大采高工作面復合關鍵層破斷模式與礦壓顯現機理研究

褚建偉 張基偉

(1. 呼倫貝爾學院采礦工程系，內蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市，021008；2. 北京中煤礦山工程有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013)

大采高工作面復合關鍵層破斷模式與礦壓顯現機理研究

褚建偉1張基偉2

(1. 呼倫貝爾學院采礦工程系，內蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市，021008；2. 北京中煤礦山工程有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013)

針對大采高工作面礦壓控制難題，利用相似模擬方法對覆巖破斷特征與礦壓顯現機理進行研究，分析了覆巖運移特征與聲發(fā)射監(jiān)測信息，提出異步及同步斷裂關鍵層破斷模式，建立了相應的上覆巖層復合關鍵層結構模型和覆巖破斷的力學條件，總結上覆巖層移動變形和破斷隨時間和空間的變化規(guī)律，得出關鍵層同步斷裂是造成大采高工作面開采礦壓顯現強的根本原因。

大采高工作面 覆巖破斷特征 相似模擬 礦壓顯現

據統(tǒng)計，我國厚煤層儲量占煤炭資源總儲量的45%，大采高綜放開采技術是針對厚煤層的安全高效回采方法。相比于普通綜放采煤法，該方法具有采出率高、巷道布置優(yōu)化、煤炭資源回收率高等優(yōu)勢。但是采高的增大與推進速度的加快會導致工作面覆巖垮落方式改變、煤壁片幫嚴重、支架不穩(wěn)定等問題，制約大采高采煤方法的應用，威脅工作面安全高效的回采，阻礙了大采高開采技術的發(fā)展。一些學者針對大采高采場圍巖控制理論進行了細致研究，但是大采高開采過程中覆巖結構時空運移的變異性以及覆巖破斷機理仍然是目前亟待解決的問題。本文以晉城寺河礦綜采工作面為工程背景，根據該礦地質條件構建相似材料模型試驗臺，研究大采高覆巖破斷特征?；陉P鍵層理論，采用彈性基礎梁理論分析方法，建立復合關鍵層在不同斷裂模式下的力學模型和破斷準則。借助聲發(fā)射測試方法對開采過程中巖層移動產生的微小破裂發(fā)出的聲信號進行監(jiān)測，揭示關鍵層破斷過程中聲發(fā)射信號的變化規(guī)律，尋找大采高工作面開采過程中強礦壓顯現的根本原因，從而為大采高開采技術推廣和安全保障提供技術支撐。

1 工程背景

寺河礦主采煤層為2號煤，傾角小于11.5°，煤層平均厚度6.2 m，走向長2811 m，傾向長276 m，煤層頂板為II類，裂隙較發(fā)育?；卷斢纱稚皫r組成，厚度16 m，水平層理，較堅硬。上覆巖層由中粒砂巖和粉砂巖組成，厚度為35.4 m，泥質膠結，巖石堅硬，穩(wěn)定性較好。在走向長壁回采過程中，往往會出現礦壓顯現強度大、冒頂、片幫等現象。

2 相似模擬模型建立

2.1 模型鋪設

以寺河礦綜采工作面地質條件為背景鋪設相似模擬試驗模型。平面應變實驗架的尺寸為5.0 m×0.2 m×1.5 m。根據地層分布情況確定幾何相似比為1∶100，容重相似比為1∶1.61，應力相似比為1∶161，時間相似比為1∶10。經計算得到各分層所需要的材料，如表1所示。

表1 相似模擬材料配比

2.2 監(jiān)測方案

相似材料模型自左端30 cm處每隔10 cm向右開采至模型右端30 cm處，預計共模擬開采430 cm，實際開采430 m。開采過程中利用經緯儀進行位移監(jiān)測，分析大采高工作面回采期間的覆巖運移過程。設計模擬ZY10000/28/62D支架，此支架工作阻力10000 kN(39.8 MPa)，初撐力7912 kN(31.5 MPa)，將支架與壓力監(jiān)測儀連接，監(jiān)測覆巖運移過程中的支架壓力變化規(guī)律。在煤層下面鋪裝有壓力盒，可以監(jiān)測工作面回采過程中超前支承壓力變化特征。聲發(fā)射測點布置如圖1所示，煤層上方埋設4個聲發(fā)射傳感器，逆時針編號依次為1#、2#、3#、4#，聲發(fā)射裝置安裝共需要挖18個孔，圖中孔位為聲發(fā)射測點布置位置，2#～4#測點觀測超前100 m范圍內基本頂附近的信號，1#測點監(jiān)測上覆巖層的關鍵層破斷過程聲信號變化。隨著工作面的推進，傳感器不斷向前轉移，保證監(jiān)測范圍為100 m。

圖1 聲發(fā)射測點布置圖

3 大采高工作面關鍵層復合破斷模式特征

3.1 覆巖運移特征

工作面覆巖破壞相似模擬情況如圖2所示。由圖2可以看出，從模型左端30 cm處開始模擬工作面推進，當模擬工作面推進至90 m時，關鍵層1出現斷裂，60 m處頂部下沉近3 m。工作面推進至150 m時，層面間出現了明顯的離層，關鍵層2達到極限跨距開始破斷。初次垮落之后，隨著工作面的推進，兩個關鍵層將按各自的周期來壓步距開始垮落，此時為兩個關鍵層復合破斷的起點。關鍵層2破斷后，在工作面附近逐漸形成鉸接巖梁，阻礙了關鍵層1的正?？迓?。支架后部約10 m范圍內基本頂懸空，導致工作面推進至200 m后關鍵層1來壓步距離散性較大，兩個關鍵層復合破斷步距離散性大。

試驗測量結果顯示，關鍵層1的周期來壓步距一般為25 m，關鍵層2來壓步距一般為40 m。當工作面推進到190 m、250 m、330 m、400 m時，關鍵層1和關鍵層2的垮落位置接近重合，為同步下沉。當工作面推進到220 m、285 m、300 m、350 m、380 m時，關鍵層1和關鍵層2的垮落位置不同，為異步下沉。

3.2 大采高工作面關鍵層復合斷裂模式

根據上述試驗結果分析，寺河礦上覆巖層的巖體結構主要是由關鍵層1和關鍵層2兩個堅硬巖層組成?？梢詫⑸细矌r層劃分為兩組，每個分組中的軟巖層可視為堅硬巖層上部的荷載，并隨堅硬巖層運動而運動。本文提出復合頂板的同步、異步斷裂模式。

模式1：關鍵層1斷裂，關鍵層2未斷裂，兩個關鍵層之間產生離層，工作面支架只承受關鍵層1的荷載，關鍵層2的荷載將直接作用在工作面煤壁上，如圖3(a)所示。

模式2：兩個關鍵層同時達到斷步距而同步斷裂，此時工作面支架承受兩個關鍵層垮落頂板的重量，工作面產生明顯來壓，如圖3(b)所示。

圖3 復合關鍵層破斷模式

3.2.1 大采高工作面關鍵層異步斷裂模式

當關鍵層1斷裂時，關鍵層1和關鍵層2之間產生離層，出現異步斷裂，以關鍵層1的斷裂面和煤壁為邊界，建立力學模型如圖4所示。以關鍵層1的斷裂面和煤壁為邊界，建立一端固支、一端簡支的力學模型。

圖4 力學模型1

根據彎曲梁理論可得到關鍵層1的撓度曲線為：

(1)

式中：y1——關鍵層1的撓度，m；

q1——關鍵層1的上覆巖層荷載，MPa；

x——水平方向取值，m；

E1——關鍵層1的彈性模量，GPa；

I1——截面慣矩，m；

L1——工作面推進距離，m。

因此可以得到關鍵層1的上覆巖層應力為：

(2)

式中：σ1——關鍵層1的上覆巖層應力，MPa；

W1z——關鍵層1的截面模量，mm3。

3.2.2 大采高工作面關鍵層同步斷裂模式

當關鍵層2斷裂時，以關鍵層2的斷裂面和煤壁處為兩個邊界，兩層細砂巖間彈簧連接，彈簧的彈性系數取Winkler地基彈性系數，建立力學模型如圖5所示。

圖5 力學模型2

根據彎曲梁理論，可知關鍵層2的最大應力方程為：

(3)

式中：σ2——關鍵層2的上覆巖層應力，MPa；

E2——關鍵層2的彈性模量，GPa；

I2——關鍵層2的慣性矩，m4；

E0——地基的彈性模量，GPa；

h0——墊層厚度，m；

c1——常數；

W2z——關鍵層2的截面模量，mm3。

常數c1可由下式計算：

(5)

式中：L2—同步破斷模式下推進步距，m；

q2——同步破斷模式下上覆巖層荷載，MPa。

當L1和L2同時滿足σ2max≥[σ2t]和σ1max≥[σ1t]，兩層關鍵層將同步斷裂。將=2790 kg/m3，E1=11 GPa，E2=11 GPa，W1z=42.6 mm3，W2z=42.6 mm3，[σ1t]=1.29 MPa，[σ2t]=1.29 MPa，k=20，E0=4.8 GPa帶入式(4)中，可得兩個關鍵層將同時斷裂的周期斷裂步距為79.6 m，與相似材料模擬試驗結果相近。

4 大采高工作面聲發(fā)射信號特征與災變機理

利用聲發(fā)射對大采高工作面推進過程中覆巖關鍵層同步、異步破斷過程所產生的彈性波進行監(jiān)測。當覆巖出現裂隙時，聲發(fā)射能率較小；當覆巖出現破斷的情況時，聲發(fā)射能率則會突然增大并且持續(xù)時間較短。

試驗過程中共出現16次周期來壓現象，來壓過程中1#～4#測點的聲發(fā)射最大能率如圖6所示。由圖6可以看出，工作面初次來壓時，關鍵層1發(fā)生第一次斷裂，2#探頭的最大能率達到5000 mv·μs/s，其他探頭能率值較小，表明基本頂初次來壓的影響范圍靠近斷裂區(qū)域，且能量釋放較大。工作面推進至150 m時，關鍵層2第一次斷裂，2#探頭的最大能率達到 2750 mv·μs/s，其他探頭能率值較小，表明關鍵層2斷裂的影響范圍靠近斷裂區(qū)域，且能量釋放較大。由此可知，異步斷裂的能量釋放影響范圍相對較小，最大能率值相對較低。

工作面推進至194 m處，關鍵層1、關鍵層2同步斷裂，1#～3#探頭的能率值普遍增大，最大可達4600 mv·μs/s，可見關鍵層同步斷裂造成工作面來壓顯現影響范圍增大，釋放能量增加。工作面推進至250 m、330 m、400 m時最大能率值普遍較大，超前影響范圍均超過50 m，周期來壓劇烈。由此可知，大采高工作面關鍵層同步斷裂是造成大采高工作面開采礦壓顯現強的根本原因。

圖6 來壓期間聲發(fā)射最大能率

5 結論

本文通過對晉城寺河礦綜采工作面相似材料模擬，得出以下結論：

(1)根據相似材料模擬覆巖運移特征，提出關鍵層同步斷裂與異步斷裂的破斷模式。試驗發(fā)現工作面推進到190 m、250 m、330 m、400 m時關鍵層發(fā)生同步斷裂，其他周期來壓時發(fā)生關鍵層異步斷裂。

(2)針對關鍵層同步斷裂與異步斷裂的破斷模式，建立兩種復合頂板的力學模型。采用彈性基礎梁理論求解出關鍵層同步、異步斷裂步距的解析解。

(3)結合理論分析與聲發(fā)射監(jiān)測得出，當兩個關鍵層同步斷裂時造成工作面來壓顯現影響范圍增大，周期來壓劇烈。關鍵層同步斷裂是造成大采高工作面開采強礦壓顯現的根本原因。

[1] 王世炫，羅勇，沈順平. 大采高綜采工作面礦壓觀測及顯現特征研究 [J]. 煤炭技術，2014(10)

[2] 張基偉，王金安. 大傾角特厚煤層懸頂結構能量分布特征與防沖方法 [J]. 煤炭學報，2014(S2)

[3] 左超，付永剛，徐繼成等. 大采高大傾角仰采的相似模擬實驗研究 [J]. 煤炭技術，2015(4)

[4] 王金安，張基偉，高小明等. 大傾角厚煤層長壁綜放開采基本頂破斷模式及演化過程(Ⅰ)——初次破斷 [J]. 煤炭學報，2015(6)

[5] 王金安，張基偉，高小明等. 大傾角厚煤層長壁綜放開采基本頂破斷模式及演化過程(Ⅱ)——周期破斷 [J]. 煤炭學報，2015(8)

[6] 徐濤，賀海濤. 地表溝谷對上灣煤礦超大采高工作面礦壓顯現規(guī)律影響分析 [J]. 中國煤炭，2017(7)

[7] 鄧小鵬. 大采高工作面覆巖運移規(guī)律及礦壓顯現特征特殊性研究 [J]. 中國煤炭，2017(3)

[8] 唐永志，徐剛，李萬峰等. 深部大采高綜采面巷道超前支護技術研究 [J]. 中國煤炭，2015(12)

[9] 孫少龍，孫小楊，王源. 深埋大采高綜放采場超前支承壓力分布規(guī)律 [J]. 中國煤炭，2015(8)

[10] 鄭兵亮. 軟煤層大采高工作面巷道煤柱尺寸優(yōu)化 [J]. 中國煤炭，2014(6)

[11] 錢鳴高，石平五，許家林. 礦山壓力與巖層控制 [M]. 徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2010

Studyonfailuremodeandminingpressurebehaviormechanismofcompositekeystratainlargeminingheightworkface

Zhu Jianwei1， Zhang Jiwei2

(1. Department of Mining Engineering， Institute of Hulun Buir， Hulun Buir， Inner Mongolia 021008， China; 2. Beijing China Coal Mine Engineering Co.， Ltd.， Chaoyang， Beijing 100013， China)

Aiming at mining pressure control problem of large mining height work face， the overlying strata failure characteristics and mining pressure mechanism was studied by similarity simulation method. The overlying strata movement characteristics and acoustic emission monitoring information were analyzed. Synchronous and asynchronous key strata breaking mode were proposed， and the corresponding structural model of overlying composite key strata and mechanical condition of overlying rock strata failure were established. The regular pattern of movement deformation and failure of the key strata was obtained varying with time and space. It was concluded that synchronous key strata breaking was the basic cause of strong mining pressure appearance in work face with large mining height.

large mining height work face， overlying strata failure characteristic， similarity simulation， mining pressure appearance

TD353

A

國家重點研發(fā)計劃(2016YFC0600904)

褚建偉，張基偉. 大采高工作面復合關鍵層破斷模式與礦壓顯現機理研究 [J]. 中國煤炭，2017，43(11)：55-59.

Zhu Jianwei， Zhang Jiwei. Study on rupture modes of compound key strata and mine pressure mechanism of large height mining work face [J]. China Coal，2017，43(11)：55-59.

褚建偉(1982-)，男，黑龍江甘南人，碩士，講師，主要從事采礦工程、礦壓控制方面的研究。

(責任編輯 陶 賽)