大傾角煤層開采覆巖破斷機制研究*

肖家平，楊 科，劉 帥，周 波

(1.淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 能源工程系，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引言

研究大傾角煤層(埋藏傾角為35°～55°的煤層)覆巖破斷過程及垮落形態(tài)是礦井頂板冒落、支護系統(tǒng)失穩(wěn)等災(zāi)害防治的理論基礎(chǔ)[1-2]，特別是對生態(tài)脆弱礦區(qū)的地表再綠化具有重要的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。國內(nèi)外專家學(xué)者采用不同的研究方法，對覆巖破斷規(guī)律進行了大量的研究，為大傾角煤層開采提供了理論基礎(chǔ)與現(xiàn)場借鑒。

關(guān)于不同條件下的大傾角煤層開采覆巖破斷過程，石平五等[3]研究了大傾角特厚煤層開采過程中圍巖的破壞過程，實現(xiàn)了國內(nèi)西北地區(qū)采空區(qū)上部的地表綠化；高明中等[4]研究了厚沖積層大傾角煤層群開采巖體破斷運移特征；丁德民等[5]對大傾角煤層充填開采條件下不同開采方式對覆巖破斷的影響進行了分析；Kulakov[6]，Bodi[7]基于現(xiàn)場宏觀現(xiàn)象，探討了堅硬頂板下覆巖破斷后頂板安全控制問題；周波等[8-10]研究了頂板三維板梁結(jié)構(gòu)的傳力機制及其承載能力特征，提出了破碎煤巷圍巖預(yù)強化技術(shù)。上述研究止于對覆巖破斷現(xiàn)象的再描述，對大傾角煤層覆巖內(nèi)部的非對稱破斷機理還需進一步深入研究。

近年來，許多研究手段被用來分析覆巖破斷過程中的頂板斷裂形態(tài)，取得了較好的效果。例如，王金安等[11]、施峰等[12]基于彈性力學(xué)薄板理論計算方法，得到了大傾角煤層開采基本頂破斷過程；王紅偉[13]借助相似模擬試驗研究了大傾角煤層開采上覆巖層非對稱的變形垮落形態(tài)；高會春等[14]利用數(shù)值計算軟件定量分析大傾角煤層覆巖運移規(guī)律，對最大顆粒位移量和地表最大沉降量進行量化分析,得到了這2個變量與走向方向推進長度的多項式函數(shù)關(guān)系；張宏偉等[15]、張勛等[16]運用多手段得到了特厚煤層分層開采覆巖破壞規(guī)律。以上各種研究手段為大傾角煤層覆巖破斷演化過程的精準(zhǔn)分析提供了便利。

上述研究豐富了大傾角煤層開采理論，得到了覆巖破斷的宏觀特征，提高了工作面的回采安全，但卻沒有解釋大傾角煤層覆巖破斷的內(nèi)在機制。因此，本文通過數(shù)值模擬、相似模擬和理論計算，對大傾角煤層開采覆巖破斷機制進行了研究， 旨在揭示大傾角煤層開采上覆巖層的破斷、垮落、充填內(nèi)在機制。

1 工作面地質(zhì)與工程條件

潘二煤礦1212(3)工作面為13-1煤層首采面，地質(zhì)構(gòu)造為簡單單斜構(gòu)造，煤層傾角35°～45°，傾角平均值為40°，工作面標(biāo)高-495～-375 m，工作面沿傾斜方向布置。采用傾斜分層內(nèi)錯式采煤法，分2層回采，上分層工作面寬度為120 m，下分層工作面寬度為100 m，走向長650 m，煤層平均厚為5 m，上分層開采2 m，下分層開采3 m，工作面開采設(shè)計如圖1所示。

圖1 工作面開采設(shè)計Fig.1 Working face mining design

2 覆巖破斷的非對稱特征

根據(jù)相似材料模擬實驗以及數(shù)值模擬分析，大傾角煤層回采后，受煤層傾角影響，在工作面兩端(上回風(fēng)巷、下運輸巷)形成應(yīng)力集中區(qū)，且上端巖層采動應(yīng)力集中區(qū)較下端應(yīng)力集中區(qū)范圍更大。在工作面上覆巖層形成應(yīng)力釋放區(qū)，且工作面中上部區(qū)域的應(yīng)力釋放區(qū)范圍明顯大于下部的應(yīng)力釋放區(qū)，呈現(xiàn)出頂板應(yīng)力場的非對稱分布規(guī)律。

受煤層傾角的影響，圍巖變形破壞、垮落運移亦呈現(xiàn)出非對稱特征。當(dāng)煤層回采后，直接頂、基本頂及上覆巖層失穩(wěn)形成沖擊載荷的頻次和量級增大，覆巖破壞范圍和破碎程度自上位巖層至下位巖層加劇。頂板冒落矸石向工作面后方滑、滾運動特征明顯，工作面傾向下部區(qū)域采空區(qū)充填壓實程度大，工作面下部出現(xiàn)階梯狀的關(guān)鍵塊承載結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

3 覆巖非對稱特征形成機理

3.1 覆巖變形力學(xué)分析

大傾角煤層采出后，直接頂隨移架垮落、滑移，工作面中上部區(qū)域直接頂冒落、下滑，充填下部采空區(qū)，并在上覆未垮落巖層載荷作用下逐漸壓實，首先形成如圖3(a)所示的工作面充填壓實結(jié)構(gòu)。1212(3)工作面首采上分層工作面，形成覆巖垮落、滑移空間，同時由于工作面傾向長度(120 m)和走向長度(650 m)都較大，直接頂跨落后，可認(rèn)為基本頂達(dá)到極限跨距時，只要其下方存在一定的自由空間，基本頂將發(fā)生斷裂失穩(wěn)。

圖2 覆巖應(yīng)力場及垮落特征Fig.2 Overburden stress field and collapse characteristics

由于基本頂厚度遠(yuǎn)小于走向長度，可以將其簡化為矩形薄板。利用彈性力學(xué)中已相對成熟的小撓度薄板理論，結(jié)合直接頂垮落矸石對工作面下部的充填效應(yīng)，建立如圖3(b)所示的基本頂破斷力學(xué)模型。x軸為沿煤層的走向，y軸為沿煤層傾斜方向。a1為基本頂沿傾斜方向長度，m；b為基本頂沿走向方向長度，m。工作面回采初期直接頂尚未垮落，較完整，模型簡化為四邊固支的邊界條件，運用能量法中的Rayleigh-Ritz法進行計算。

選取的基本頂撓曲函數(shù)ω為：

(1)

邊界條件為：

(2)

式中：ω為基本頂撓曲函數(shù)；cmn為撓曲函數(shù)待定系數(shù)；m，n為雙重三角級數(shù)，一般取1；x，y，a1，b等意義同前。

對于四邊固支的薄板，變形能U為：

(3)

對于板面上的載荷，其所作的功W為：

(4)

則薄板勢能為：

(5)

利用最小勢能原理， ?∏/?cmn=0，可求得：

(6)

則撓曲線函數(shù)表達(dá)式為：

(7)

式中：E為巖層的彈性模量，MPa；h為基本頂巖層厚度，m；μ為泊松比；q1為薄板受到的外部載荷，MPa；α為煤層傾角，(°)。

圖3 基本頂力學(xué)模型Fig.3 Basic top mechanical model

應(yīng)用彈性力學(xué)薄板理論對基本頂撓度進行分析，普遍認(rèn)為撓度最大區(qū)域為薄板首先變形斷裂位置?；卷攷r層受拉出現(xiàn)斷裂裂紋，裂紋處應(yīng)力釋放，能量由斷裂裂紋向基本頂兩邊轉(zhuǎn)移，出現(xiàn)大小不同的應(yīng)力峰值，且在破斷的瞬間應(yīng)力值大于原巖應(yīng)力。由式(7)可知，基本頂薄板首先在偏中上部區(qū)域破斷，形成斷裂裂紋。由于基本頂下部存在足夠的自由空間高度，斷裂裂紋兩側(cè)將受壓繼續(xù)變形失穩(wěn)。此時，基本頂斷裂裂紋兩側(cè)薄板邊界條件變?yōu)椤叭吂讨?、一邊簡支”的矩形薄板，如圖4所示。

圖4 基本頂首次斷裂后模型Fig.4 Model of the basic top after the first fracture

3.2 覆巖破斷機理分析

若基本頂上、下部第2次出現(xiàn)破斷裂紋，在覆巖載荷作用下，此裂紋與第1次破斷裂紋之間的巖體失去承載作用發(fā)生垮落、滑移，充填采空區(qū)，如圖5(a)所示。

同理，若基本頂上、下部第3次出現(xiàn)破斷裂紋，懸露巖體失去承載作用，巖塊垮落滑移，第2次充填采空區(qū)，如圖5(b)所示。

那么，若基本頂上、下部薄板第n次出現(xiàn)破斷裂紋，懸露巖體失去承載作用，巖塊跨落滑移，第n-1次充填采空區(qū)。

圖5 基本頂斷裂演化示意Fig.5 Schematic diagram of the basic top fracture evolution

根據(jù)上述對基本頂垮落過程的分析可知，垮落過程具有時序性(時間和順序)?，F(xiàn)對上述垮落過程作如下解釋：

1)基本頂?shù)拿看纹茢喽及殡S著破斷處應(yīng)力的釋放與基本頂破斷兩側(cè)較完整巖體能量的吸收，形成應(yīng)力集中。在上覆巖層載荷及此集中應(yīng)力的影響下，自n-1(n>2)次破斷起，基本頂上、下部薄板撓度往基本頂?shù)?斷裂裂紋方向轉(zhuǎn)移，如圖4、圖5所示。

2)基本頂?shù)拿看纹茢嗷贫紝ぷ髅嫦虏砍涮?，致使下部充填區(qū)域增大，在破斷至n-1(n>2)次時，下部充填區(qū)域增大至基本頂不存在薄板結(jié)構(gòu)而停止破斷，在工作面下部形成第一關(guān)鍵塊承載結(jié)構(gòu)，上部沿斷裂線形成最終斷裂結(jié)構(gòu)，如圖6(a)所示。

3)在基本頂破斷至n-1(n>2)次時，基本頂上覆巖層懸露，上覆巖層繼續(xù)出現(xiàn)斷裂裂紋，即傾向高度上也存在巖層破斷的時序性，如圖6(b)所示。

4)根據(jù)上述大傾角工作面傾向破斷機理分析可知，工作面上覆巖層的破斷是相互影響，相互聯(lián)動的時序性破斷(聯(lián)動時序性破斷)，最終形成大傾角煤層傾向的非對稱破斷特征，如圖6(c)所示。

4 討論

研究表明，大傾角煤層開采形成的非對稱破斷形態(tài)與各巖層形成關(guān)鍵塊體的機理有著直接關(guān)系，同時，關(guān)鍵塊體形成的拱形承載結(jié)構(gòu)對工作面的穩(wěn)定性至關(guān)重

圖6 覆巖非對稱拱結(jié)構(gòu)演化Fig.6 Evolution of asymmetrical arch structure of overlying rock

要。由于大傾角煤層賦存條件的復(fù)雜多變(巨厚砂巖直覆、上覆無堅硬巖層)，保證各賦存條件下工作面的安全回采顯得尤為重要。根據(jù)關(guān)鍵塊體形成機理，建立上述2種賦存條件下大傾角煤層回采頂板破斷模型，如表1所示。

對2種模型作如下解釋：

1)根據(jù)上覆巖層破斷的聯(lián)動時序性破斷效應(yīng)，工作面下位頂板破斷只存在單層巖層間的聯(lián)動破斷，破斷過程中逐漸撥露上覆足夠厚的、具有較強抗變形能力的巖層(巨厚砂巖)。由于巨厚砂巖的存在，傾斜方向上下巖層的破斷無聯(lián)動效應(yīng)與時序性，沒有形成具有承載結(jié)構(gòu)的破斷拱，進而隨工作面的推進，巨厚砂巖頂板達(dá)到極限彎矩，發(fā)生破斷，沖擊工作面，發(fā)生動力災(zāi)害(沖擊地壓)，模型如圖7(a)所示。同時根據(jù)上述分析，若上下巖層發(fā)生聯(lián)動時序性破斷，則巖層不易太厚，強度不易過高。因此采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)，使巨厚砂巖變?yōu)檩^多薄巖層，促使聯(lián)動時序破斷的發(fā)生，在巖層破斷至高位關(guān)鍵層時停止發(fā)育，形成穩(wěn)定的拱形承載結(jié)構(gòu)。

2)軟弱巖層的抗變形能力較弱，相較硬巖層的聯(lián)動時序性破斷效應(yīng)從速度和發(fā)育高度都較大，模型如圖7(b)所示，若煤層埋深較淺，破斷效應(yīng)則會發(fā)育至地表，出現(xiàn)塌陷，危及地表建筑物等，若發(fā)育至河流流域，水流沿裂隙倒灌至工作面，危及工作面工人及設(shè)備安全。因此，需人為控制破斷的速度與高度，使之形成較穩(wěn)定的承載拱形形態(tài)。采用充填開采技術(shù)(充填采空區(qū))，減小工作面傾向上部的空頂區(qū)域，對上覆巖層起到支撐作用，減小巖層的懸頂距，使上位巖層充當(dāng)關(guān)鍵層的作用，進而形成非對稱拱形結(jié)構(gòu)。

圖7 不同頂板條件覆巖破斷模型Fig.7 Overburden fracture model of different roof conditions

5 結(jié)論

1)根據(jù)薄板理論，大傾角工作面基本頂由“四固支”向 “三固支、一簡支”邊界條件轉(zhuǎn)變，中上部撓度最大，易產(chǎn)生以拉破壞為主的斷裂裂紋，斷裂裂紋逐漸向基本頂兩側(cè)及相鄰巖層演化。

2)在上覆巖層載荷和斷裂裂紋兩側(cè)集中應(yīng)力作用下，基本頂兩側(cè)未破斷巖層及上覆巖層再破斷，表現(xiàn)出聯(lián)動時序性破斷特征，并充填采空區(qū)，形成以關(guān)鍵塊構(gòu)成的大傾角非對稱拱形承載結(jié)構(gòu)。

3)采用預(yù)裂爆破技術(shù)激發(fā)巨厚砂巖頂板工作面的聯(lián)動時序性破斷，利用充填開采技術(shù)阻止軟弱頂板工作面的聯(lián)動時序性破斷，可促使關(guān)鍵塊組成的拱形承載結(jié)構(gòu)形成，保證大傾角工作面安全回采。