雙層厚硬火成巖破斷的力學(xué)分析

白向東

(晉城煤炭規(guī)劃設(shè)計(jì)院)

雙層厚硬火成巖破斷的力學(xué)分析

白向東

(晉城煤炭規(guī)劃設(shè)計(jì)院)

針對(duì)某礦上覆雙層厚硬火成巖，采用關(guān)鍵層理論分析確定了主、亞關(guān)鍵層的位置及破斷順序，并運(yùn)用薄板理論和納維葉解法對(duì)火成巖的破斷位置進(jìn)行了分析計(jì)算,得出以下結(jié)論：下位火成巖為主關(guān)鍵層，上位火成巖的破斷隨下位火成巖破斷而破斷，火成巖破斷時(shí)的跨距為246 m，對(duì)應(yīng)10416工作面推進(jìn)長(zhǎng)度為326～372 m。并在工作面支架工作阻力監(jiān)測(cè)得到了驗(yàn)證，為類似條件礦井生產(chǎn)提供了指導(dǎo)。

雙層厚硬火成巖 關(guān)鍵層 薄板理論 破斷

1 工程概況

某礦目前主采煤層為10煤，上覆巖層含有兩層火成巖，至10煤的距離分別約為110，230 m，兩層火成巖厚度分別約為47，26 m?；鸪蓭r成分以中性閃長(zhǎng)巖為主，其抗壓強(qiáng)度高達(dá)80～160MPa，屬堅(jiān)硬巖層。隨著采空區(qū)面積的增大，頂板失去支撐，火成巖破斷、運(yùn)移，將引發(fā)沖擊礦壓，對(duì)工作面支護(hù)系統(tǒng)、巷道造成極大的破壞，并且極有可能引發(fā)瓦斯突出、透水等次生災(zāi)害。

該礦首采10414工作面已收作，開(kāi)始回采10416工作面，煤層平均厚度3.2 m，平均傾角4°，走向長(zhǎng)度1 160 m，切眼傾斜長(zhǎng)180 m，圖1為采掘現(xiàn)狀示意圖。

圖1 采掘現(xiàn)狀示意

2 火成巖破斷規(guī)律分析

2.1 基于關(guān)鍵層理論的火成巖破斷規(guī)律分析

在煤系巖層中，由于成巖時(shí)間和礦物成份等不同，使各巖層在厚度和力學(xué)性質(zhì)等方面存在著不同程度的差別?；鸪蓭r是火山爆發(fā)時(shí)巖漿沿其通道流經(jīng)其地層裂隙和地表冷卻后而形成的巖層，巖性一般較為堅(jiān)硬，往往比較容易成為關(guān)鍵層，因而其破斷直接影響采場(chǎng)礦壓、巖層移動(dòng)和地表沉陷。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)R414-1鉆孔中10煤覆巖工程地質(zhì)性質(zhì)測(cè)試指標(biāo)，運(yùn)用覆巖關(guān)鍵層判別原則[1-3]，判斷10414工作面10煤覆巖關(guān)鍵層位置，如表1。

關(guān)鍵層判斷結(jié)果表明：

(1)10煤層上覆巖層中存在5層厚硬巖層，第4層硬巖(47.01 m厚閃長(zhǎng)玢巖)為主關(guān)鍵層，其余為亞關(guān)鍵層。

(2)47.01 m厚的下位火成巖控制了包含25.86 m厚的上位火成巖在內(nèi)的上覆巖土層的移動(dòng)變形；12.45 m厚的細(xì)砂巖控制了下位火成巖底面以下累計(jì)厚度為11.76 m巖層的移動(dòng)變形。

(3)根據(jù)相鄰硬巖層破斷順序與關(guān)鍵層主次,判別其破斷順序?yàn)椋河矌r層1先于硬巖2破斷，硬巖層2先于硬巖3破斷；下位火成巖為主關(guān)鍵層，硬巖層4、5發(fā)生同步破斷。

2.2 基于板假設(shè)的火成巖破斷距分析

2.2.1 火成巖破斷的力學(xué)模型及求解

當(dāng)開(kāi)采煤層上方賦存巨厚大面積堅(jiān)硬致密巖層(火成巖)時(shí)，隨著工作面的不斷回采，煤層上方其他巖層在其自重與上覆巖層共同作用下，逐漸產(chǎn)生離層，離層至巨厚巖層下方時(shí)，因火成巖的抗拉強(qiáng)度、彈性模量遠(yuǎn)比其他巖層要大，使火成巖巖層與下覆其他巖層產(chǎn)生沉降差。且因火成巖厚度巨大，這種沉降差無(wú)法閉合，最終形成了“兩端固支梁”結(jié)構(gòu)形式。隨著采空區(qū)范圍的不斷擴(kuò)大，火成巖達(dá)到極限跨距而破斷。力學(xué)模型如圖2所示。

表1 10414工作面覆巖關(guān)鍵層位置(R414-1孔資料)

圖2 火成巖破斷力學(xué)模型

2.2.1.1 傾向方向

只有當(dāng)火成巖傾向長(zhǎng)度懸露達(dá)到極限距離時(shí)，隨著走向的不斷推進(jìn)，才有可能發(fā)生破斷、垮落。傾向極限垮距L可由下式求出：

(1)

式中，H1為火成巖厚度，m；RT為火成巖的單向抗拉強(qiáng)度，MPa；q為火成巖上覆巖層單位載荷，MPa；∑H為10煤煤層與火成巖之間巖層的總厚度，m；β為巖層移動(dòng)角，(°)。

2.2.1.2 走向方向

根據(jù)表1，下位火成巖厚度為47.0m，距離10煤116.8 m；上位火成巖厚度為25.9m，距離10煤226 m。10414、10416工作面傾向和走向長(zhǎng)度分別為180，1 180 m。所以，10416回采之后，下位火成巖厚度與總傾向長(zhǎng)度的比值約為1∶8(上位火成巖約為1∶14)，由薄板理論[4]可知，可以將火成巖看作薄板進(jìn)行研究。采用納維葉解法[5-6]對(duì)矩形薄板小撓度問(wèn)題進(jìn)行求解，可以得出：

(2)

式中,E為火成巖彈性模量，Pa；Q為火成巖上覆巖層均布載荷，kN/m2；h為火成巖巖層厚度，m；D為火成巖彎曲剛度。

當(dāng)已知火成巖的單向抗拉強(qiáng)度，上覆巖層載荷，火成巖巖層厚度，以及開(kāi)采寬度b時(shí)，可由式(2)求得火成巖破斷時(shí)工作面推進(jìn)長(zhǎng)度。

隨著火成巖下工作面沿走向方向不斷推進(jìn)，下部巖層開(kāi)始彎曲下沉、破斷，火成巖因失去巖層支撐而斷裂，其跨距為：

L=l+2∑Hcotβ,

(3)

式中，l為10煤工作面的推進(jìn)長(zhǎng)度,m；∑H為10煤與火成巖之間的距離，m；β為巖層移動(dòng)角，65°～75°。

2.2.2 下位火成巖破斷分析

下位火成巖厚度為47.0 m，距離10煤109.4 m。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室火成巖巖樣測(cè)定結(jié)果，取單向抗拉強(qiáng)度9.82 MPa，巖層移動(dòng)角60°～70°。由式(1)計(jì)算得：L=284～330 m .所以，10414工作面回采后，火成巖不會(huì)破斷。但是，10416工作面回采后，采空區(qū)的寬度將會(huì)達(dá)到360m，大于火成巖的極限破斷距，火成巖將會(huì)發(fā)生破斷。

取開(kāi)采寬度b為360 m，由式(2)計(jì)算得,a≈246 m，再由式(3)計(jì)算出火成巖破斷時(shí)的推進(jìn)長(zhǎng)度為326～372 m。

則火成巖破斷時(shí)的跨距為246 m，對(duì)應(yīng)10416工作面推進(jìn)長(zhǎng)度在326～372 m時(shí)，火成巖可能會(huì)發(fā)生破斷。

2.2.3 上位火成巖破斷分析

由R414-1鉆孔綜合柱狀圖可以得知，上位火成巖厚度為25.9 m，距離10煤229.3 m。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室火成巖巖樣測(cè)定結(jié)果，取單向抗拉強(qiáng)度為 8.23 MPa，巖層移動(dòng)角60°～70°。由式(1)計(jì)算L=199～297 m.

上位火成巖的破斷距小于下位火成巖，下位火成巖強(qiáng)度和厚度均大于上位火成巖，下位火成巖作為主關(guān)鍵層控制著上覆巖層的破斷與垮落。所以，上位火成巖在10416工作面回采期間，將隨下位火成巖破斷而破斷。

3 火成巖破斷的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

采用KJ216綜采支架工作阻力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及配套設(shè)備，測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 支架工作阻力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意

圖4為部分測(cè)站10～12月的支架工作阻力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線，數(shù)據(jù)記錄間隔為5 s。

圖4 10416工作面支架工作阻力監(jiān)測(cè)曲線

由圖4可以看出，10月份支架工作阻力基本為20～35 MPa，普遍較低，這是因?yàn)樵撛鹿ぷ髅孢^(guò)小斷層，推進(jìn)速度慢，頂板活動(dòng)較弱。進(jìn)入11月，工作面推進(jìn)速度加快(該月進(jìn)尺105.6 m)，頂板活動(dòng)較為活躍，支架工作阻力開(kāi)始升高，基本維持在35 MPa，最大達(dá)到50 MPa以上。尤其是在11月20日之后，支架的工作阻力不僅高，而且實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)比較密集，說(shuō)明此時(shí)間段內(nèi)火成巖可能發(fā)生破斷，導(dǎo)致頂板來(lái)壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈。12月份以來(lái)，支架的工作阻力也較大，這是由于推進(jìn)加快(該月進(jìn)尺110.9 m)和火成巖破斷下沉影響煤層覆巖運(yùn)動(dòng)所致，但是比11月底要小，說(shuō)明火成巖破斷的來(lái)壓比較明顯，表明火成巖破斷的支架工作阻力監(jiān)測(cè)和理論分析計(jì)算結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)關(guān)鍵層的剛度條件和強(qiáng)度條件，確定上覆巖層含有5層關(guān)鍵層，下位火成巖為主關(guān)鍵層，下位火成巖的破斷、運(yùn)移直接對(duì)煤層開(kāi)采礦壓規(guī)律和地表下沉規(guī)律產(chǎn)生決定性的影響。

(2)由于火成巖的厚度遠(yuǎn)小于煤層采空區(qū)寬度，可以將火成巖視作為薄板。利用納維葉解法對(duì)火成巖的破斷位置進(jìn)行分析計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在10416工作面的開(kāi)采過(guò)程中，上覆雙層火成巖都將會(huì)破斷，破斷位置為10416工作面推進(jìn)326～372 m時(shí)。

(3)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，對(duì)工作面支架工作阻力監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果表明支架工作阻力在火成巖破斷前后變化明顯，證明了火成巖破斷理論分析的正確性。

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2014-07-30)

白向東(1975—)，男，工程師，048000 山西省晉城市黃華街錦華商務(wù)大廈B1002。