采動(dòng)巷道側(cè)向高低位厚硬頂板破斷模式試驗(yàn)研究

趙善坤，趙 陽(yáng)，王春來，王 寅，陳 增

(1.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 礦山安全技術(shù)研究分院，北京 100013；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

煤炭在一次能源結(jié)構(gòu)中的主導(dǎo)地位在未來很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)動(dòng)搖[1]。未來我國(guó)能源生產(chǎn)消費(fèi)依舊以煤炭為主的格局不會(huì)改變[2-4]。深部開采已成為目前煤炭資源開發(fā)新常態(tài)[5-7]，我國(guó)主要成煤時(shí)期為石炭紀(jì)、二疊紀(jì)和侏羅紀(jì)[8]。西北地區(qū)侏羅煤是大型河流相和湖泊相沉積體系下高位泥炭沼澤的產(chǎn)物，煤層上方多含厚硬巖層結(jié)構(gòu)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，西北地區(qū)60%以上礦井的主采煤層上方100 m范圍內(nèi)大多含有厚度為8～15 m、普氏系數(shù)大于4且層間距離較小的強(qiáng)度高、距離近、整體性強(qiáng)、垮冒性差的厚硬巖層結(jié)構(gòu)，易造成工作面后方及側(cè)向采空區(qū)懸頂長(zhǎng)度過大，誘發(fā)工作面采場(chǎng)附近動(dòng)壓顯現(xiàn)，已成為該地區(qū)煤礦安全生產(chǎn)中最大的安全隱患之一。陜蒙地區(qū)沖擊地壓顯現(xiàn)大多發(fā)生在受二次采掘擾動(dòng)影響的回風(fēng)巷煤巷之中。采動(dòng)巷道上覆厚硬巖層結(jié)構(gòu)位于上工作面采空區(qū)邊緣并在區(qū)段煤柱上方局部形成弧形三角塊鉸接結(jié)構(gòu)[9-10]，其中厚硬巖層采空區(qū)側(cè)向破斷方式、破斷位置及其與區(qū)段煤柱的相互位置關(guān)系，直接影響區(qū)段煤柱的應(yīng)力分布和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[11-13]。

采動(dòng)巷道的形成與巷道布置方式密切相關(guān)[14-15]，采動(dòng)巷道區(qū)段煤柱側(cè)向厚硬頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律和破斷方式受區(qū)段煤柱寬度和上一工作面及本工作面開采后上覆巖層運(yùn)動(dòng)及破斷特征影響顯著。圍繞采場(chǎng)上覆巖層運(yùn)動(dòng)及破斷規(guī)律先后提出了懸臂巖梁假說、壓力拱假說、鉸接巖梁假說(Kuznetsov，1951)、預(yù)成裂隙假說，并建立了上覆巖層彈性基礎(chǔ)梁模型，這些成果奠定了礦山壓力與巖層控制學(xué)科基礎(chǔ)并促進(jìn)了該學(xué)科后續(xù)的飛速發(fā)展[16-17]。錢鳴高等[18-21]通過總結(jié)大量生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和觀測(cè)數(shù)據(jù)，在完善預(yù)成裂隙假說和鉸接巖梁假說的基礎(chǔ)上，建立了上覆巖層開采后“砌體梁”式平衡結(jié)構(gòu)力學(xué)模型。宋振騏等[22-23]以上覆巖層運(yùn)動(dòng)為核心，通過將上覆巖層中同期運(yùn)動(dòng)的巖層組視為整體運(yùn)動(dòng)傳遞應(yīng)力巖梁，認(rèn)為頂板斷裂巖塊因相互咬合而始終可以向煤壁及采空區(qū)矸石側(cè)傳遞作用力，提出了“傳遞巖梁”學(xué)說。在沖擊地壓防治理論方面，齊慶新等[24-26]從沖擊地壓防治的角度，提出了應(yīng)力控制防沖。竇林名等[27-28]主張通過對(duì)煤巖體進(jìn)行損傷軟化，降低煤巖體的強(qiáng)度，調(diào)整轉(zhuǎn)移煤體局部應(yīng)力集中并使其向深部轉(zhuǎn)移，進(jìn)而降低沖擊地壓的強(qiáng)度，形成了強(qiáng)度弱化減沖理論。

分析二次采掘擾動(dòng)影響下巷道上覆厚硬巖層側(cè)向不同破斷位置對(duì)區(qū)段煤柱受力特征影響，建立上覆厚硬巖層側(cè)向不同破斷結(jié)構(gòu)下區(qū)段煤柱力學(xué)模型和失穩(wěn)判據(jù)，對(duì)于弄清陜蒙地區(qū)沖擊地壓發(fā)生機(jī)理，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)沖擊地壓防治具有重要的理論意義。筆者以鄂爾多斯烏審旗巴彥高勒煤礦為工程研究背景，開展采動(dòng)巷道側(cè)向高低位厚硬頂板不同結(jié)構(gòu)破斷模式試驗(yàn)研究。通過自主研制的模擬頂板垮斷加載裝置和加工大尺寸煤巖試件模擬分析上覆高低位厚硬巖層側(cè)向不同斷裂位置組合下區(qū)段煤柱受力特征，分析采動(dòng)巷道區(qū)段煤柱高低位厚硬頂板結(jié)構(gòu)破斷特征及應(yīng)力傳遞機(jī)制，建立高低位厚硬巖層破斷結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，得到破斷擾動(dòng)影響下區(qū)段煤柱結(jié)構(gòu)變形特征及應(yīng)力分布特征，獲得煤柱的動(dòng)力災(zāi)害防治和設(shè)計(jì)優(yōu)化依據(jù)，為我國(guó)陜蒙地區(qū)深部煤炭資源的安全高效開采提供保障。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)方案為將高位基本頂板的活動(dòng)作為力源，通過低位直接頂板傳遞至煤柱產(chǎn)生擠壓作用的過程。試驗(yàn)方案中，高位基本頂可以視為剛性體，其在回轉(zhuǎn)裝置的作用下模擬基本頂斷裂；特制巖板模擬低位直接頂，煤體圓孔模擬巷道，側(cè)向開口模擬采空區(qū)。試驗(yàn)的整體過程表征基本頂垮斷擠壓直接頂作用在采空區(qū)煤柱的工程實(shí)際問題。試驗(yàn)在煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開展完成。

1.1 試樣制作

試驗(yàn)所用煤巖樣取自巴彥高勒煤礦11盤區(qū)，該盤區(qū)為礦井首采盤區(qū)，311103工作面內(nèi)煤層平均厚度為5.42 m，平均傾角為1.5°。煤層上方100 m范圍內(nèi)存在4層厚硬巖層，尤其是煤層上方60 m范圍內(nèi)的3層厚硬頂板，其結(jié)構(gòu)特征及力學(xué)特性對(duì)沿空煤巷礦壓顯現(xiàn)影響顯著。由沖擊傾向性鑒定報(bào)告可知該盤區(qū)煤體具有弱沖擊傾向性，煤巖樣的力學(xué)參數(shù)見表1，沖擊傾向性鑒定結(jié)果見表2。將煤加工為150 mm×150 mm×150 mm的立方體煤樣，巖石加工為150 mm×150 mm×25 mm的板型巖樣。利用雙端面磨石機(jī)和調(diào)速磨石機(jī)對(duì)煤巖試樣進(jìn)行研磨精加工，保證試件6個(gè)表面任意兩端面不平行度低于0.05 mm，軸向偏差不應(yīng)大于0.25°。使用特制加工的直徑為20 mm的金剛石鉆頭在煤樣邊緣先后開孔，相鄰鉆孔之間用高強(qiáng)度電鉆修邊，模擬側(cè)向采空區(qū)，并且在平行于側(cè)向采空區(qū)、間隔為60 mm的位置鉆孔模擬臨空巷道工作面，鉆進(jìn)過程中控制速度，按照先小孔、再擴(kuò)孔、后修孔的順序，加工鉆孔。對(duì)中粒砂巖巖板進(jìn)行了預(yù)制裂縫，分別在巖板長(zhǎng)邊1/4處、1/2處位置，采用長(zhǎng)距銼刀制取深度約為5 mm的裂縫，用以在試驗(yàn)中控制低位厚硬巖層的破斷位置。

表1 煤層及頂板力學(xué)參數(shù)測(cè)試統(tǒng)計(jì)

表2 煤沖擊傾向性結(jié)果

以311103工作面回風(fēng)巷道為背景，按照現(xiàn)場(chǎng)巷道真實(shí)斷面長(zhǎng)×高=5.5 m×4.5 m和區(qū)段煤柱寬度20 m進(jìn)行同比例縮小。簡(jiǎn)化采動(dòng)巷道斷面為直徑20 mm的圓形巷道，區(qū)段煤柱寬度為60 mm，采空區(qū)側(cè)長(zhǎng)度為35 mm，巷道留有25 mm厚頂煤。加工完成后的煤巖試樣如圖1、圖2所示。在煤樣7個(gè)部位設(shè)置了電阻式應(yīng)變片，如圖3所示。

圖1 試驗(yàn)煤樣(編號(hào)為A1-A8)Fig.1 Test specimen after processing (numbered A1-A8)

圖2 版型巖樣加工方法示意Fig.2 Schematic diagram of rock slab processing method

圖3 煤樣應(yīng)變測(cè)點(diǎn)示意Fig.3 Schematic of measuring points of coal strain gauges

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及設(shè)計(jì)

模擬高位厚硬巖層在不同破斷位置下對(duì)低位厚硬巖層的影響，進(jìn)而分析高低位厚硬頂板不同破斷組合模式下的區(qū)段煤柱受力特征。設(shè)計(jì)了模擬高位巖層加載試驗(yàn)裝置，主要由回轉(zhuǎn)剛板、回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置、配重鋼塊3部分組成(圖4a)。其中回轉(zhuǎn)鋼板模擬高位頂板，回轉(zhuǎn)鋼板的回轉(zhuǎn)過程模擬高位頂板的破斷過程?；剞D(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置由液壓千斤頂和固定件組成，回轉(zhuǎn)動(dòng)力由液壓千斤頂提供。配重鋼塊用于加強(qiáng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部強(qiáng)度，平衡試驗(yàn)裝置整體的受力情況。

圖4 試驗(yàn)加載裝置Fig.4 Test loading device

厚硬巖層破斷回轉(zhuǎn)試驗(yàn)簡(jiǎn)化模型如圖5所示，將高、低位厚硬巖層破斷位置與區(qū)段煤柱對(duì)應(yīng)關(guān)系分成4種方案模擬，如圖6所示。

圖5 厚硬巖層破斷回轉(zhuǎn)試驗(yàn)簡(jiǎn)化模型Fig.5 Simplified model for fracture rotation test of thick and hard rock

圖6 采動(dòng)巷道上覆多厚硬巖層側(cè)向破斷方案4種試驗(yàn)方案示意Fig.6 Schematic of four test schemes for lateral failure of multiple thick hard rock layers overlying mining roadways

定義低位巖層與高位巖層破斷點(diǎn)至采空區(qū)與區(qū)段煤柱邊界線的距離分別為L(zhǎng)、H，具體方案如下：方案1，高位厚硬巖層和低位厚硬巖層均斷裂于靠近采空區(qū)側(cè)的位置，試驗(yàn)中2點(diǎn)與采空區(qū)邊緣平齊，在模型中為L(zhǎng)=0，H=0；方案2，高位厚硬巖層斷裂點(diǎn)于煤柱中位點(diǎn)上方，低位厚硬巖層斷裂點(diǎn)對(duì)齊采空區(qū)側(cè)邊緣，在模型中為L(zhǎng)=0，H=30 mm；方案3，高位厚硬巖層斷裂點(diǎn)對(duì)齊采空區(qū)側(cè)邊緣，低位厚硬巖層斷裂點(diǎn)在煤柱中位點(diǎn)上方，在模型中為L(zhǎng)=30 mm，H=0；方案4，高位厚硬巖層和低位厚硬巖層斷裂點(diǎn)均位于煤柱中位點(diǎn)上方，在模型中為L(zhǎng)=30 mm，H=30 mm。

試驗(yàn)通過萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)預(yù)加靜載模擬高位巖層頂板垮斷過程的應(yīng)力加載環(huán)境，通過液壓千斤頂控制回轉(zhuǎn)鋼板的變形模擬高位厚硬頂板垮斷，開展二次采動(dòng)巷道厚硬頂板不同破斷位置下區(qū)段煤柱受力特征試驗(yàn)。相較于試驗(yàn)裝置的夾持力與回轉(zhuǎn)鋼板的回轉(zhuǎn)力，煤體自重帶來的影響較小，配合試驗(yàn)裝置的安裝要求，將高位厚硬頂板、低位厚硬巖層頂板及煤樣組合順序進(jìn)行倒置。

試驗(yàn)加載過程：將方形煤樣夾持在試驗(yàn)機(jī)與回轉(zhuǎn)裝置之間，夾持力為等效上覆巖層載荷；通過液壓泵對(duì)回轉(zhuǎn)裝置進(jìn)行勻速加壓，直至方形煤樣破壞。

試驗(yàn)監(jiān)測(cè)方案：相較于標(biāo)準(zhǔn)樣尺寸較大，煤體具有沖擊傾向性，借助中科院理化技術(shù)研究所的非接觸式全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)MatchID-3DHR(包括相機(jī)、照明設(shè)備和主機(jī)3個(gè)部分)如圖7所示，采用數(shù)字圖像相關(guān)法進(jìn)行比對(duì)分析。

圖7 非接觸式全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)MatchID-3DHR散斑試驗(yàn)裝置Fig.7 Non-contact full-field strain measurement system MatchID-3DHR speckle test device

1.3 試驗(yàn)力學(xué)分析

在圖5所示的二維化模型中，回轉(zhuǎn)壓頭及高低位厚硬巖層之間的均布面力，可以等效為施加在回轉(zhuǎn)鋼板的集中荷載，等效作用點(diǎn)為回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置壓頭與回轉(zhuǎn)鋼板接觸面的形心。

在高低位巖層和煤柱發(fā)生破斷之前，使用靜力學(xué)方法進(jìn)行分析，已知回轉(zhuǎn)鋼板長(zhǎng)寬均為220 mm，加載面力的中心點(diǎn)與回轉(zhuǎn)鋼板中心點(diǎn)一致。將回轉(zhuǎn)等效集中載荷記為FH，低位頂板等效集中荷載記為FL，那么高位厚硬巖層的回轉(zhuǎn)力矩MH為

(1)

在低位巖層破斷前，由于高位巖層回轉(zhuǎn)點(diǎn)力矩和為零可得低位巖層的等效集中荷載FL為

(2)

低位厚硬巖層破斷點(diǎn)彎矩和為零，可得煤柱剪力FC與低位頂板壓力FL相同，為

(3)

低位巖板在預(yù)設(shè)斷點(diǎn)破斷前的彎矩ML為

(4)

采空區(qū)邊緣煤頂最大剪應(yīng)力處受到的彎矩MC為

(5)

將L、H代入式(4)，式(5)可以得到4種方案下高低位巖板及煤采空區(qū)煤頂在破斷發(fā)生前的最大彎矩與回轉(zhuǎn)壓力間的關(guān)系為

方案1，ML=110FH，MC=110FH

因所用煤樣取自同一區(qū)域且加工尺寸基本一致，可以認(rèn)為其具有相同的強(qiáng)度。根據(jù)各個(gè)方案破斷前的彎矩與回轉(zhuǎn)等效集中荷載間的關(guān)系可知，方案1、方案3的低位厚硬巖層最容易破斷，方案1、方案4次之且破壞閾值一致，方案2相對(duì)最難破斷。

當(dāng)?shù)臀缓裼矌r層破斷，采空區(qū)煤頂尚未破壞，且L>H時(shí)，低位厚硬巖層將在預(yù)制裂縫處產(chǎn)生破斷后再于采空區(qū)邊緣處產(chǎn)生二次破斷，此時(shí)采空區(qū)煤頂?shù)膽?yīng)力集中情況將不滿足式(4)與式(5)，同時(shí)由于回轉(zhuǎn)角度的出現(xiàn)，等效集中荷載作用點(diǎn)將轉(zhuǎn)移至采空區(qū)煤頂?shù)闹悬c(diǎn)位置，最大彎矩處為采空區(qū)邊緣煤頂，此時(shí)有

FL(H+17.5)=MH=110FH

(6)

(7)

(8)

對(duì)于方案3的情況有L=30>H=0，得到

ML=MC=110FH

(9)

因此4種不同方案下采空區(qū)煤頂破壞所需回轉(zhuǎn)力源F1、F2、F3、F4的大小情況為

F1≤F3

(10)

方案1與方案3最小，方案2稍大，方案4相對(duì)需求應(yīng)力最大。

2 散斑變形及應(yīng)力分析

試驗(yàn)各個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變-時(shí)間曲線如圖8所示，分別記錄各個(gè)測(cè)點(diǎn)水平x方向與豎直y方向，應(yīng)變?yōu)檎禃r(shí)表示該方向受拉，負(fù)值則表示受壓。表3至表6列出了4個(gè)方案各2個(gè)試樣7個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變演化過程。

圖8 應(yīng)變演化情況(以A1測(cè)點(diǎn)1為例)Fig.8 Strain evolution result (take measuring point 1 of A1 as an example)

方案1散斑圖像如圖9所示，可以看出，方案1試驗(yàn)過程中，前期加載應(yīng)力較小，試驗(yàn)散斑結(jié)果顯示為高亮黃色條帶即變形主要為縱向的低程度壓縮且變化值各部位均勻分布。逐步增大回轉(zhuǎn)應(yīng)力，采空區(qū)煤頂散斑結(jié)果顯示為黃紅條帶，采空區(qū)煤頂受力變形最大。隨著高位厚硬頂板回轉(zhuǎn)角度及回轉(zhuǎn)應(yīng)力的增加，應(yīng)力開始向采空區(qū)一側(cè)集中，同時(shí)塑性區(qū)范圍也集中在采空區(qū)靠近煤柱一側(cè)。高應(yīng)變區(qū)域垂直向上擴(kuò)展發(fā)育至采空區(qū)處。通過液壓機(jī)讀數(shù)記錄高位厚硬巖層的作用力，采空區(qū)煤頂跨落時(shí)兩組試驗(yàn)得到的高位巖層荷載分別為2.65、2.25 kN。由表3可知，2個(gè)試件在7個(gè)測(cè)點(diǎn)的受力變化情況基本一致。測(cè)點(diǎn)3、6位于煤樣中部，主要受拉，其余測(cè)點(diǎn)以受壓為主。1、2、4三個(gè)測(cè)點(diǎn)在x方向先受拉，后受壓，3個(gè)測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)過程中與簡(jiǎn)支梁受均布荷載的結(jié)果近似。表明方案1中高低位巖層對(duì)煤頂起到單側(cè)壓彎的力學(xué)作用。對(duì)煤柱的應(yīng)力主要為剪力作用，對(duì)巷道應(yīng)力影響較小。

圖9 方案1散斑圖像Fig.9 Speckle image of scheme 1

表3 方案1中試樣各個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變演化過程Table 3 Strain evolution process of each measuring point in the sample of scheme 1

方案2散斑圖像如圖10所示，可以看出，隨著高位厚硬巖層頂板回轉(zhuǎn)應(yīng)力的增加，靠近區(qū)段煤柱區(qū)域附近采空區(qū)很快出現(xiàn)了應(yīng)力集中，表現(xiàn)為紅黃高亮條帶。同時(shí)，區(qū)段煤柱上方也出現(xiàn)了紅色亮斑的應(yīng)變?cè)黾訁^(qū)域，表明此時(shí)區(qū)段煤柱上方也承受了上覆頂板回轉(zhuǎn)變形的擠壓應(yīng)力。當(dāng)采空區(qū)上方煤頂垮落時(shí)，高位巖層荷載為為12.55、13.15 kN。表4的受力狀態(tài)結(jié)果表明，方案2中2個(gè)試件各個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的受力變化情況基本一致。測(cè)點(diǎn)1在x、y方向均受拉，測(cè)點(diǎn)2與測(cè)點(diǎn)5在y方向受拉說明巷道上方各層頂板的壓力在破斷過程中降低，上方應(yīng)力集中作用在采空區(qū)范圍煤頂。方案2中煤柱受力較方案1范圍更大，高位巖層破斷對(duì)煤柱起到壓剪應(yīng)力作用。

圖10 方案2散斑圖像Fig.10 Speckle image of scheme 2

表4 方案2中試樣各個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變演化過程Table 4 Strain evolution process of each measuring point in the sample of scheme 2

方案3散斑圖像如圖11所示，可以看出，隨著上覆高位厚硬巖層回轉(zhuǎn)角度及應(yīng)力的增加，應(yīng)變最大區(qū)域主要集中于煤柱采空區(qū)交界頂煤。此外，由于低位厚硬巖層在區(qū)段煤柱中部破斷，嵌入側(cè)向頂板深度較大，當(dāng)高位厚硬頂板回轉(zhuǎn)角度增大時(shí)，低位厚硬頂板側(cè)向懸臂巖梁變發(fā)生受載變形，擠壓區(qū)段煤柱采空區(qū)側(cè)向煤體，致使采空區(qū)一側(cè)表現(xiàn)為紅黃條帶出現(xiàn)塑性區(qū)，而區(qū)段煤柱上方因受力相對(duì)均勻而未出現(xiàn)應(yīng)變?cè)黾蝇F(xiàn)象，當(dāng)采空區(qū)頂板垮落時(shí)，記錄液壓機(jī)讀數(shù)，高位巖層荷載分別為4.15、4.55 kN。表5的受力狀態(tài)結(jié)果表明，方案3中2個(gè)試件各個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的受力變化情況基本一致。煤頂測(cè)點(diǎn)1、2、3以及煤柱中部測(cè)點(diǎn)5、6在y方向存在明顯的受拉過程，說明在方案3的破斷模式下，高位巖層破斷有效降低了遠(yuǎn)離采空區(qū)的煤柱上方所受壓力。測(cè)點(diǎn)4的x方向受拉，y方向受壓表征著采空區(qū)上方煤頂以及相連邊界煤柱受到上覆巖層破斷應(yīng)力的壓彎作用。

表5 方案3中試樣各個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變演化過程Table 5 Strain evolution process of each measuring point in the sample of scheme 3

方案4散斑圖像如圖12所示，可以看出，方案4試驗(yàn)過程中，在高位頂板回轉(zhuǎn)角度的變化初期，區(qū)段煤柱中部附近就出現(xiàn)紅色高應(yīng)變帶且豎直方向發(fā)育明顯，表明當(dāng)高低位頂板破斷位置均發(fā)生在煤柱上方時(shí)，由于破斷位置位于采空區(qū)側(cè)上覆頂板結(jié)構(gòu)深部，較小的回轉(zhuǎn)變形使得高低位厚硬頂板同步聯(lián)動(dòng)破斷致使區(qū)段煤柱上方出現(xiàn)應(yīng)力集中。隨著回轉(zhuǎn)角度的增加，應(yīng)變區(qū)由垂直發(fā)育分布逐漸轉(zhuǎn)為向采空區(qū)一側(cè)傾斜，在區(qū)段煤柱采空區(qū)邊緣附近出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象?；剞D(zhuǎn)加載至采空區(qū)上覆頂板斷裂后，區(qū)段煤柱中部應(yīng)變持續(xù)增加，靠近采空區(qū)側(cè)水平方向應(yīng)變隨回轉(zhuǎn)角度增加，在區(qū)段煤柱底部出現(xiàn)1條黃色高應(yīng)變帶，表明在側(cè)向頂板垮斷后，區(qū)段煤柱依然受高低位厚硬巖層側(cè)向回轉(zhuǎn)擠壓應(yīng)力作用，跨斷時(shí)高位巖層荷載分別為15.70、17.25 kN。表6的受力狀態(tài)結(jié)果表明，方案4中2個(gè)試件各個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的受力變化情況基本一致。測(cè)點(diǎn)在x，y方向主要受壓，表明破斷回轉(zhuǎn)點(diǎn)在煤柱中點(diǎn)時(shí)高位巖層對(duì)煤柱產(chǎn)生擠壓作用。臨近采空區(qū)的4、5、6三個(gè)測(cè)點(diǎn)存在先受拉，再受壓的受力變化情況，表明采空區(qū)附近破斷前以拉力為主，破斷后以受壓為主。

圖12 方案4散斑圖像Fig.12 Speckle image of scheme 4

表6 方案4中試樣各個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變演化過程Table 6 Strain evolution process of each measuring point in the sample of scheme 4

4種方案下的煤層采空區(qū)煤頂?shù)钠茢鄻?biāo)志著試驗(yàn)加載的結(jié)束。伴隨著采空區(qū)煤頂?shù)钠茢?，煤塊的受力將集中在采空區(qū)邊緣支點(diǎn)，形成較大的剪力致使煤塊在區(qū)段煤柱中部產(chǎn)生剪切破壞。

對(duì)比4種方案下的理論破壞載荷與試驗(yàn)結(jié)果間的相互關(guān)系，得到方案1與方案3破壞荷載相近且較小，方案2與方案4的破壞所需荷載較大，與模型推導(dǎo)得到的式(10)中的結(jié)果相符。證明隨著高低位厚硬巖層破斷位置的變化直接影響著采空區(qū)煤頂?shù)姆€(wěn)定性與強(qiáng)度，同時(shí)對(duì)巷道及煤柱區(qū)段的上覆應(yīng)力的變化有較大的影響。

3 分析討論

3.1 破斷位置影響

對(duì)4種典型的高低位厚硬巖層的破斷位置情況進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，高位與低位厚硬頂板的破斷對(duì)區(qū)段煤柱的應(yīng)力應(yīng)變具有較大的影響。頂板破斷往往伴隨著巨大的能量釋放，容易造成下方煤頂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較弱的部位發(fā)生失穩(wěn)破壞，成為煤礦開采過程中的安全隱患。高位厚硬巖層與低位厚硬巖層的破斷點(diǎn)與下方區(qū)段煤柱的相對(duì)位置與整個(gè)結(jié)構(gòu)模型的承載能力密切相關(guān)，在工程實(shí)際中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)高低位厚硬巖層的斷層及節(jié)理情況，控制留設(shè)煤柱的寬度及位置，避免頂板破斷的應(yīng)力集中在采空區(qū)煤頂?shù)瘸休d力較弱位置。

另一方面，當(dāng)區(qū)段煤柱上方厚硬頂板發(fā)生破斷后，可以依據(jù)文中模型計(jì)算區(qū)段煤柱結(jié)構(gòu)薄弱處的應(yīng)力集中情況，針對(duì)其承載能力提前進(jìn)行處理，防止失穩(wěn)破壞或沖擊地壓災(zāi)害的發(fā)生。

3.2 工程應(yīng)用分析

實(shí)際工程中，厚硬頂板的破斷位置具有不可預(yù)測(cè)性，文中試驗(yàn)給出了4種典型破斷結(jié)構(gòu)下對(duì)區(qū)段煤柱的應(yīng)力及變形影響。參考試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合高低位厚硬巖層的破斷回轉(zhuǎn)力學(xué)模型，對(duì)模型中不同L、H的取值進(jìn)行敏感性分析，得到各種情況下結(jié)構(gòu)失穩(wěn)所需的回轉(zhuǎn)荷載的歸一化分布情況如圖13所示。

圖13 破斷位置H、L與破壞載荷間的關(guān)系Fig.13 Relationship between breaking position H, L and breaking load

根據(jù)L、H的相對(duì)位置關(guān)系，結(jié)構(gòu)破壞所需的荷載分為2種計(jì)算模型。2種情況下，整體結(jié)構(gòu)破壞所需載荷分別與破斷點(diǎn)位置L、H的大小正相關(guān)。對(duì)于LH即高位破斷點(diǎn)前置于低位破斷點(diǎn)的情況。因此，在實(shí)際工程中，采空區(qū)煤頂上方附近存在厚硬巖層破斷的情況，應(yīng)當(dāng)對(duì)區(qū)段煤柱可能受到頂板破斷沖擊能產(chǎn)生的沖擊地壓災(zāi)害進(jìn)行預(yù)處理與防治。

4 結(jié) 論

1)利用自行設(shè)計(jì)的巖層破斷回轉(zhuǎn)加載裝置和大尺寸煤巖試樣，對(duì)比分析了采動(dòng)巷道高低位厚硬巖層在區(qū)段煤柱上方4種不同破斷位置組合下，低位厚硬巖層應(yīng)變特征、區(qū)段煤柱的受力狀態(tài)，建立了不同破斷位態(tài)組合下頂板全過程載荷計(jì)算模型和區(qū)段煤柱極限強(qiáng)度計(jì)算模型。

2)高低位厚硬巖層不同的破斷位置組合，對(duì)下部巖層的運(yùn)動(dòng)變形和區(qū)段煤柱應(yīng)力分布和巷道圍巖穩(wěn)定影響顯著。高低位巖層破斷位置越靠近采空區(qū)，區(qū)段煤柱的應(yīng)力水平越大，區(qū)段煤柱及巷道越不穩(wěn)定且更容易破壞。煤體在回轉(zhuǎn)作用下破壞所需的應(yīng)力大小與高位巖層頂板破斷點(diǎn)對(duì)采空區(qū)頂煤的力矩負(fù)相關(guān)。破斷點(diǎn)靠近區(qū)段煤柱，區(qū)段煤柱受力主要為壓剪；破斷點(diǎn)遠(yuǎn)離區(qū)段煤柱時(shí)，區(qū)段煤柱受力主要為采空區(qū)煤頂傳遞的壓彎作用。

3)高低位厚硬巖層頂板破斷的相對(duì)位置影響下位頂板的破斷情況。當(dāng)?shù)臀黄茢帱c(diǎn)處于高位破斷點(diǎn)以內(nèi)，低位頂板隨高位頂板破斷一次。當(dāng)?shù)臀豁敯迤茢帱c(diǎn)位于高位以外，則低位巖層頂板將會(huì)隨著高位巖層破斷回轉(zhuǎn)發(fā)生2次破斷。