采動(dòng)影響下煤層底板破壞特征試驗(yàn)

任曉東 張偉光

(1.烏蘇四棵樹煤炭有限責(zé)任公司，新疆 烏蘇 833300；2.新疆工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830091)

近距離煤層群上部煤層開采時(shí)，工作面回采前后底板應(yīng)力先后經(jīng)歷應(yīng)力升高、應(yīng)力降低和應(yīng)力恢復(fù)三個(gè)階段，受采動(dòng)應(yīng)力影響下層煤頂板巖層發(fā)生不均勻變形破壞，沿推進(jìn)方向煤層底板可劃分為三個(gè)不同的破壞區(qū)域[1-3]。近距離煤層群上層煤底板變形破壞，對下層煤開采時(shí)工作面液壓支架選型和回采巷道支護(hù)均產(chǎn)生不利影響。近年來隨著煤礦開采深度不斷增加，煤層底板承壓水壓力越來越大，采煤工作面底板突水事故日趨嚴(yán)重，對工作面正常推進(jìn)帶來嚴(yán)重威脅。為此本文采用數(shù)值模擬和相似試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究采動(dòng)條件下煤層底板變形、破壞特征與工作面推進(jìn)度的關(guān)系，為近距離煤層群下層煤開采回采巷道支護(hù)、支架選型提供指導(dǎo)。

1 煤層底板采動(dòng)破壞形態(tài)的離散元分析

1.1 模型建立

離散元程序UDEC是一個(gè)處理不連續(xù)介質(zhì)的二維離散元程序，主要用于巖石邊坡的漸進(jìn)破壞研究及評價(jià)，巖體的節(jié)理、裂隙、斷層、層面對地下工程和巖石基礎(chǔ)的影響，可模擬采礦工程煤層頂?shù)装宓臐u進(jìn)性破壞特征。

圖1 計(jì)算模型示意圖

根據(jù)常村煤礦1201走向長壁工作面工程地質(zhì)條件建立離散元數(shù)值模型，如圖1所示。模型長450m，寬5m，高300m。煤層厚3.5m，頂板累計(jì)厚度245.5m，底板累計(jì)厚度104.5m，開切眼寬8m。側(cè)面限制水平移動(dòng)，底面為固定端，上部蓋層自重應(yīng)力11.5MPa，模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測定，各煤巖層力學(xué)參數(shù)如表1所示。

1.2 結(jié)果分析

圖3為工作面推進(jìn)15m、25m、45m和80m時(shí)頂?shù)装遄冃翁卣鳌膱D3可以看出，工作面推進(jìn)15m時(shí)，采空區(qū)頂板發(fā)生一定的撓曲變形，直接頂尚未發(fā)生垮落破壞，底板產(chǎn)生一定的卸壓膨脹；推進(jìn)25m時(shí)，直接頂垮落，老頂發(fā)生輕度撓曲變形，底板鼓起；推進(jìn)至45m后，采空區(qū)充分卸壓帶頂板巖層完全垮落，底板鼓起。通過對工作面推進(jìn)過程中底板變形特征的監(jiān)測可知，直接頂發(fā)生初次垮落前后，底鼓量隨工作面推進(jìn)先為急劇增加，之后增加速度越來越小，老頂發(fā)生初次斷裂后，底鼓量增加速度趨于零，變形形態(tài)逐漸由膨脹變?yōu)閴嚎s；隨工作面不斷推進(jìn)，頂板巖層垮落逐漸趨于穩(wěn)定，底鼓量趨于一定值。

圖2 模型網(wǎng)格劃分

模型計(jì)算時(shí)首先應(yīng)使模型達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài)，其次開挖開切眼計(jì)算至平衡，最后根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)條件分別計(jì)算工作面推進(jìn)15m、25m、45m、80m時(shí)底板變形特征。

表1 模型力學(xué)參數(shù)

圖3 不同開挖步距工作面底板變形情況

2 煤層底板采動(dòng)破壞的相似模擬

2.1 相似模型設(shè)計(jì)

2.1.1 模型設(shè)計(jì)

為研究走向長壁工作面推進(jìn)過程中底板巖層變形特征，進(jìn)行了相似材料試驗(yàn)研究。1201工作面埋深平均430m。模型尺寸：長×寬×高 =1800mm×160mm×1100mm，其中頂板厚465mm、煤層厚35mm、底板厚600mm，剩余405.5m采用試驗(yàn)臺(tái)加壓來實(shí)現(xiàn)。

模型正面沿工作面推進(jìn)方向在底板巖層不同深度設(shè)置位移測線和監(jiān)測點(diǎn)，采用電子經(jīng)緯儀觀測頂板巖層各點(diǎn)隨開采過程的變化情況，觀測底板巖層隨工作面推進(jìn)的動(dòng)態(tài)變形特征。共設(shè)測線5條，由淺及深依次編號測線1～測線5，測線1距煤層垂距40mm，各測線間距50mm；每條測線設(shè)測點(diǎn)15個(gè)，測線1上各測點(diǎn)由左及右依次命名為1-1、1-2、……、1-14、1-15，相鄰測點(diǎn)間距65mm，共設(shè)測點(diǎn)75個(gè)；模型左右兩側(cè)測點(diǎn)均距模型邊界445mm，開切眼和停采線均距模型邊界500mm，如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y點(diǎn)布置

2.1.2 相似參數(shù)的確定

根據(jù)相似主導(dǎo)準(zhǔn)則可推導(dǎo)得出原型與模型之間不同相似比條件下強(qiáng)度參數(shù)的轉(zhuǎn)化關(guān)系，即：

式中：

aL-幾何相似比，取1:100；

aγ-容重相似比，取1:1.6；

[σc]M-模型單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；

[σc]H-實(shí)體巖石單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

根據(jù)該礦地質(zhì)資料、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)及公式(1)，得到1201工作面煤巖層的模型物理力學(xué)參數(shù)，如表2所示。

模型相似材料以砂子為骨料，石膏和石灰為膠結(jié)料，依據(jù)工作面頂?shù)装鍘r層的力學(xué)強(qiáng)度，按相似理論確定配料比例，如表3所示。

表2 模型物理力學(xué)參數(shù)表

表3 巖層材料配比及力學(xué)參數(shù)表

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 底板巖層移動(dòng)特征

圖5為距離煤層8m的底板巖層位移情況。由圖可以看出，在礦山壓力作用下，工作面后方采空區(qū)底板巖層由于回采卸壓作用，底板出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，尤其是在采空區(qū)10m以后，變化比較明顯，底鼓變形加劇，隨著工作面推進(jìn)，底鼓變形逐漸趨于穩(wěn)定。在回采工作面煤壁前方，由于礦山壓力作用，底板巖層受到壓縮作用，變形情況不明顯。

圖5 工作面底板8m處巖層變形特征

2.2.2 底板巖層的破壞過程及特征

試驗(yàn)過程中，當(dāng)工作面推進(jìn)25cm時(shí)，底板巖層開始發(fā)生明顯的破裂，出現(xiàn)微小裂隙，且裂隙尺寸??；當(dāng)工作面推進(jìn)到60cm時(shí)，裂紋的長度明顯增加，如圖6所示，深度達(dá)到10cm，此時(shí)底板的破壞主要為拉伸、剪切破壞。隨著工作面推進(jìn)，底板巖層中的斷裂裂隙持續(xù)發(fā)展和延伸，破壞深度逐漸增加，如圖7所示，隨著工作面向前推進(jìn)，底板巖層中不斷出現(xiàn)新的裂隙，并且老的裂隙繼續(xù)發(fā)展和延伸，但當(dāng)推進(jìn)到一定距離后，距離較遠(yuǎn)的裂隙發(fā)展緩慢，甚至不再發(fā)展，最終形成與采空區(qū)貫通的傾斜裂隙，根據(jù)試驗(yàn)觀測裂隙最深為23cm，水平長度為16cm，與水平方向成15°～60°的夾角。

底板巖層斷裂裂隙的發(fā)展具有時(shí)間效應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)束后，未立即拆除試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過對底板的破壞變形的持續(xù)觀測，發(fā)現(xiàn)底板巖層中的裂隙在覆巖應(yīng)力作用下，繼續(xù)擴(kuò)展和延伸。

圖6 工作面推進(jìn)40m時(shí)頂?shù)装遄冃翁卣?/p>

圖7 工作面推進(jìn)60m時(shí)頂?shù)装遄冃翁卣?/p>

試驗(yàn)觀測發(fā)現(xiàn)隨著工作面推進(jìn)，底板每隔20m就會(huì)發(fā)生一次大的破裂，說明底板巖層的破壞具有周期性。底板巖層破壞的周期性與頂板周期來壓基本上一致，隨著工作面推進(jìn)，頂板每7～9m就會(huì)發(fā)生一次垮落，而底板巖層發(fā)生破壞的距離基本上等于兩次周期來壓距離，表明工作周期來壓是造成底板發(fā)生周期性破壞的主要原因之一?，F(xiàn)場條件下，存在承壓水作用時(shí)，底板發(fā)生底鼓變形，底板巖層產(chǎn)生水平方向的裂隙，隨著工作面推進(jìn)裂隙不斷發(fā)展和延伸，巖體抗彎強(qiáng)度降低，底板向上撓曲且隨著采面向前推進(jìn)撓度不斷增加，一旦撓曲變形產(chǎn)生的應(yīng)力超過底板巖層的極限強(qiáng)度時(shí)，底板就發(fā)生變化，并且破壞過程隨著工作面推進(jìn)具有一定的周期性。試驗(yàn)表明，1201工作面底板破壞周期步距為15～25m，裂隙發(fā)生在工作面煤壁后方10m左右，并且大約以60°傾角向底板深部延伸。

3 結(jié)論

（1）數(shù)值模擬研究表明，工作面推進(jìn)25m后，直接頂發(fā)生垮落，底板巖層鼓起；推進(jìn)至45m后，采空區(qū)充分卸壓帶頂板巖層完全垮落，底板鼓起。通過對工作面推進(jìn)過程中底板變形特征的監(jiān)測可知，直接頂發(fā)生初次垮落前后，底鼓量隨工作面推進(jìn)先為急劇增加，之后增加速度越來越小，老頂發(fā)生初次斷裂后，底鼓量增加速度趨于零，變形形態(tài)逐漸由膨脹變?yōu)閴嚎s；隨工作面不斷推進(jìn)，頂板巖層垮落逐漸趨于穩(wěn)定，底鼓量趨于一定值。

（2）相似試驗(yàn)表明工作面推進(jìn)25cm后，底板巖層開始發(fā)生明顯的破裂，出現(xiàn)微小裂隙，且裂隙尺寸小；隨著工作面推進(jìn)，底板巖層中的斷裂裂隙持續(xù)發(fā)展和延伸，破壞深度逐漸增加，老的裂隙繼續(xù)發(fā)展和延伸，但當(dāng)推進(jìn)到一定距離后，距離較遠(yuǎn)的裂隙發(fā)展緩慢，甚至不再發(fā)展，最終形成與采空區(qū)貫通的傾斜裂隙。底板巖層斷裂裂隙的發(fā)展具有時(shí)間效應(yīng)，且底板巖層的破壞具有周期性。