高位硬厚巖層下采場(chǎng)覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律及采動(dòng)應(yīng)力演化規(guī)律

武泉林

(濟(jì)寧學(xué)院，山東省曲阜市，273100)

★ 煤炭科技·開(kāi)拓與開(kāi)采 ★

高位硬厚巖層下采場(chǎng)覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律及采動(dòng)應(yīng)力演化規(guī)律

武泉林

(濟(jì)寧學(xué)院，山東省曲阜市，273100)

針對(duì)工作面上覆巨厚堅(jiān)硬巖漿巖條件，運(yùn)用相似模擬試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，分別研究了硬厚巖層下采場(chǎng)覆巖運(yùn)動(dòng)和采動(dòng)應(yīng)力演化規(guī)律。研究結(jié)果表明，工作面上覆巖漿巖時(shí)，覆巖破斷的關(guān)鍵階段分別為直接頂破斷、基本頂初次破斷、基本頂周期破斷、巖漿巖初次破斷和巖漿巖周期破斷(裂隙溝通地表)；硬厚巖漿巖破斷前，隨著工作面的不斷推進(jìn)，煤體支承壓力不斷增加；硬厚巖漿巖破斷后，采場(chǎng)支承壓力要小于破斷前。

硬厚巖漿巖 相似模擬 覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律 數(shù)值模擬 采動(dòng)應(yīng)力

隨著煤礦開(kāi)采深度、開(kāi)采強(qiáng)度的增加，礦震、沖擊地壓、煤與瓦斯突出等動(dòng)力現(xiàn)象日漸嚴(yán)重。相關(guān)資料表明，在工作面上覆高位單層或多層硬厚關(guān)鍵層條件下更易引發(fā)采場(chǎng)礦壓事故。因此，正確掌握并運(yùn)用上覆高位硬厚巖層頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律及采動(dòng)應(yīng)力演化規(guī)律，對(duì)工作面安全生產(chǎn)有重要的意義。本文采用相似模擬試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，研究了硬厚巖層下采場(chǎng)覆巖的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和采動(dòng)應(yīng)力演化規(guī)律，為以后相似條件下工作面安全開(kāi)采提供了可靠的依據(jù)。

1 相似模擬試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)置

相似模型設(shè)計(jì)是以淮北楊柳煤礦地層巖石力學(xué)參數(shù)為依據(jù)，在相似模擬試驗(yàn)臺(tái)上設(shè)計(jì)2個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停謩e模擬上覆單層、雙層巖漿巖條件下，采場(chǎng)覆巖運(yùn)動(dòng)情況。巖漿巖厚度為60 m，與開(kāi)采煤層的間距為80 m，設(shè)計(jì)煤層開(kāi)采厚度為8 m。

1.2 參數(shù)選擇

按照相似理論和以往經(jīng)驗(yàn)確定相似模擬試驗(yàn)比，其中幾何相似比為1:200，容重相似比為1:1.5，彈性模量相似比為1:300，時(shí)間相似比為1:14。在本次試驗(yàn)中，相似模擬材料以細(xì)沙作為骨料，石膏和碳酸鈣為膠結(jié)材料。為了方便試驗(yàn)操作，在不改變?cè)形锢硇再|(zhì)條件下，對(duì)不起主要作用的巖層進(jìn)行了合并。為了區(qū)分各個(gè)巖層，用云母粉作為分層材料。對(duì)應(yīng)原型巖層的單軸抗壓強(qiáng)度，根據(jù)相似理論和相似條件，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到各個(gè)巖層的單向抗壓強(qiáng)度，選取相對(duì)應(yīng)的材料配比，各巖層參數(shù)及配比見(jiàn)表1。

表1 模型巖層參數(shù)及配比

1.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

相似模擬試驗(yàn)中直接頂垮落形態(tài)如圖1所示。由圖1可以看出，工作面自開(kāi)切眼開(kāi)始，隨著工作面的開(kāi)采，工作面直接頂在煤壁后方發(fā)生初次冒落。隨著工作面的推進(jìn)，直接頂隨采隨冒。

圖1 直接頂垮落形態(tài)

基本頂初次斷裂形態(tài)如圖2所示。由圖2可以看出，隨著工作面推進(jìn)，基本頂發(fā)生初次破斷，并形成前后鉸接的傳遞巖梁結(jié)構(gòu)，基本頂斷裂的同時(shí)，上部泥巖也隨之?dāng)嗔?。垮落巖塊大多排列規(guī)則，垮落巖塊的長(zhǎng)度近20 m，巖塊內(nèi)部裂隙發(fā)育較豐富，離層逐漸發(fā)育至基本頂上部粉砂質(zhì)泥巖，發(fā)育高度為40 m。

圖2 基本頂初次斷裂形態(tài)

基本頂?shù)诙沃芷跀嗔研螒B(tài)如圖3所示。由圖3可以看出，隨著工作面推進(jìn)，基本頂發(fā)生第一次周期來(lái)壓，離層繼續(xù)向上發(fā)育。隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，工作面出現(xiàn)第二次周期來(lái)壓，已垮落巖層與上方懸露巖層間離層達(dá)到4.8 m，離層跨度為60 m。隨著采空區(qū)的范圍不斷增加，煤壁后方和開(kāi)切眼前方出現(xiàn)大量穿層裂隙，形成形狀規(guī)則的斷裂線并與離層溝通，兩側(cè)斷裂線角度大致相同，約為57°。隨著離層的不斷向上發(fā)展，下部的離層空間不斷減小，直至壓實(shí)。

圖3 基本頂?shù)诙沃芷跀嗔研螒B(tài)

巖漿巖中部裂隙發(fā)育形態(tài)如圖4所示。由圖4可以看出，隨著工作面推進(jìn)，巖漿巖下方頂板依次垮落，采空區(qū)中部垮落巖層基本被壓實(shí)，在采空區(qū)的四周形成O型裂隙帶(圈)，離層發(fā)育至巖漿巖底部，離層跨度擴(kuò)大到134 m，高度達(dá)到5 m，斷裂裂隙也發(fā)育至巖漿巖底部的下位巖層。作為主關(guān)鍵層，巖漿巖屏蔽了裂隙的向上發(fā)展，使得巖漿巖下方裂隙充分發(fā)育，但是斷裂裂隙并沒(méi)有貫穿所有巖層，沒(méi)有形成穿層裂隙與離層溝通。此外，在上覆壓力和自重作用下，加之受到巖漿巖下方軟弱巖層的彈性地基作用，巖漿巖下部出現(xiàn)斷裂裂隙(拉破壞)，裂隙高度為34 m。

圖4 巖漿巖中部裂隙發(fā)育形態(tài)

巖漿巖上部巖層斷裂形態(tài)如圖5所示。由圖5可以看出，隨著采空區(qū)范圍不斷增大，巖漿巖下部斷裂裂隙的高度和寬度都有所擴(kuò)展，與此同時(shí)在煤壁和開(kāi)切眼處斷裂線附近，巖漿巖的前方和后方開(kāi)始出現(xiàn)斷裂裂隙，且后方裂隙發(fā)育程度強(qiáng)于前方。隨著工作面推進(jìn)，巖漿巖前后方裂隙均有擴(kuò)展，離層跨度逐漸增加，巖漿巖彎曲下沉量隨之增大，巖漿巖下部離層高度減小，離層空間由5 m降低至2 m，巖漿巖上部巖層伴隨著巖漿巖一塊下沉，并有部分靠近巖漿巖的巖層開(kāi)始斷裂，斷裂線沿著60°方向向上延展。

巖漿巖初次斷裂形態(tài)如圖6所示。由圖6可以看出，隨著工作面推進(jìn)，巖漿巖發(fā)生初次斷裂，斷裂后巖漿巖迅速失穩(wěn)下沉，巖漿巖下部離層閉合，巖漿巖上部巖層隨之?dāng)嗔鸦驈澢鲁粒趲r漿巖上方117 m處形成離層，離層高度為3 m，跨度為80 m，斷裂裂隙沒(méi)有溝通離層。斷裂的巖漿巖塊體為前后長(zhǎng)短不等邊梯形。

圖5 巖漿巖上部巖層斷裂形態(tài)

圖6 巖漿巖初次斷裂形態(tài)

通過(guò)巖漿巖初次破斷前后工作面頂板覆巖形態(tài)可知，巖漿巖的破斷易誘發(fā)工作面突水及支架動(dòng)載等災(zāi)害。巖漿巖破斷前，與其下位巖層之間存在巨大的離層空間，且沒(méi)有與斷裂裂隙溝通，這為離層水的集聚提供了良好的空間載體。一旦巖漿巖破斷下沉，將對(duì)離層水產(chǎn)生巨大的沖擊壓力，致使離層水沿著O型裂隙帶(圈)涌入工作面，造成工作面突水事故。巖漿巖破斷時(shí)會(huì)釋放巨大的能量，加之巖漿巖的快速下沉運(yùn)移，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，易形成巖漿巖對(duì)下位巖層的強(qiáng)烈動(dòng)載作用，誘發(fā)礦井強(qiáng)震事件的發(fā)生，導(dǎo)致工作面支架失穩(wěn)、沖擊地壓、煤與瓦斯突出等事故。如果巖漿巖下方的離層與巖漿巖下位巖層穿層裂隙溝通時(shí)，將為瓦斯的集聚提供天然的通道和積聚空間。一旦巖漿巖失穩(wěn)，其產(chǎn)生的巨大能量將壓迫離層區(qū)內(nèi)積聚的瓦斯通過(guò)O型裂隙帶快速涌入工作面，造成瓦斯突出事故。

巖漿巖初次破斷后，隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，離層發(fā)育到巖漿巖下方，未破斷的巖漿巖將形成下方軟弱巖體支撐的懸臂梁結(jié)構(gòu)，巖梁上表面受拉應(yīng)力作用，下表面受壓應(yīng)力作用。由于巖漿巖的抗拉強(qiáng)度低于抗壓強(qiáng)度，將導(dǎo)致巖漿巖的上表面首先發(fā)生破壞。巖漿巖端部斷裂裂隙如圖7所示。由圖7可知，隨著工作面的推進(jìn)，在巖漿巖的端部出現(xiàn)斷裂裂隙。并隨著工作面的不斷推進(jìn)，裂隙將會(huì)向下發(fā)展，直至貫穿巖漿巖，巖漿巖發(fā)生周期破斷。

圖7 巖漿巖端部斷裂裂隙圖

巖漿巖第二次周期破斷前后變化如圖8所示。

圖8 巖漿巖第二次周期破斷前后變化圖

由圖8可知，在巖漿巖第二次周期破斷前，與其下位巖層之間的離層達(dá)到4 m，巖漿巖端部出現(xiàn)傾斜的斷裂裂隙，隨著斷裂裂隙的不斷擴(kuò)展，巖漿巖完成了第二次周期破斷，破斷后離層幾乎閉合，破斷時(shí)巖漿巖下位巖層隨巖漿巖一起下沉。巖漿巖的周期破斷具有相似的尺寸效應(yīng)和破斷特征，斷裂巖塊在長(zhǎng)度方向上分別為80 m和86 m，斷裂巖塊呈平行四邊形。周期斷裂的巖漿巖巖塊相互鉸接，斷裂后不會(huì)立即失穩(wěn)，且來(lái)壓強(qiáng)度顯著小于巖漿巖初次破斷。巖漿巖上位巖層隨著巖漿巖的運(yùn)移而下沉，巖漿巖上部離層閉合，工作面達(dá)到充分采動(dòng)狀態(tài)，形成地表移動(dòng)盆地。

2 數(shù)值模擬試驗(yàn)

2.1 數(shù)值模擬高位硬厚巖層對(duì)采動(dòng)應(yīng)力作用機(jī)理的理論基礎(chǔ)

高位硬厚巖層破斷前采動(dòng)應(yīng)力和支承壓力如圖9所示。由圖9可以看出，在工作面開(kāi)采過(guò)程中，直接頂隨采隨冒，垮落后的巖石堆積在采空區(qū)。隨著工作面的不斷推進(jìn)，采空區(qū)上覆巖層逐漸垮落，離層裂隙不斷向上發(fā)育。高位硬厚巖層自身堅(jiān)硬，整體完整性好，抗拉強(qiáng)度大，不易發(fā)生彎曲；下方巖層抗拉強(qiáng)度小，易發(fā)生彎曲。隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)上覆巖層彎曲垮落，離層空間發(fā)育到硬厚巖層底部，離層裂隙發(fā)育充分，硬厚巖層懸露面積不斷增加。硬厚巖層作為關(guān)鍵層承擔(dān)自身以及上方巖層重量，此時(shí)，硬厚巖層承擔(dān)的載荷通過(guò)巖層傳遞到工作面前方煤體，使煤體支承壓力不斷增加。

圖9 高位硬厚巖層破斷前采動(dòng)應(yīng)力和支承壓力示意圖

高位硬厚巖層破斷后采動(dòng)應(yīng)力和支承壓力示意圖如圖10所示。由圖10可以看出，隨著工作面的推進(jìn)，硬厚巖層跨距逐漸增大，當(dāng)達(dá)到極限跨度時(shí)，硬厚巖層發(fā)生破斷，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)，其上方較為軟弱的巖層也隨之發(fā)生整體彎曲下沉。破斷后的硬厚巖層由采空區(qū)下方已垮落巖體和未垮落巖體共同承擔(dān)，導(dǎo)致傳遞到工作面的支承壓力減小。硬厚巖層破斷后，采場(chǎng)支承壓力要小于破斷前。

圖10 高位硬厚巖層破斷后采動(dòng)應(yīng)力和支承壓力示意圖

2.2 數(shù)值模型的建立

在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，參照相似模擬試驗(yàn)所建模型，建立三維數(shù)值模型。模型范圍為1000 m×760 m×286 m。煤層厚度為6 m，埋深600 m；模擬工作面傾向長(zhǎng)190 m，走向推進(jìn)600 m；模型左右前后邊界施加水平約束，在底部固定邊界；頂部施加應(yīng)力邊界，模擬上部省略的巖層載荷；在模擬計(jì)算中選取摩爾庫(kù)倫模型。數(shù)值網(wǎng)格模型如圖11所示，煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

選取硬厚巖層厚度為60 m、煤層間距為80 m的模型，在煤壁前方沿走向中部設(shè)置應(yīng)力監(jiān)測(cè)線，記錄輸出工作面超前支承壓力如圖12所示。由圖12可知，工作面開(kāi)采初期，支承壓力集中程度增長(zhǎng)較快，隨著工作面的不斷推進(jìn)，增長(zhǎng)率開(kāi)始變緩，在硬厚巖層破斷前增長(zhǎng)率趨于穩(wěn)定。當(dāng)工作面推進(jìn)到40 m時(shí)，工作面超前支承壓力峰值為21.68 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.5。當(dāng)工作面推進(jìn)到320 m時(shí)，超前支承壓力集中程度明顯增加，峰值為26.9 MPa，集中應(yīng)力系數(shù)達(dá)到1.8。當(dāng)工作面推進(jìn)到360 m時(shí)，超前支承壓力達(dá)到最大，峰值為27.15 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.81。隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，超前支承壓力峰值開(kāi)始減小，當(dāng)工作面推進(jìn)到440 m時(shí)，硬厚巖層達(dá)到極限懸跨度，硬厚巖層及其上、下巖層發(fā)生垮落失穩(wěn)，工作面支承壓力迅速減小，峰值為20.18 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)1.35，與破斷前相比支承壓力峰值減小幅度為25.7%。

表2 模型巖層及力學(xué)參數(shù)

圖11 數(shù)值計(jì)算模型

圖12 硬厚巖層破斷前后工作面超前支承壓力變化曲線

3 結(jié)論

(1)工作面上覆巖漿巖時(shí)，覆巖破斷的關(guān)鍵階段分別為直接頂破斷、基本頂初次破斷，基本頂周期破斷、巖漿巖初次破斷、巖漿巖周期破斷(裂隙溝通地表)。

(2)硬厚巖層破斷前作為關(guān)鍵層承擔(dān)自身以及上方巖層重量，硬厚巖層承擔(dān)的載荷通過(guò)巖層傳遞到工作面前方煤體，使煤體支承壓力不斷增加；當(dāng)硬厚巖層達(dá)到極限跨度發(fā)生破斷，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)，其上方較為軟弱的巖層也隨之發(fā)生整體彎曲下沉，破斷后的硬厚巖層由采空區(qū)下方已垮落巖體和未垮落巖體共同承擔(dān)，導(dǎo)致傳遞到工作面的支承壓力減小，硬厚巖層破斷后，采場(chǎng)支承壓力小于破斷前。

[1] 王金安，劉紅，紀(jì)洪廣.地下開(kāi)采上覆巨厚巖層斷裂機(jī)制研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009(增1)

[2] 王平，姜福興，馮增強(qiáng)等.高位厚硬頂板斷裂與礦震預(yù)測(cè)的關(guān)系探討 [J].巖土工程學(xué)報(bào)，2011(4)

[3] 曲秋揚(yáng).大傾角大采高工作面覆巖破壞與圍巖應(yīng)力分布規(guī)律研究 [J].中國(guó)煤炭，2016(7)

[4] 譚輔清，昝東峰，周楠等.巨厚礫巖層下工作面過(guò)斷層覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究及應(yīng)用 [J].中國(guó)煤炭，2011(9)

[5] 李化敏，付凱.煤礦深部開(kāi)采面臨的主要技術(shù)問(wèn)題及對(duì)策 [J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2006(4)

[6] 來(lái)興平.西部礦山大尺度采空區(qū)衍生動(dòng)力災(zāi)害控制 [J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2004(1)

[7] 劉文崗，姜耀東，周宏偉等.沖擊傾向性煤體的細(xì)觀特征與裂紋失穩(wěn)的試驗(yàn)研究 [J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006(4)

[8] 錢鳴高，繆協(xié)興，許家林等.巖層控制的關(guān)鍵層理論 [M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2000

(責(zé)任編輯 陶 賽)

Movement rule of overlying strata and evolution law of mining stress in mining field under high and hard thick rock strata

Wu Quanlin

(Jining University, Qufu, Shandong 273100, China)

According to the condition of thick hard igneous rock in working face, movement rule of overlying strata in the hard thick rock strata is studied by similar simulation test and numerical simulation method. Research shows that the coating on the working surface of magmatite, the key stage of rock breaking are immediate roof breaking, basic roof breaking, basic roof cycle breaking, magmatite first breaking, magmatite cycle breaking (fracture surface communication); hard and thick magmatite before break, along with the industry as the advancement of abutment pressure increasing; hard thick magmatite breaking, abutment pressure is smaller than before break.

hard thick magmatic rock, similar simulation, overlying strata movement law, numerical simulation, dynamic stress

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51374139),山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZR2013EEM018)

武泉林.高位硬厚巖層下采場(chǎng)覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律及采動(dòng)應(yīng)力演化規(guī)律 [J].中國(guó)煤炭，2017，43(2)：38-43. Wu Quanlin. Movement rule of overlying strata and evolution law of mining stress in mining field under high and hard thick rock strata [J]. China Coal，2017,43(2)：38-43.

TD323

A

武泉林(1988-)，山東魚(yú)臺(tái)人，采礦工程博士，主要研究方向?yàn)槊旱V安全開(kāi)采與評(píng)價(jià)。