淺埋薄基巖綜采面覆巖移動(dòng)規(guī)律物理模擬研究

賈建華

(山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán) 蒲縣萬(wàn)家莊煤業(yè)有限公司， 山西 臨汾 041000)

我國(guó)西北地區(qū)賦存有大量的淺埋煤層，其儲(chǔ)量可觀，約占到全國(guó)探明儲(chǔ)量的1/3.這部分煤層以基巖薄(通常為30～80 m，基載比<1)、埋藏淺(不超過(guò)150 m)、上覆厚松散層(風(fēng)積砂和黃土等)和賦存穩(wěn)定[1]為主要特點(diǎn)，在開(kāi)采過(guò)程中，頂板難以形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出明顯的動(dòng)壓和臺(tái)階下沉特性[2]，甚至?xí)霈F(xiàn)工作面潰水、潰沙事故等不利于安全生產(chǎn)的因素[3]. 因而，系統(tǒng)研究并準(zhǔn)確掌握淺埋薄基巖工作面上覆巖層的垮落和移動(dòng)規(guī)律、預(yù)測(cè)工作面垮落步距及形態(tài)等，具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

覆巖移動(dòng)規(guī)律的研究大多采用相似模擬試驗(yàn)、礦壓數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析以及計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬等方法。其中，相似模擬試驗(yàn)在不具備現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)條件時(shí)具有明顯的優(yōu)越性，且可以直觀觀測(cè)到相似模型的應(yīng)力、位移、破壞和運(yùn)動(dòng)等變化過(guò)程，易于掌握覆巖的破斷、運(yùn)動(dòng)及變化規(guī)律，所以得到了廣泛應(yīng)用[1-6]. 本文通過(guò)工作面頂板巖層失穩(wěn)過(guò)程的物理模擬，探究淺埋薄基巖煤層條件下上覆巖層的垮落機(jī)理和來(lái)壓規(guī)律。

1 物理模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

某礦現(xiàn)主采3-1煤和4-2煤，煤層埋藏淺(平均埋深110 m)，基巖為厚約25 m的細(xì)粒砂巖和中粒砂巖，地表覆蓋巨厚松散土層，上覆砂巖結(jié)構(gòu)完整，巖性較好，頂板穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)單一，水文地質(zhì)情況簡(jiǎn)單，屬于我國(guó)西部典型的淺埋薄基巖煤層。試驗(yàn)原型為該礦42112綜采工作面，煤厚為3.15 m，平均采深122.65 m，長(zhǎng)壁開(kāi)采，工作面推進(jìn)速度為14.4 m/d, 直接頂為粉砂巖，厚7.66 m；基本頂為細(xì)粒砂巖和粉砂巖，厚度分別為8.35 m和15.10 m. 上覆松散層平均厚度70 m，基巖厚度平均40 m. 實(shí)際煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

煤層直接頂和基本頂?shù)目迓湟?guī)律依然是該次物理模擬的重點(diǎn)，研究的對(duì)象主要是基巖及其與上覆松散層之間的載荷傳遞機(jī)制。因而，在相似配比、模型鋪設(shè)和試驗(yàn)防護(hù)方面必須采取一定的特殊措施。根據(jù)相似條件，確定相似材料配比和巖層分層情況分別見(jiàn)表2，圖1.

表1 實(shí)際煤巖體物理力學(xué)參數(shù)表

表2 模型煤巖體物理力學(xué)參數(shù)和配比方案表

圖1 相似模擬試驗(yàn)煤巖分層情況圖

試驗(yàn)采用平面應(yīng)力模型，模型設(shè)計(jì)外形尺寸為2 500 mm×300 mm×1 280 mm. 按照物理模擬的相似要求，模型與原型之間滿足下列基本相似條件：幾何相似比cl=100；運(yùn)動(dòng)相似比ct=10；應(yīng)力及強(qiáng)度相似比cp=150；時(shí)間相似比αt=10；容重比均為cr=1.5.該模型鋪設(shè)到地表，不施加其他載荷。

模型分層制作，按設(shè)計(jì)的相似材料配比方案配置、敷設(shè)各巖層。模型鋪設(shè)完畢后自然風(fēng)干，開(kāi)挖時(shí)嚴(yán)格按照時(shí)間相似比進(jìn)行。鋪設(shè)后的模型全景見(jiàn)圖2.

圖2 鋪設(shè)后的模型全景圖

模型左右兩側(cè)分別留設(shè)30 m的邊界煤柱以消除邊界效應(yīng)，從右部邊界煤柱30 m處開(kāi)切眼，在開(kāi)挖過(guò)程中，嚴(yán)格按照時(shí)間相似原則依次回采。模型每開(kāi)挖一次記錄一組數(shù)據(jù)，在整個(gè)過(guò)程中，利用數(shù)碼相機(jī)攝取直觀信息。

2 覆巖垮落過(guò)程及破壞規(guī)律

2.1 覆巖垮落過(guò)程分析

工作面從開(kāi)切眼處向前推進(jìn)，當(dāng)推進(jìn)到18 m左右時(shí)，直接頂出現(xiàn)了明顯裂隙。工作面繼續(xù)開(kāi)挖到22 m時(shí)，裂隙不斷發(fā)展，直接頂與上覆巖層發(fā)生離層(圖3a)). 當(dāng)推進(jìn)到27.5 m時(shí)，工作面上方直接頂破斷并發(fā)生了初次冒落(圖3b))，基本上是沿著煤壁上方切落。上覆各巖層之間開(kāi)始存在裂縫，但并不明顯。

圖3 直接頂初次垮落前后圖

由圖3可見(jiàn)，直接頂初次垮落步距約為27.5 m，垮落高度為1.5 m左右，垮落的巖塊相互之間排列整齊，塊狀結(jié)構(gòu)明顯，垮落時(shí)基本為切落式。初次垮落對(duì)上覆巖層中關(guān)鍵層傳遞的影響不明顯。

隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，由于在采空區(qū)一側(cè)失去了鉸接，無(wú)法繼續(xù)傳遞力的作用，所以直接頂基本上為隨采隨冒(圖4a)). 當(dāng)推進(jìn)到35 m左右時(shí)，基本頂發(fā)生初次斷裂(圖4b))，沿支架后方整體式切落，上覆巖層中的裂縫明顯，且裂縫隨工作面的推進(jìn)不斷前移、上擴(kuò)。

圖4 直接頂隨采隨冒及基本頂初次垮落圖

由圖4可見(jiàn)，基本頂初次來(lái)壓步距約為35 m，初次垮落之后，工作面推進(jìn)對(duì)覆巖的影響不斷向前、向上傳遞和擴(kuò)展，上覆巖層逐漸下沉。

當(dāng)工作面繼續(xù)向前推進(jìn)到51 m左右時(shí)，基本頂巖層發(fā)生首次周期來(lái)壓，基巖破斷角較大，靠近工作面一側(cè)的巖塊略大于采空區(qū)一側(cè)的巖塊，是非對(duì)稱型結(jié)構(gòu)(圖5a)中巖塊A、B). 此時(shí)的垮落巖層高度已經(jīng)超過(guò)7.5 m，垮落巖層上方繼續(xù)出現(xiàn)裂縫，來(lái)壓顯現(xiàn)劇烈，垮落巖層呈臺(tái)階巖梁式切冒(圖5b)).

圖5 基本頂首次周期來(lái)壓及臺(tái)階巖梁式切冒圖

由圖5可見(jiàn)，直接頂首次周期來(lái)壓步距約為16 m，上覆巖層大范圍垮落時(shí)，頂板巖層基本沿全厚切落，工作面為垮落帶和裂隙帶“兩帶”。

當(dāng)工作面推進(jìn)到64 m，采動(dòng)影響繼續(xù)擴(kuò)展，上覆巖層受到的傳遞影響愈加明顯，表現(xiàn)為發(fā)生劇烈的、更大范圍的垮落，基本頂出現(xiàn)第二次周期來(lái)壓(圖6a)). 隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，在工作面煤壁上方出現(xiàn)了長(zhǎng)度約為15 m的堅(jiān)硬懸頂不垮落，對(duì)工作面生產(chǎn)安全形成了一定威脅(圖6b)中C部分)。

圖6 基本頂?shù)诙沃芷趤?lái)壓及堅(jiān)硬不垮落懸頂圖

隨著工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，堅(jiān)硬懸頂周期性垮落，在其上方的巖層也隨之冒落，來(lái)壓迅猛，如在此之前不進(jìn)行強(qiáng)制放頂，將會(huì)很難支護(hù)，甚至壓力猛增、壓死液壓支架(圖7).

圖7 堅(jiān)硬頂板突然垮落及其上方巖層垮落圖

當(dāng)工作面繼續(xù)向前推進(jìn)到約120 m時(shí)，采動(dòng)影響基本傳遞到表土層，對(duì)地面形成一定影響(圖8a)). 此時(shí)，可以明顯計(jì)算得出基巖破斷角，開(kāi)切眼一側(cè)為75.7°，煤壁一側(cè)為72.2°(圖8b)). 另外，可以明顯看出，在工作面基本頂巖層首次周期來(lái)壓之后，周期來(lái)壓步距基本上是“一大一小”交替出現(xiàn)，較大值為16 m左右，較小值為13 m左右。

圖8 采動(dòng)影響傳遞到地表及基巖破斷角圖

當(dāng)工作面推進(jìn)到停采線附近時(shí)，上覆巖層的采動(dòng)影響已經(jīng)全部穩(wěn)定，可見(jiàn)開(kāi)切眼側(cè)和煤壁側(cè)兩條基巖破斷線分別傾斜向上延伸，最終形成梯形漏斗狀巖層垮落形式(圖9).

圖9 工作面推進(jìn)到停采線及頂板垮落圖

由圖9可見(jiàn)，工作面出現(xiàn)臺(tái)階下沉，特別是在煤壁處是以較大角度(或垂直)切落，在這種采動(dòng)影響不斷向前傳遞和向上延伸之后，引起了地面一定的平緩下沉量，但是此下沉量并不大。

2.2 覆巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

由覆巖的垮落過(guò)程可見(jiàn)，基本頂初次垮落時(shí)會(huì)出現(xiàn)非對(duì)稱型結(jié)構(gòu)，周期垮落時(shí)會(huì)出現(xiàn)“一大一小”的周期來(lái)壓步距，抽象出其力學(xué)模型(圖10)進(jìn)行分析。

圖10 非對(duì)稱三角拱力學(xué)模型圖

基本頂巖塊A和巖塊B之間的擠壓接觸面長(zhǎng)度為：

可以近似地認(rèn)為水平力T的作用點(diǎn)位于該長(zhǎng)度的一半處。

根據(jù)平衡條件，ΣMa=0、ΣMc=0及ΣY=0，并將x代入可得：

式中：

1) 滑落失穩(wěn)分析。

為了防止基本頂破斷巖塊在煤壁處發(fā)生滑落失穩(wěn)，則要求滿足條件：

T·tanφ≥Qa

式中：

tanφ—破斷巖塊之間的摩擦系數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果和室內(nèi)試驗(yàn)分析一般取0.5.

得到：

i+sind2≤0.46

通常在回轉(zhuǎn)角小于4°的情況下，都可以認(rèn)為不會(huì)發(fā)生滑落失穩(wěn)[4]，即i≤0.46-sin4°=0.39

以基本頂周期來(lái)壓過(guò)程中的A、B巖塊為例，假設(shè)A巖塊是較大的一塊，長(zhǎng)度16 m，厚度8 m；B巖塊是較小的一塊，長(zhǎng)度13 m，厚度8 m，則

iA=0.5>0.39

iB=0.62>0.39

這說(shuō)明，42112工作面上覆巖層中基本頂?shù)闹芷谛钥迓湟曰涫Х€(wěn)為主，同現(xiàn)場(chǎng)頂板的切冒和臺(tái)階巖梁現(xiàn)象也相符合。

2) 回轉(zhuǎn)變形失穩(wěn)分析。

破斷巖塊之間的回轉(zhuǎn)變形失穩(wěn)條件[5]為：

式中：

由此公式定性可知，塊度越小、回轉(zhuǎn)角越大，該三角拱結(jié)構(gòu)越易于發(fā)生回轉(zhuǎn)變形失穩(wěn)，對(duì)頂板控制相對(duì)而言也比較有利。此時(shí)對(duì)于覆巖結(jié)構(gòu)的分析和研究可以引入Reissner中厚板理論和Mindlin中厚板理論。

3 結(jié) 論

在開(kāi)采期間，工作面上方垮落巖層基本上是典型的臺(tái)階巖梁形式，在煤壁處出現(xiàn)較大角度(甚至是垂直)的切落，所以來(lái)壓劇烈且迅猛，頂板控制存在一定難度，局部地段甚至可能會(huì)存在壓死支架的現(xiàn)象，覆巖破壞表現(xiàn)為整體形式，工作面第一次垮落之后，裂縫不斷向前擴(kuò)展和向上延伸，最終貫通到地面，對(duì)地表造成一定的下沉量。

工作面直接頂初次垮落步距為27.5 m，基本頂初次垮落步距約為35 m，而周期垮落步距基本為初次垮落步距的一半，并呈現(xiàn)出“一大一小”交替出現(xiàn)的趨勢(shì)，即16 m和13 m，這與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和理論分析的結(jié)果相符合。

上覆巖層以垂直運(yùn)動(dòng)為主，隨著工作面的不斷向前推移，頂板位移量不斷變大。頂板巖塊垮落時(shí)，頂板位移速度最大，覆巖下沉逐漸擴(kuò)展，基本頂巖塊垮落的表現(xiàn)形式為滑落失穩(wěn)。基本頂巖塊的塊度越小、回轉(zhuǎn)角越大，該三角拱結(jié)構(gòu)越易于發(fā)生回轉(zhuǎn)變形失穩(wěn)，對(duì)頂板控制相對(duì)而言也比較有利。