深井大采高綜采面礦壓顯現(xiàn)及覆巖破斷規(guī)律研究*

孫　波，張向陽,2,3,涂　敏

(1.安徽理工大學(xué)　煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南，232001;2.深井瓦斯抽采與圍巖控制技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，河南理工大學(xué),河南 焦作 454000；3.城市與工程安全減災(zāi)教育部重點實驗室，北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124)

0　引言

我國煤炭資源豐富，其中賦存厚度大于3.5 m的煤炭儲量約占我國煤炭儲量的44%，其產(chǎn)量比重約占原煤生產(chǎn)量的45%。因此，厚煤層開采技術(shù)反映了我國整個煤炭行業(yè)技術(shù)研究水平[1]。但是，厚煤層大采高綜采相比于一般煤層的開采，礦壓顯現(xiàn)規(guī)律更為復(fù)雜，易導(dǎo)致煤壁片幫、冒頂、支架損壞[2-3]。尤其煤炭開采進(jìn)入深部以后，大采高綜采面礦壓顯現(xiàn)更是復(fù)雜多變，對此國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究[4-13]，取得一系列研究成果：弓培林等[4]基于關(guān)鍵層理論，研究了大采高采場覆巖結(jié)構(gòu)和運(yùn)動規(guī)律對礦壓顯現(xiàn)的影響；文志杰等[5]建立了大采高采場結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，研究了大采高采場覆巖運(yùn)動規(guī)律；劉洪磊等[6]運(yùn)用數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測相結(jié)合的手段，研究了北京大安山煤礦頂板破斷及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。但煤層賦存多樣，實際生產(chǎn)中忽視了大采高綜采的不同特點，造成了一系列嚴(yán)重后果。

因此，要深入研究大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及覆巖頂板破斷失穩(wěn)機(jī)理，分析礦壓顯現(xiàn)的根源，揭示大采高綜采條件下礦壓顯現(xiàn)與覆巖運(yùn)移之間的聯(lián)系，為大采高綜采技術(shù)提供理論依據(jù)。本文結(jié)合具體工程技術(shù)條件，采用物理相似模擬、數(shù)值模擬和現(xiàn)場礦壓監(jiān)測分析等方法，對深井大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及覆巖運(yùn)動破斷的一般形態(tài)特征進(jìn)行了研究。

1　工程背景

本文以潘二礦A組3煤首采11223煤與瓦斯突出工作面為研究工程背景。工作面回風(fēng)巷西二段切眼東349 m直接頂發(fā)育泥巖，運(yùn)輸巷531 m發(fā)育泥巖，厚0.2～3.1 m；基本頂發(fā)育細(xì)砂巖，平均厚10 m；直接底發(fā)育泥巖，平均厚1.38 m；煤層埋深-550 m，煤層厚度平均為5 m，傾角平均為15°；工作面走向長1 470 m，面長180 m，可采儲量163.8萬t；采用綜合機(jī)械化開采一次采全高，全部垮落法管理頂板。工作面巖層柱狀圖如圖1所示。

圖1　巖層柱狀圖Fig.1　Histogram of rock

2　相似模擬

2.1　實驗?zāi)Ｐ偷拇_立

本實驗采用平面應(yīng)力實驗架，實驗架尺寸為2 500 mm×200 mm×1 500 mm，結(jié)合工程地質(zhì)資料和試驗裝置條件，確定試驗相似比，從而確定模型相似材料、配比和強(qiáng)度的選擇。模型幾何相似比1∶100，應(yīng)力強(qiáng)度比1∶170，時間相似比1∶12，模擬采高5 m，模型上方未模擬覆巖高度為440 m,以補(bǔ)償載荷0.065 MPa加載到平面模型架上。模型左右兩側(cè)各留250 mm的煤柱，從右側(cè)開切眼向左推進(jìn)，每間隔2 h開挖一次，每次推進(jìn)50 mm，表示實際開采中的5 m。

2.2　覆巖結(jié)構(gòu)動態(tài)演化分析

覆巖破斷結(jié)構(gòu)形態(tài)特征如圖2所示，當(dāng)工作面推進(jìn)到30 m時(見圖2(a))，直接頂初次垮落，工作面開始來壓。工作面推進(jìn)到35 m時(見圖2(b))，基本頂開始垮落，頂板呈現(xiàn)懸臂梁結(jié)構(gòu)形態(tài)，來壓增強(qiáng)，初次來壓步距約為35 m。此時，采空區(qū)上方頂板將會隨著工作面的推進(jìn)出現(xiàn)周期性的垮落，工作面產(chǎn)生周期來壓現(xiàn)象；在工作面前上方，斷裂覆巖以組合懸臂梁的結(jié)構(gòu)作用于煤壁上方，導(dǎo)致煤壁附近壓力普遍增高；高位上覆巖層頂板仍保持著完整的結(jié)構(gòu)形態(tài)，繼續(xù)發(fā)揮一定的承載作用。

當(dāng)工作面推進(jìn)到70 m時(見圖2(c))，由于上覆巖層的巖性不同，導(dǎo)致不同程度的撓曲變形，出現(xiàn)主動協(xié)同下沉與被動協(xié)同下沉彎曲現(xiàn)象，從而導(dǎo)致覆巖出現(xiàn)不同程度的縱橫向裂隙及離層，采空區(qū)被冒落矸石所填充，對上覆破裂巖塊有一定的支撐作用；但由于采空區(qū)內(nèi)冒落矸石松散、密度小、可壓縮量大，頂板允許下沉量將超過破斷塊體形成鉸結(jié)構(gòu)極限擠壓下沉量，從而導(dǎo)致以非鉸接巖梁的結(jié)構(gòu)載荷作用于組合懸臂梁和壓實填充結(jié)構(gòu)的上方，決定著工作面支架的受力大小，隨著基本頂?shù)某醮慰迓?，上覆巖層聚集的應(yīng)力得以釋放，隨工作面的繼續(xù)推進(jìn)，上覆巖層將會出現(xiàn)周期性斷裂失穩(wěn)，形成周期來壓。

當(dāng)工作面推進(jìn)到100 m時(見圖2(d))，此時垮落高度約為50 m，采空區(qū)逐漸被冒落矸石填充，且冒落矸石被進(jìn)一步壓實，高位巖層頂板破斷塊體之間允許下沉量將減小，未超過形成鉸接結(jié)構(gòu)的極限回轉(zhuǎn)下沉量，進(jìn)而頂板破斷塊體之間產(chǎn)生相互擠壓力與摩擦力，維持自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，達(dá)到一種動態(tài)平衡，形成鉸接巖梁結(jié)構(gòu)。

圖2　覆巖破斷結(jié)構(gòu)形態(tài)特征Fig.2　Morphological characteristics of overburden fracture structure

由工作面推進(jìn)過程中覆巖結(jié)構(gòu)的動態(tài)演化特征可知，深井大采高綜采面采空區(qū)垮落高度大，直接頂?shù)目迓潆y以完全填充采空區(qū)；當(dāng)覆巖的破斷塊體形成鉸接結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)下沉量大于極限扭轉(zhuǎn)下沉量時，工作面頂板將形成非鉸接巖梁結(jié)構(gòu)；隨著采空區(qū)逐漸被壓實，當(dāng)新產(chǎn)生的上覆巖層破斷塊體之間形成鉸接結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)下沉量將小于極限扭轉(zhuǎn)下沉量時，形成鉸接結(jié)構(gòu)；故大采高綜采面上覆巖層破斷形態(tài)是一個由“組合懸臂梁結(jié)構(gòu)——壓實填充結(jié)構(gòu)——非鉸接巖梁結(jié)構(gòu)——鉸接巖梁結(jié)構(gòu)”的動態(tài)演化過程，如圖3所示。

圖3　覆巖頂板破斷形態(tài)Fig.3　Breakdown pattern of overburden roof

實驗結(jié)果表明：這種上覆巖層結(jié)構(gòu)的動態(tài)演化過程直接影響著工作面的初次垮落和周期來壓步距及礦壓顯現(xiàn)程度，是深井大采高綜采面安全開采重要影響因素，正確認(rèn)識這種動態(tài)演化過程對實現(xiàn)工作面安全開采具有關(guān)鍵的實踐意義。

3　數(shù)值模擬模型建立

3.1　模型建立

為了更直觀的研究覆巖破斷對工作面應(yīng)力分布及應(yīng)力峰值的影響，根據(jù)工程地質(zhì)條件，采用FLAC3D對潘二礦11223工作面進(jìn)行了建模、計算、分析。模型沿走向方向建立，長、寬、高分別為400，300，240 m，采場寬約180 m。計算時采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則，四周邊界施加水平約束，底部施加垂直向上約束，上表面為自由面。模型空間示意圖如4所示(X為傾向，Y為走向)，其中各巖層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖4　模型空間結(jié)構(gòu)示意Fig.4　Schematic diagram of the model space

序號巖層體積模量/GPa剪切模量/GPa容重/(N·m-3)內(nèi)摩擦角/(°)內(nèi)聚力/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa1砂巖26122760261221252砂質(zhì)泥巖30152720321601053細(xì)砂巖29112580281300804砂質(zhì)泥巖30152720321601055粉砂巖44122590301351086砂巖26122760261221257砂質(zhì)泥巖301527203216010583煤32141500231250809砂質(zhì)泥巖3015272032160105101煤321415002312508011砂質(zhì)泥巖311225403216011012砂質(zhì)泥巖3015272032160105

3.2　模擬結(jié)果分析

工作面推進(jìn)40 m時(見圖5)，周圍巖體受到釆動的影響，原有平衡狀態(tài)被打破，應(yīng)力重新分布，在工作面前方明顯形成應(yīng)力增高區(qū)，隨著工作面推進(jìn)，在后方又逐步恢復(fù)的原巖應(yīng)力區(qū)形成穩(wěn)壓區(qū)。為了對比分析，分別截取了工作面走向方向上、中、下3部位及頂板的垂直應(yīng)力分布圖(X方向表走向，Y表傾向)。沿X方向，工作面上部煤壁前方應(yīng)力增高區(qū)的支承壓力峰值為24 MPa，距工作面距離為5 m；工作面中部，上部頂板的拉應(yīng)力集中區(qū)明顯擴(kuò)大，應(yīng)力增高區(qū)峰值為28 MPa，距工作面的距離為4 m；工作面下部，應(yīng)力集中區(qū)的峰值為26 MPa，距工作面的距離為4.5 m。沿傾向上，受釆動影響兩側(cè)均產(chǎn)生應(yīng)力增高區(qū)，應(yīng)力峰值為26 MPa。

圖5　不同位置Z方向應(yīng)力云圖(推進(jìn)40 m )Fig.5　The stress cloud of different position in Z direction (push 40 m)

由頂板的俯視圖可知，圍繞采空區(qū)產(chǎn)生了“O”型應(yīng)力區(qū)，采空區(qū)上覆頂板中間部位開始產(chǎn)生拉應(yīng)力，頂板將于中部開始先斷裂，即中部先來壓。圍繞采空區(qū)上覆頂板的應(yīng)力出現(xiàn)了先升高后降低的一種趨勢。為了觀測頂板的來壓，在基本頂設(shè)置了應(yīng)力監(jiān)測點，截取了由20 m至40 m推進(jìn)過程中，豎直方向應(yīng)力變化圖(見圖7)，可以得出推進(jìn)到40 m時，出現(xiàn)第一次應(yīng)力降低升高拐點，即基本頂初次來壓。

工作面推進(jìn)60 m時(見圖6)，工作面前方的應(yīng)力集中的峰值進(jìn)一步的增大上、中、下前方峰值分別為29，32，27 MPa,峰值點據(jù)工作面的距離分別為4，3.5，4 m。

圖6　不同位置Z方向應(yīng)力云圖(推進(jìn)60 m)Fig.6　The stress cloud of different position in Z direction (push 60 m)

圖7　監(jiān)測點豎直應(yīng)力曲線Fig.7　Vertical stress curve of the monitoring point

頂板經(jīng)過初次破斷后，聚集的應(yīng)力釋放，隨著工作面的推進(jìn)，上覆頂板的跨度逐步增大，工作面前方的應(yīng)力再次集中，頂板穩(wěn)定的鉸接巖梁結(jié)構(gòu)，再次破斷塌落壓力降低，形成了第一次周期來壓(見圖7)，即工作面由40 m推進(jìn)到60 m時，第一次周期來壓。數(shù)值模擬結(jié)果顯示：模擬的應(yīng)力分布規(guī)律與現(xiàn)場的應(yīng)力分布規(guī)律相符；表現(xiàn)出隨工作面的推進(jìn)來壓的周期性規(guī)律和頂板應(yīng)力分布呈“O”形特征；推進(jìn)過程中，覆巖的破斷，應(yīng)力的釋放，導(dǎo)致應(yīng)力降低，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，跨度的增大，應(yīng)力再次聚集，形成了一種循環(huán)的動態(tài)平衡。

4　工程現(xiàn)場實測

4.1　觀測方法

為了進(jìn)一步研究礦山壓力的顯現(xiàn)與覆巖破斷之間的聯(lián)系，對潘二礦11223工作面礦壓顯現(xiàn)進(jìn)行了現(xiàn)場觀測。本次礦壓監(jiān)測自工作面下部端頭向上第5部液壓支架開始布置，沿工作面自下而上每5部液壓支架安裝一臺壓力機(jī)，共安裝了21臺綜采壓力分機(jī)，具體布置狀況如圖8所示。

圖8　工作面測點布置Fig.8　Layout of work surface monitoring point

4.2　礦壓觀測結(jié)果分析

為了更直觀的分析綜采工作面初次及周期來壓步距，將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，形成了工作面支架壓力云圖(如圖9所示)。礦壓監(jiān)測期間，工作面推進(jìn)了95 m左右，一共經(jīng)歷了1次初次來壓，3次周期來壓，來壓期間，液壓支架壓力普遍升高。工作面下部頂板的初次來壓步距約為36 m,周期來壓步距12～18 m,周期來壓步距平均值16 m。工作面中部，頂板的初次來壓步距32.5 m,周期來壓步距14～16.5 m，離散性較小，周期來壓的平均值15.25 m。工作面上部，頂板的初次來壓步距為30 m，周期來壓步距為14～16 m，周期來壓的平均值為15 m。工作面來壓的特點是：呈現(xiàn)分段來壓，中部先來壓并向兩端轉(zhuǎn)移。

圖9　支架壓力分布云圖Fig.9　The stress cloud of support pressure distribution

實測結(jié)果表明：整個工作面的初次來壓步距約為32.6 m，周期來壓步距約為15.8 m，由于基本頂?shù)钠茢?，來壓期間支架壓力普遍升高。采場來壓空間特性與基本頂活動有著緊密的聯(lián)系，采場基本頂破斷的時序性影響著工作面來壓的時序性，11223工作面來壓期間，由中部先來壓逐漸向兩端轉(zhuǎn)移，呈現(xiàn)出了局部來壓、遷移的特征，與相似模擬實驗和數(shù)值模擬計算基本相符，即工作面礦壓顯現(xiàn)特征受控于覆巖運(yùn)動破斷的動態(tài)演化力學(xué)結(jié)構(gòu)。

5　結(jié)論

1)大采高綜采面上覆巖層破斷形態(tài)是一個由“組合懸臂梁結(jié)構(gòu)——壓實填充結(jié)構(gòu)——非鉸接巖梁結(jié)構(gòu)——鉸接巖梁結(jié)構(gòu)”的動態(tài)演化過程，這種上覆巖層結(jié)構(gòu)的動態(tài)演化過程直接影響著工作面的初次垮落和周期來壓步距及礦壓顯現(xiàn)程度，是深井大采高綜采面安全開采重要影響因素。

2)工作面初次來壓步距為34 m，基本頂周期來壓步距15 m，來壓由中部開始向兩端轉(zhuǎn)移；工作面前方應(yīng)力集中區(qū)距煤壁平均4.4 m，應(yīng)力峰值平均為26 MPa，工作面礦壓顯現(xiàn)特征受控于覆巖運(yùn)動破斷的動態(tài)演化力學(xué)結(jié)構(gòu)。

3)深井大采高綜采面上覆巖層結(jié)構(gòu)的動態(tài)演化過程直接影響著工作面的初次垮落和周期來壓步距及礦壓顯現(xiàn)程度，是深井大采高綜采面安全開采重要影響因素，正確認(rèn)識這種動態(tài)演化過程對實現(xiàn)工作面安全開采具有關(guān)鍵的實踐意義。

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