(wǎng)絡(luò)形成的初始激增時(shí)期。之后裂紋網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定擴(kuò)展。下煤層開采裂隙網(wǎng)絡(luò)主要是中間覆巖裂隙的生成增長(zhǎng)與上煤層上覆生成裂隙的再閉合與再生長(zhǎng),非線性受控于上覆煤層引起的分維變化。下伏煤層開采裂紋網(wǎng)絡(luò)分形維數(shù)擬合為D=1.49+0.000 5x,分形維數(shù)將趨于一個(gè)穩(wěn)定值, 約1.49。

(3)上煤層采動(dòng)裂隙逾滲概率迅速增長(zhǎng),呈線性關(guān)系,逾滲概率為p = -12.81+0.34x,工作面推進(jìn)至130 m時(shí),逾滲概率為33.727%,地表出現(xiàn)明顯下沉,橫縱裂隙貫通地表與上煤層采空區(qū)。下煤層采動(dòng)裂隙逾滲概率線性擬合為D=32.14+0.11x。下煤層開采50 m時(shí),逾滲概率上升為38.613%,此時(shí)工作面來壓劇烈,中間覆巖大面積垮落,裂隙貫通上下煤層采空區(qū),之后增長(zhǎng)相對(duì)緩慢,這是整個(gè)煤層組開采覆巖裂隙非線性演化的2個(gè)臨界狀態(tài)。

(4)切落式破壞中的“切”更多含義是指切落式特征,而非切破壞,相反是拉破壞,是形成典型切落式臺(tái)階的主要原因。淺部煤層也存在著板簧效應(yīng),但是淺部覆巖較薄,削弱了板簧效應(yīng)產(chǎn)生的自穩(wěn)結(jié)構(gòu)。拉壞或者拉剪組合破壞是形成切落式破壞的主要原因。崩塌式切落工作面頂部可能是拉破壞也可能是快剪破壞。

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Stepped shearing-induced failure mechanism and cracks propagation of overlying thin bedrocks in shallow deep coal seams mining

XUE Dong-jie,ZHOU Hong-wei,REN Wei-guang,ZHANG Bo-fu,LIU Ya-qun,ZHAO Yu-feng

(School of Mechanics and Civil Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

Abstract:To study on the cracks propagation of overlying thin bedrocks in shallow deep coal seams mining is useful for understanding the stepped shearing-induced failure mechanism of overlying thin bedrocks.Based on the geology in Daliuta coal mine,the physical model was designed for mining 1-2upcoal seam first,then 1-2 coal seam below.The analysis on the evolution of mining-induced cracks was made in the study.Broken-induced volumetric expansion is obvious in mining the upper coal,as well as surface subsidence increases in mining the lower coal.According to periodic weighting,there are two linear stages of fractal dimension in mining the upper coal.After mining the lower coal,the fractal dimension will tend to be a stable value.Furthermore the percolate probability shows a linear relationship with the advancing distance,and two critical states have been obtained.Finally the study on the formation mechanism of stepped shearing-induced failure is made.The rock seam spring effect and tension-induced collapse are proposed,and the main reasons about stepped shearing-induced failure by tension are provided.

Key words:shallow deep;coal seams;fractal dimension;rock seam spring effect;tension-induced collapse

作者簡(jiǎn)介:薛東杰(1986—),男,山東微山人,博士,博士后。E-mail:xuedongjie@163.com

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(51134018);中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014M550102);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(2010YL07)

收稿日期:2014-09-08

中圖分類號(hào):TD325

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0253-9993(2015)08-1746-07