采場(chǎng)覆巖厚硬關(guān)鍵層初次破斷的研究

李 漢 劉建偉

0 引言

由于堅(jiān)硬頂板強(qiáng)度高、節(jié)理裂隙不發(fā)育等，容易聚集大量彈性能，會(huì)造成強(qiáng)烈震動(dòng)，誘發(fā)沖擊礦壓[1]。而在堅(jiān)硬頂板條件下，礦壓顯現(xiàn)較為強(qiáng)烈，初次來壓及周期來壓步距大，強(qiáng)度高，動(dòng)載系數(shù)較大，一般為1.5～3.3[2]。因此研究堅(jiān)硬頂板初次破斷特征對(duì)支架及圍巖控制具有重大意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)基本頂初次破斷做了大量研究[3-6]，認(rèn)為基本頂初次破斷是對(duì)稱破斷。黃慶享[7]通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與理論分析認(rèn)為基本初次破斷后會(huì)形成“非對(duì)稱三鉸拱”結(jié)構(gòu)。本文將采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方式對(duì)比分析不同厚度的直接頂條件下基本頂初次來壓時(shí)的破斷方式。

1 工程背景

山西某礦8212工作面位于402盤區(qū)開采12號(hào)煤層，是第二個(gè)大采高綜采工作面，工作面走向長度1 700 m，傾向長度163.7 m，工作面埋深306.4 m。工作面長度200 m，煤層厚度2.1 m～7.97 m，平均5.0 m，直接頂為粉細(xì)砂巖和中細(xì)砂巖，厚度為1.7 m和3.05 m；老頂為粉細(xì)砂巖，厚度17.45 m；工作面直接底為中粗砂巖，厚度為2.8 m，工作面柱狀圖如圖1所示。

圖1某礦12#煤層柱狀圖

2 厚硬巖層的斷裂步距預(yù)測(cè)

基本頂在厚度不大的條件下，一般會(huì)以對(duì)稱的方式進(jìn)行破斷垮落。但當(dāng)基本頂厚度增厚時(shí)，原先對(duì)稱破斷方式會(huì)變成非對(duì)稱破斷，特殊情況下，例如基本頂關(guān)鍵層完整性好、強(qiáng)度大，受損傷的影響很小，此時(shí)基本頂才會(huì)呈現(xiàn)對(duì)稱破斷[6]。厚關(guān)鍵層初次來壓時(shí)的破斷強(qiáng)度極限與垮落極限是截然不同的兩個(gè)概念[8]，當(dāng)厚關(guān)鍵層達(dá)到破斷強(qiáng)度極限時(shí)，其下部會(huì)產(chǎn)生損傷裂隙，但不會(huì)立即垮落，而是隨著裂隙發(fā)育而向上擴(kuò)展，基本頂斷裂成塊達(dá)到垮落極限時(shí)，才會(huì)發(fā)生初次來壓。

基于此，假定基本頂初次破斷是非對(duì)稱破斷，靠近工作面一端的關(guān)鍵塊體長度要大于另一側(cè)，兩者之間的比值一般為1.3～1.5[9]。根據(jù)工作面長度以及上方基本頂厚度，采用薄板步距計(jì)算式（1），計(jì)算出破斷步距a，此時(shí)厚關(guān)鍵層遠(yuǎn)離工作面一側(cè)的關(guān)鍵塊體長度近似可以看做0.5a，靠近工作面一側(cè)的關(guān)鍵塊體長度可以認(rèn)為是其1.3～1.5倍，兩關(guān)鍵塊體長度之和即為厚硬巖層的初次破斷步距。

式中：a為初次破斷步距；lm為工作面推進(jìn)無限長的極限跨距；h為厚硬巖層厚度；σs為抗拉強(qiáng)度；q為厚硬巖層載荷；μ為泊松比；b為工作面長度。

3 數(shù)值模擬的分析研究

3.1 RFPA2D數(shù)值模型的建立與參數(shù)選取

圖2走向模型

本文以某礦地質(zhì)資料為模板，構(gòu)建沿水平方向長120 m、沿垂直方向高60 m（煤層底板厚度10 m）的RF?PA2D模型見圖2，圖中僅給出了直接頂厚度為5 m的模型，直接頂厚度為2 m的模型與此類似,。模型共計(jì)9層，其巖層力學(xué)參數(shù)見表1，模型被劃分為0.5 m×0.5 m的正方形網(wǎng)格共240 m×120 m=28 800個(gè)。模擬煤層從左到右開挖，采用長壁式開采，頂板采用垮落法管理，開挖寬度為60 m，兩側(cè)各留30 m煤柱，每個(gè)開挖步距為5 m。模型的分層特性取值嚴(yán)格以鉆孔資料為依據(jù)，巖層與巖層之間設(shè)有強(qiáng)弱不等的層理。

表1煤巖物理力學(xué)參數(shù)

模型邊界條件：水平方向采用位移約束，位移約束值為零；垂直方向上，利用巖體上部的260 m厚巖層自重應(yīng)力傳遞到模型上部作為模型垂直方向約束條件。設(shè)定模型上部巖層的平均自重為25 kN/m2，則模型上部的載荷為。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖3直接頂厚度2m條件下基本頂隨工作面推進(jìn)的垮落狀況

圖4直接頂厚度5m條件下基本頂隨工作面推進(jìn)的垮落狀況

在大采高綜采條件下，不同的直接頂厚度對(duì)基本頂?shù)某醮纹茢鄷r(shí)形成的結(jié)構(gòu)也不相同，圖3～圖4為不同直接頂厚度的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。從圖3～圖4可以看出：當(dāng)工作面推進(jìn)到40 m時(shí)，由于損傷效應(yīng)，基本頂在下部產(chǎn)生縱向裂紋；推進(jìn)到50 m時(shí)，下部裂紋繼續(xù)向上擴(kuò)展，基本頂上部兩側(cè)由于拉應(yīng)力作用，發(fā)生拉伸破壞；推進(jìn)到60 m時(shí)，在圖3（c）中由于直接頂厚度太小，垮落后的所形成的自由空間Δ很大，基本頂在回轉(zhuǎn)過程中很難觸矸，基本頂暫時(shí)處于懸臂狀態(tài)，此時(shí)由于基本頂關(guān)鍵塊之接沒有側(cè)向力之間的傳遞，在懸臂關(guān)鍵塊的回轉(zhuǎn)下沉作用下，支架所承受的載荷很大，若支架工作阻力不足，則容易導(dǎo)致支架上方的關(guān)鍵塊直接回轉(zhuǎn)切落，發(fā)生滑落失穩(wěn)，導(dǎo)致壓架事故如圖3（d）所示。

在圖4（c）中由于直接頂厚度相對(duì)前者很大，形成的自由空間Δ很小，基本頂在回轉(zhuǎn)時(shí)容易觸矸，基本頂關(guān)鍵塊之間易相互咬合，形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，在關(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)過程中，由于側(cè)向力的作用，關(guān)鍵塊傳遞到支架的載荷相比圖3（c）來說很小，不容易發(fā)生壓架事故如圖 4（d）。

圖3～圖4可以看到，工作面初次來壓時(shí)，基本頂呈現(xiàn)出非對(duì)稱破斷，工作面一側(cè)要大于采空區(qū)一側(cè)，與理論分析一致。工作面一側(cè)回轉(zhuǎn)塊體長度、角度直接影響支架工作阻力。為了保證工作面在初次來壓時(shí)能夠正常生產(chǎn)，合理的支架選型非常重要。因此，研究基本頂初次破斷方式非常關(guān)鍵。

4 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)分析

該礦8212工作面采煤采用一次采全高，共布置110架中間支架，采煤機(jī)滾筒截割深度0.8 m。早班停機(jī)檢修，二班和夜班開刀生產(chǎn)，一天刀數(shù)6～7刀，回采速度按一天推進(jìn)5 m與數(shù)值模擬開挖速度一致，保證模擬的合理性。由于8212工作面頭尾高度差不超10米，傾角很小接近水平，選取60#、70#、80#、90#、100#五部支架設(shè)置尤洛卡數(shù)據(jù)記錄儀對(duì)工作面從開切眼到推進(jìn)150 m時(shí)進(jìn)行礦壓數(shù)據(jù)采集，后期對(duì)采集數(shù)據(jù)加以篩選并以循環(huán)末阻力進(jìn)行分析。在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，保證在移架之后及時(shí)升起支架初撐力且初撐力不得低于額定工作阻力80%。結(jié)果得出，工作面來壓主要發(fā)生在中部偏后支架，避免數(shù)據(jù)累贅，現(xiàn)以80#架為例，其工作阻力隨著工作面回采變化曲線如圖5。

圖5支架工作阻力隨推進(jìn)距離變化曲線

從圖5可得，工作面一共發(fā)生4次來壓，基本頂初次來壓步距為6 3m，周期來壓22 m～30 m。4次來壓期間，80#支架初次來壓工作阻力最大為12 768 KN，3次周期來壓最大工作阻力分別為11 366 KN、11 056 KN、11 278 KN，動(dòng)載系數(shù)分別為 1.65、1.45、1.47、1.43。在初次來壓時(shí)支架立柱有明顯降柱、安全閥開啟現(xiàn)象，工作面有比較強(qiáng)烈的礦壓沖擊。8212工作面b=200 m，h=17.45 m，基本頂?shù)目估瓘?qiáng)度σs=3.32 MPa，泊松比 μ=0.25，厚硬巖層載荷q=(q2)1=856.3 kPa。由式（1）計(jì)算得到初次破斷步距為a=52.1 m，則厚硬巖層的斷裂步距為59.8 m～65 m。實(shí)測(cè)8212工作面基本頂初次垮落步距為63 m，說明該方法的預(yù)測(cè)是可靠的。

5 結(jié)論

1）數(shù)值模擬結(jié)果表明，直接頂厚度變化時(shí)，堅(jiān)硬厚關(guān)鍵層初次破斷形式是非對(duì)稱破斷。直接頂厚度只是影響破斷后的關(guān)鍵塊體所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，當(dāng)直接頂厚度較大時(shí)，關(guān)鍵塊體回轉(zhuǎn)不易失穩(wěn)，容易形成較為穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)；若直接頂厚度較小時(shí)，破斷后的關(guān)鍵塊體會(huì)發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn)，支架上方的關(guān)鍵塊體處于懸臂狀態(tài)，若支架阻力不足時(shí)，甚至導(dǎo)致關(guān)鍵塊體沿煤壁切落，導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。

2）基于關(guān)鍵塊體初次的非對(duì)稱破斷，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，根據(jù)薄板理論公式可以預(yù)測(cè)厚硬基本頂初次破斷步距，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與理論分析基本一致。

3）關(guān)鍵塊體的非對(duì)稱破斷可以更準(zhǔn)確的對(duì)頂板初次來壓進(jìn)行理論計(jì)算，更能有效可靠的保障初次來壓期間工作面的正常生產(chǎn)。