高位硬厚巖層下覆巖運移規(guī)律研究

武泉林 武泉森

（濟寧學院安全工程技術中心，山東 曲阜273155）

煤炭是我國主要的能源，隨著經濟的快速發(fā)展和國民生活水平的提高，煤炭資源的需求量日益增加，而煤炭開采環(huán)境卻日益復雜，回采難度逐年增加，開采地質條件較好的礦井、采區(qū)或煤層越來越少，條件差的礦井逐漸增多，由開采引起的礦震、沖擊地壓、支架壓架等動力災害日益增加［1-3］。尤其是工作面上覆高位幾十米甚至上百米的堅硬巖層時，巖層強度大，回采期間易大面積懸空，破斷后極易誘發(fā)地表下沉、支架壓架、礦震等動力災害［4-6］。

一些專家學者對上覆硬厚巖層破斷規(guī)律做了大量研究，取得了許多研究成果。郭惟嘉［7］在分析華豐礦巨厚礫巖這一特殊開采地質環(huán)境特征的基礎上，探討了巨厚礫巖下沖擊地壓及地表斑裂產生的機理，并提出了相應的防治措施。秦廣鵬［8］以夏闊坦1007工作面上覆硬厚砂巖層為研究對象，根據(jù)現(xiàn)場工作面支承條件，建立了硬厚巖層兩臨邊固支一邊簡支一邊自由薄板力學模型，并研究了薄板應力分布特征。肖江［9］以相似模擬實驗為手段研究了濟寧二號井煤層上方巨厚無節(jié)理巖漿巖的運移規(guī)律，初步得出了巖漿巖的破斷失穩(wěn)機理。軒大洋［10］采用UDEC軟件模擬研究了海孜煤礦Ⅱ102采區(qū)均厚140 m火成巖下開采時的采動應力演化規(guī)律，確定出受火成巖影響的采動應力范圍。廖孟柯等［11］采用Reissner厚板理論和數(shù)值模擬方法對厚或超厚老頂破斷情況進行研究分析，揭示了厚老頂斷裂點位置及其應力板大小與其厚度的關系；通過現(xiàn)場實測與分析結果對比，為厚或超厚老頂采場掘進頂破斷支護起到了指導作用。

本研究以淮北礦業(yè)集團楊柳煤礦1061工作面硬厚巖層下開采為工程背景，運用數(shù)值模擬分析了高位巖層下覆巖運移規(guī)律，并討論了硬厚巖層厚度對覆巖運動規(guī)律的影響，結合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行了驗證。研究成果為硬厚巖層下科學回采提供理論基礎，對減少或避免硬厚巖層下煤層動力災害具有重要意義。

1 高位巖層下覆巖運移規(guī)律

1.1 數(shù)值模型建立

在進行數(shù)值模擬時，巖石力學參數(shù)以楊柳煤礦地質條件為依據(jù)，建立三維數(shù)值模型。模型范圍：1 000 mm（長）×760 m（寬）×286 m（高）。煤層厚度為6 m，埋深600 m；模擬工作面傾向長190 m，走向推進600 m；模型左右前后邊界施加水平約束，在底部固定邊界；頂部施加應力邊界，模擬上部省略的巖層載荷；在模擬計算中選取摩爾庫倫模型。煤巖體物理力學參數(shù)如表1所示，網(wǎng)格模型如圖1所示。

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1.2 模擬方案

針對工作面上覆硬厚巖層的情況，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，模擬開采工作面開采覆巖位移變化特征，模擬方案為：硬厚巖層厚度為60 m，賦存高度80 m時，模擬研究分析覆巖位移變化特征。

1.3 數(shù)值模擬結果

選取硬厚巖層厚度為60 m，與煤層間距80 m，并在硬厚巖層底部與其上覆60 m中，設置2條位移監(jiān)測線，將記錄的位移數(shù)據(jù)整理，如圖2所示。由于硬厚巖層厚度大、強度高、完整性好，在開采過程中不易發(fā)生彎曲下沉，在未破斷前其下伏巖層發(fā)生彎曲下沉，且在硬厚巖層與其下方巖層之間產生離層。隨著工作面的不斷推進，離層發(fā)育高度和跨度會逐漸增大，當跨度達到硬厚巖層極限跨度時，硬厚巖層發(fā)生破斷失穩(wěn)，失穩(wěn)后引起地表移動變形和破壞。在硬厚巖層未破斷前，硬厚巖層及其上覆巖層沒有發(fā)生明顯的位移下沉，顯然，硬厚巖層對地層變形起到了“橋式屏蔽作用”。

由圖2可知，在開采初期，硬厚巖層及其上覆巖層下沉量較小，當工作面推進到80 m時，硬厚巖層最大下沉量為0.11 m，其上覆巖層最大下沉量為0.105 m。隨著工作面的不斷推進，離層裂隙不斷向上發(fā)育，硬厚巖層及其上覆巖層下沉量呈現(xiàn)增大的趨勢。當工作面推進到280 m時，硬厚巖層與其上覆巖層下沉量分別增加到0.72 m、0.60 m；當工作面推進到360 m時，下沉量繼續(xù)增加，但增加幅度不大，下沉量達到了1.50 m、1.34 m。當推進到380 m時，硬厚巖層與其上覆巖層下沉量突然增加，分別增加到3.20 m、2.91 m，增加幅度與速度明顯較大，此時，硬厚巖層發(fā)生初次破斷。破斷后的硬厚巖層失去原有的承載能力，使上位巖層一起發(fā)生彎曲下沉，可使地表出現(xiàn)大范圍移動變形。

高位硬厚巖層破斷前，作為主關鍵層，承載上位巖層重量，并與下位巖層產生離層，此時，其上位巖層變形量較??；破斷后，其上位巖層隨之發(fā)生彎曲下沉，硬厚巖層下部離層迅速閉合，上位巖層出現(xiàn)移動變形，下沉量迅速增加。一般地質條件下，隨著工作面的開采，上覆巖層移動變形是連續(xù)發(fā)展的過程，而高位硬厚巖層下開采則表現(xiàn)出顯著的差異性，移動變形存在突變現(xiàn)象。當硬厚巖層懸空長度達到其極限跨距時，地表移動變形急劇增加，在開采過程中，加強地面變形觀測，做好預測、預報工作，防止地表大幅下沉、工作面沖擊地壓、煤與瓦斯突出等災害。

2 工程實例分析

1061工作面是106采區(qū)首采工作面，位于第一個區(qū)段。切眼里段為巖漿巖侵蝕區(qū)，外段靠106采區(qū)大巷保護煤柱，西北方向靠近岱廟斷層保護煤柱及巖漿巖侵蝕區(qū)，東南方向為1063工作面（尚未準備）。據(jù)1061工作面04-19、9-5、9-10-2鉆孔及底板巷鉆探資料綜合分析，工作面煤層傾角4°～12°，平均8°；厚度0.9～3.8 m，平均厚度2.5 m，屬薄—中厚煤層，以中厚煤層為主。根據(jù)變系數(shù)及可采性分析，屬較穩(wěn)定煤層。1061工作面上方賦存2層巖漿巖，第一層巖漿巖平均厚度為23 m，與10煤層的間距為248 m；第二層巖漿巖平均厚度為32 m，與10煤層的間距為355 m；2層巖漿巖平均間距為75 m。

1061工作面共安裝了12臺綜采支架壓力監(jiān)測儀，從工作面機頭至機尾分別布置在5#、15#、25#、55#、65#、75#、85#、95#、105#和115#液壓支架上，2014年6月份監(jiān)測到具有代表性的支架壓力變化曲線如圖3所示。

由圖3工作面液壓支架壓力變化曲線可以看出，工作面大部分支架在6月18日之后出現(xiàn)壓力增高現(xiàn)象，其中 5#、15#、25#、55#、65#、75#和 115#支架壓力增高較為明顯，尤其是6月23日之后，部分支架壓力達到40 MPa以上，65#支架甚至達到了48.4 MPa。這表明隨著工作面開采范圍增大，高位硬厚巖漿巖達到了懸跨極限而劇烈運動失穩(wěn)，造成工作面液壓支架大面積來壓。在高位硬厚巖漿巖破斷垮落期間，工作面支架動載現(xiàn)象明顯，15#、25#、55#、95#和105#支架來壓期間動壓系數(shù)超過2.0，其中95#支架動壓系數(shù)達到2.58，見表2。由此表明，高位硬厚巖漿巖垮落后對底部已垮落巖層產生強烈的動載沖擊，并以沖擊應力波的形式通過下位巖體傳遞到采場圍巖，引起工作面頂板的強烈擾動，造成工作面支架的強動壓現(xiàn)象。從工作面支架強動壓現(xiàn)象分布來看，巖漿巖初次破斷后，上覆巖層快速失穩(wěn)，導致支架動載現(xiàn)象明顯，驗證了數(shù)值模擬結果的正確性。

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3 結論

（1）在硬厚巖層未破斷前，硬厚巖層及其上覆巖層沒有發(fā)生明顯的位移下沉，硬厚巖層對地層變形起到了“橋式屏蔽作用”。破斷后，下沉量突然增加，表現(xiàn)出明顯的突變性，導致地表移動變形急劇增加，出現(xiàn)大幅度下沉。

（2）當硬厚巖層懸空長度達到其極限跨距時，地表移動變形急劇增加，巖漿巖垮落后對底部已垮落巖層產生強烈的動載沖擊，并以沖擊應力波的形式通過下位巖體傳遞到采場圍巖，引起工作面頂板的強烈擾動，造成工作面支架的強動壓現(xiàn)象。

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