淺埋煤層高強度開采覆巖切落式塌陷災害演化規(guī)律及影響因素分析

趙仕元

(山西汾西礦業(yè)集團兩渡煤業(yè)有限責任公司，山西 晉中 031200)

我國西北地區(qū)已成為能源供應的主要基地[1]，該地區(qū)煤炭賦存的主要特征是地質條件簡單，埋藏淺、基巖薄、煤層厚，工作面具有大采高綜采(放)、快速推進等高強度開采特點[2]。高強度開采是指厚煤層(大采高)、推進速度快、工作面尺寸大、效率高、產量大的綜合機械化一次采全高(綜合機械化放頂煤或大采高)等采煤方法的統稱[3]。

淺埋煤層高強度開采基巖易發(fā)生全部破斷，造成覆巖及地表切落式塌陷，嚴重威脅煤礦生產安全，破壞礦區(qū)生態(tài)環(huán)境[4，5]。國內學者對此開展了大量研究，在覆巖切落機制研究方面，黃慶享[6，7]提出了淺埋煤層大采高工作面頂板的直接頂短懸臂梁結構和基本頂關鍵層高位斜臺階巖梁結構模型，高位斜臺階巖梁結構易失穩(wěn)滑落，造成覆巖切落塌陷。薄基巖厚松散層工作面基載小于1時，來壓期間覆巖易發(fā)生滑落失穩(wěn)，頂板沿煤壁切落，形成臺階下沉[8]。在覆巖切落塌陷裂縫研究方面，余學義[9]通過研究神東礦區(qū)大柳塔礦1203工作面，提出高強度開采造成的地表非連續(xù)變形主要是由關鍵層結構破斷失穩(wěn)引起的。黃慶享[10]通過對陜北高強度開采進行模擬研究和采動實測，揭示了采動覆巖裂隙主要由上行裂隙和下行裂隙構成。范立民[4]通過研究榆神府礦區(qū)地裂縫分布與發(fā)育特征，將淺埋煤層高強度開采區(qū)地表塌陷劃分為：裂縫、塌陷坑、塌陷槽、塌陷盆地四種類型。上述研究在淺埋煤層高強度開采覆巖切落式塌陷災害發(fā)生機制及顯現特征研究方面取得了很大進展；但從根本上講，地表塌陷是由覆巖切落引起的，覆巖切落產生的塌陷裂縫是工作面潰水潰砂的主要通道，掌握高強度開采覆巖切落式塌陷災害的演變規(guī)律并采取相應的防控技術措施是解決淺埋煤層高強度開采生產安全及環(huán)境破壞等問題的核心。

以神東礦區(qū)哈拉溝煤礦22407淺埋煤層高強度開采工作面為工程背景，采用相似模擬實驗、理論分析計算相結合的方法分析了淺埋煤層工作面覆巖切落式塌陷災害演變規(guī)律及演變機制，并提出切實具體的防控技術，為該地區(qū)淺埋煤層安全綠色高效開采提供科學依據。

1 工程背景

哈拉溝煤礦22407工作面位于陜西省榆林市神木縣北部的神東礦區(qū)，工作面地表覆蓋層多為流動沙和半固定沙，地表及地下水匱乏，區(qū)內植被稀少。所采二2煤層平均煤厚5.39m，埋深約136m，上覆基巖厚35～98.5m，平均88.94m，松散層厚40～69m，平均42m，基巖層以中、細砂巖，粉砂巖為主。該工作面長284.3m，推進長度為3224.1m，推進速度約為15m/d；總體上，22407工作面開采尺寸及煤層厚度大，且推進速度快，屬典型的高強度開采工作面。工作面周期來壓步距平均12.5m，動載系數約為1.62，由于工作面支架選擇合理，來壓時液壓支架下沉約100mm。通過對工作面地表現場踏勘，22407工作面采空區(qū)地表裂縫大部分為拉伸型裂縫，并存在部分的塌陷裂縫。此類裂縫多發(fā)育在工作面走向邊界方向，說明覆巖切落塌陷災害沒有發(fā)育至地表。工作面推進過程中，井下工人發(fā)現有風積沙潰入到工作面的現象，工作面通風量增加，采空區(qū)邊界的塌陷裂縫與工作面貫通，對工作面的生產安全產生了一定威脅。

為進一步掌握淺埋煤層高強度開采覆巖切落式塌陷災害的演變規(guī)律，為工作面安全生產提供理論和技術基礎，設計相似模擬實驗對覆巖切落式塌陷災害的演變過程進行分析。

2 覆巖切落式塌陷災害演變相似模擬

2.1 相似模擬試驗設計

哈拉溝煤礦22407工作面覆巖共有4個亞關鍵層及1個主關鍵層，為多層關鍵層結構[11]，鉆孔柱狀及關鍵層位置情況如圖1所示。

圖1 22407工作面鉆孔柱狀及覆巖關鍵層判別結果

實驗采用二維相似模擬實驗臺，為提高實驗效率，模型模擬至基巖頂部，并根據基巖上覆粘土層和風積沙層厚度，在模型頂部用鐵塊進行加載，模型長、高分別為4.0m和1.08m，根據相似模擬定律、試驗臺尺寸與現場具體地質條件，設計幾何相似比0.01，容重相似比為0.6。根據工作面鉆孔柱狀圖上覆巖層分布情況，對厚度較小或巖性相似的巖層進行合并，將煤層上方覆巖分為7層。按照分層結果設計模型各分層的厚度，模擬材料以河砂、云母為骨料，以石膏、碳酸鈣為膠結物，根據現場具體巖層情況，選取合理配比及材料力學性能，模型的巖層分層級相似材料的選取見表1。

表1 模型各巖層相似材料的選取與用量

2.2 試驗過程與結果分析

為避開試驗臺邊界的影響，開采從1.35m(實際長135m)開始，22407工作面實際開采速度為15m/d，模型開挖速度為15cm/2.4h，盡量呈現工作面實際開采過程。為便于分析，覆巖關鍵層位置及厚度情況用填充區(qū)域表示，文中描述均采用幾何相似比換算后的實際尺寸，覆巖切落式塌陷災害演變過程如圖2所示。

圖2 覆巖切落式塌陷災害演變過程

當工作面推進至60m時，直接頂關鍵層及其承載層初次垮落，垮落至關鍵層2下部，垮落巖層上方無明顯離層；當工作面推進至90m時，直接頂關鍵層切落，出現第1次周期來壓，頂板上部出現明顯離層；推進至135m時，直接頂懸臂梁達到最大懸露空間，斷裂帶發(fā)育至亞關鍵層4頂部；10min后直接頂懸臂梁斷裂，直接頂關鍵層及其承載的巖塊1垮落，巖塊2向工作面推進方向回轉切落至采空區(qū)，巖塊3斷裂向采空區(qū)方向回轉較小角度后觸及下方垮落巖塊，形成鉸接結構，達到暫時穩(wěn)定狀態(tài)，此時覆巖切落至亞關鍵層2底部，覆巖裂隙向上繼續(xù)發(fā)育至亞關鍵層4的承載層中，此時覆巖內裂隙主要由縱向裂隙和橫向裂隙組成；當工作面推進至150m時，直接頂懸臂梁向采空區(qū)方向回轉切落，與采空區(qū)內垮落巖塊形成不穩(wěn)定鉸接結構，亞關鍵層2及其承載層回轉切落，導致煤壁方向切落區(qū)的縱向裂隙和斷裂帶內縱向裂隙貫通，覆巖切落至亞關鍵層3并達到最大高度，斷裂帶發(fā)育至亞關鍵層3承載的巖層中；當工作面推進至165m時，直接頂懸臂梁反向回轉切落，此時采空區(qū)邊界縱向裂隙寬度達到最大，采空區(qū)內裂隙閉合；當工作面推進至180m時，斷裂裂隙發(fā)育至基巖頂部，高度達到最大，此時覆巖切落區(qū)內的關鍵層都以懸臂梁結構存在，其上部斷裂帶內以砌體梁結構存在；在工作面持續(xù)推進過程中，各范圍內的關鍵層以懸臂梁(砌體梁)向前(上)傳遞。

3 覆巖切落式塌陷災害演變規(guī)律

通過相似模擬試驗發(fā)現，直接頂懸臂梁回轉切落使上覆砌體梁結構失穩(wěn)導致覆巖切落式塌陷災害發(fā)生，高強度開采條件下，由于開采空間大、基巖薄，低位關鍵層懸臂梁破斷后由于回轉角較大，工作面推進過程中不能形成穩(wěn)定鉸接結構，最終切落至采空區(qū)，反之高位關鍵層斷裂后可以形成穩(wěn)定的砌體梁結構；工作面推進時，高位關鍵層砌體梁結構失穩(wěn)導致覆巖切落向上發(fā)展。覆巖切落式高度及斷裂帶高度隨工作面推進距離變化曲線如圖3所示，其中覆巖破壞高度等于覆巖切落高度與斷裂帶高度之和，根據試驗過程，高強度開采覆巖切落式塌陷災害演變過程可分為以下3個階段：

圖3 覆巖切落式塌陷災害隨工作面推進演變過程

1)孕育階段。工作面開采初期，僅直接頂發(fā)生切落，高位覆巖無切落現象發(fā)生，切落的直接頂上方出現離層裂隙，此時工作面未達到充分采動，覆巖破壞高度沒有達到最大。

2)發(fā)展階段。隨著開采范圍進一步增大，切落的直接頂上覆砌體梁結構失穩(wěn)，關鍵層及其承載層切落形成塌陷災害；隨著工作面繼續(xù)推進，覆巖切落高度基本保持穩(wěn)定，斷裂帶高度增大，整個階段內，覆巖破壞高度基本呈線性增大。

3)穩(wěn)定階段。當工作面達到充分采動時，覆巖切落式塌陷災害未發(fā)育至地表，隨著工作面繼續(xù)推進，切落塌陷區(qū)和斷裂帶內的懸臂梁和砌體梁結構分別向工作面推進方向周期性傳遞，覆巖切落高度及斷裂帶高度達到最大并保持穩(wěn)定。

4 覆巖切落式塌陷災害的突變分析

4.1 尖點突變理論數學模型

突變理論關注于奇點附近的不連續(xù)性和突跳現象，利用數學模型分析系統中變量在臨界點位置出現的跳躍性變化規(guī)律。對于內部作用情況未知的系統，該模型可以不依賴其它內在機制直接處理不連續(xù)問題，在煤巖體穩(wěn)定性分析中應用廣泛。尖點突變模型主要針對勢函數、一個狀態(tài)變量和兩個控制變量進行分析，以尖點為標準，找出系統由穩(wěn)定平衡到失穩(wěn)狀態(tài)的變化規(guī)律[12]。尖點突變模型勢函數和標準形式為：

式中，x為系統的狀態(tài)變形；p，q為控制變量。

系統的平衡曲面與奇點集方程分別為：

x3+px+q=0

(2)

3x2+p=0

(3)

由式(2)，(3)可得分叉集方程為：

4p3+27q2=0

(4)

由式(4)可知，只有p≤0時方程(4)才有實數解，則在控制平面才可出現分叉曲線，平衡點才有跨越分叉集產生突跳的可能，因此，變量p≤0是系統產生突變的必要條件。

4.2 覆巖切落式塌陷的力學與尖點突變模型

淺埋煤層高強度開采后靠近煤層的巖層形成懸臂梁結構，高位巖層形成砌體梁結構，隨著工作面推進懸臂梁結構破斷回轉，上位砌體梁結構所受支撐力減小，造成砌體梁結構滑落失穩(wěn)，導致工作面覆巖切落式塌陷災害的發(fā)生[12]。從力學角度出發(fā)，研究砌體梁結構切落失穩(wěn)發(fā)生的機理，建立由淺埋煤層工作面支架、采空區(qū)矸石、直接頂懸臂梁和基本頂砌體梁所組成的力學系統。將支架和矸石簡化為彈性體，由于砌體梁端部存在破斷裂隙，將其與前方巖體視為鉸接，懸臂梁、支架、矸石承受的載荷及基本頂砌體梁自重總載荷為Q。為簡化分析不計砌體梁所受的向下摩擦力，支架—矸石—懸臂梁—砌體梁組成的力學系統簡化為力學模型如圖4所示[13]。模型中懸臂梁巖體的壓縮量為u，支架壓縮量為w，支架—懸臂梁的全位移為a，即臺階下沉量；矸石壓縮量為v，支架剛度為k1，矸石剛度為k2。

圖4 簡化的力學模型

根據簡化力學模型中梁的邊界條件設撓曲線方程為：

懸臂梁巖體具有弱化的非線性本構關系，懸臂梁巖體應力σ和應變ε的關系式[14]為：

當巖石中的缺陷符合泊松分布時，非線性本構關系式為：

σ=Eεe-ε/ε0

(7)

對截面為A，高位H的懸臂梁巖體，載荷R與變形u的關系為：

R=λue-u/u0

(8)

式中，λ=EA/H為懸臂梁的初始剛度；u0為峰值載荷對應的變形值。

由支架—矸石—懸臂梁—砌體梁組成的力學系統總勢能[15]為：

VX=VE+VS-VL

(9)

式中，VE為支架和矸石的彈性勢能，VE=Vj+Vs；VS為直接頂和基本頂的應變能，VS=Vz+Vl；VL為外力對系統做的功，VL=Qly。由上文力學模型分析可知，系統的總勢能為：

進一步可得到流形平衡曲面方程為M的空間函數方程為：

式(11)為系統內力平衡的條件，當曲面上點滿足式：

系統處于突變的臨界狀態(tài)，一旦受到擾動便會產生失穩(wěn)并伴隨能量釋放。根據前文分析，在平衡曲面M尖點處V?X=0，解取可得尖點處：

u=u1=2u0

(13)

故將平衡曲面M的方程在尖點u1處進行Taylor級數展開，根據突變理論，截取前3次項不影響方程的定性性質，可得：

參數K為支架剛度與懸臂梁巖體本構關系曲線在拐點處的斜率λ1之比；ξ為全位移參數。對于系統的突變模型，其參數p≤0，滿足發(fā)生突變失穩(wěn)的必要條件，由式(2)知，當q>0變?yōu)閝<0時，狀態(tài)變量x才會發(fā)生突跳，得到支架—矸石—懸臂梁—砌體梁系統失穩(wěn)的充要條件為：

4.3 覆巖切落式塌陷災害的突變機理分析

根據標準方程(2)可建立平衡曲面M如圖5所示。

圖5 平衡曲面M與系統突變演化過程

當控制變量p>0時，系統勢能取極小值f″(x)>0，平衡點位于穩(wěn)定狀態(tài)。當p≤0時，平衡點將沿著路徑Ⅱ變化時，系統在開采初始階段平衡點處于下葉位置，勢能不斷積累，控制點運動到分叉集左支時，系統處于臨界狀態(tài)；隨著工作面繼續(xù)推進，支架和矸石的變形量增加，懸臂梁巖體的壓縮量u增加到中葉的臨近狀態(tài)，到達上葉后，直接懸臂梁巖體壓縮量u=u1=2u0，變形量突增，隨著外界開采擾動因素的進一步影響，系統產生突變失穩(wěn)，直接頂懸臂梁斷裂切落，進一步引起上覆砌體梁失穩(wěn)切落，導致覆巖切落式塌陷災害的發(fā)生。

由式(19)可知系統的失穩(wěn)與否受工作面的剛度比K、載荷Q、和砌體梁巖塊長度l等多種因素的復雜影響。K為支架剛度與懸臂梁巖體本構關系曲線在拐點處的斜率λ1之比，當支架剛度越大，即工作阻力越大，系統越穩(wěn)定；當懸臂梁巖體越堅硬，其彈性模量越大，懸臂梁越易以切落形式進入采空區(qū)，造成大面積的覆巖形成切落式塌陷。當外載荷Q和砌體梁巖塊長度l越大時，系統越不穩(wěn)定；其中載荷Q與覆巖結構有關，當覆巖為多層關鍵層結構時，Q多為系統所處亞關鍵層及其承載層范圍內巖層所施加的載荷，當覆巖為復合單一關鍵層結構時，且采高較大時，系統所承受載荷多為上覆巖層至地表的所有載荷，覆巖更易發(fā)生切落塌陷；l受工作面周期來壓步距影響，與覆巖巖性、推進速度等多種因素有關，工作面高速推進時，直接頂懸臂梁由于推進速度較快垮落不充分，基本頂砌體梁在破斷回轉過程中需要更大的回轉量才能觸矸穩(wěn)定。

由式(17)—(19)可知，當工作面各參數滿足直接頂懸臂梁切落的充要條件時，支架上覆巖層的臺階下沉量a不僅與巖層的彈性模量E、巖層厚度H、外部載荷Q等天然參數有關，還與支架剛度k1、來壓步距l(xiāng)有關。

大量研究和實踐表明，工作面發(fā)生切落式塌陷災害時，采高和覆巖的巖性(覆巖結構)是覆巖切落塌陷高度的主控因素。采高的大小決定著關鍵層破斷后回轉空間的大小，關鍵層在大采高情況下因回轉量大而無法形成穩(wěn)定的砌體梁結構形態(tài)，而是以懸臂梁結構形態(tài)直接切落塌陷，而處于更高層位的關鍵層才能鉸接形成穩(wěn)定的“砌體梁”結構形態(tài)[16]。

覆巖關鍵層結構決定著關鍵層所承載的巖層范圍，西北礦區(qū)高強度開采工作面覆巖關鍵層結構類型主要是多層關鍵層結構和復合單一關鍵層結構[11]。存在多層關鍵層結構的覆巖相比復合單一關鍵層結構覆巖較厚，覆巖切落塌陷一般不會發(fā)育至地表，向上發(fā)展過程中，靠近煤層的關鍵層在形成“砌體梁”結構后，易失穩(wěn)切落形成懸臂梁，遠離煤層的關鍵層破斷后鉸接形成穩(wěn)定砌體梁結構。覆巖為復合單一關鍵層結構時，主關鍵層靠近煤層，其破斷失穩(wěn)后會引起上覆所有巖層的同步破斷，覆巖切落式塌陷易發(fā)育至地表。淺埋煤層高強度開采工作面覆巖切落式塌陷災害的發(fā)生、演變受多種復雜因素的綜合影響，各因素之間相互作用，最終決定了覆巖切落式塌陷災害顯現形式。

5 結 論

1)高強度開采覆巖切落式塌陷災害演化過程共經歷孕育、形成、穩(wěn)定3個階段；在形成階段關鍵層砌體梁結構失穩(wěn)造成覆巖切落式塌陷災害的發(fā)生；覆巖塌陷裂縫具有彌合性，采空區(qū)邊界裂縫為永久裂縫，是工作面潰水潰砂的主要通道。

2)分析了高強度開采頂板所成的結構，建立了切落式塌陷災害演化的力學模型，基于突變理論分析了切落式塌陷災害的突變機理及影響機制。