下保護(hù)層開(kāi)采上覆煤層頂板破斷規(guī)律研究

余龍哲，劉勇，韓連昌，王沉，康向濤，田燚

(貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

0 引言

貴州省煤炭資源豐富且賦存形式多樣，偏多數(shù)煤炭資源以煤層群形式存在。為統(tǒng)籌好開(kāi)采技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益兩方面，針對(duì)部分近距離煤層采取下保護(hù)層開(kāi)采方案。由于下保護(hù)層開(kāi)采采用非常規(guī)開(kāi)采順序，導(dǎo)致上覆煤層頂板空間結(jié)構(gòu)及原生應(yīng)力遭到破壞，增加了上覆煤層開(kāi)采支護(hù)難度，對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)形成了較大的威脅[1?2]。

近年來(lái)，我國(guó)眾多學(xué)者針對(duì)不同條件下煤礦開(kāi)采頂板破斷規(guī)律展開(kāi)了研究?？导t普等[3]分析了大量煤礦開(kāi)采地應(yīng)力數(shù)據(jù)，總結(jié)了頂板應(yīng)力演化規(guī)律及分布特征；王云廣等[4]采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等手段，得到了高強(qiáng)度開(kāi)采下頂板破斷特征及運(yùn)移規(guī)律；劉泉聲等[5]應(yīng)用離散元軟件分析了工作面頂板大變形原因，并給出了相應(yīng)控制措施；李云鵬等[6]針對(duì)急斜特厚煤層綜放開(kāi)采，得到頂板在空間上產(chǎn)生“擠壓-滑移-回轉(zhuǎn)”交替運(yùn)動(dòng)規(guī)律；馮國(guó)瑞、王成等[7?8]分別模擬了煤層上行開(kāi)采過(guò)程，得到了上行開(kāi)采下頂板破斷關(guān)鍵因素及時(shí)空演化規(guī)律；鞠文君等[9]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)原巖應(yīng)力場(chǎng)測(cè)量以及頂板巖層結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析，對(duì)誘發(fā)頂板來(lái)壓破斷機(jī)理進(jìn)行了闡述；呂兆海、秦凱、崔峰等[10?12]分析了近距離煤層開(kāi)采時(shí)頂板變形破壞特征與失穩(wěn)破壞機(jī)理，揭示了回采過(guò)程中頂板運(yùn)移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、塑性破壞區(qū)的演化規(guī)律。

上述學(xué)者圍繞不同條件下頂板破斷規(guī)律展開(kāi)研究并取得了豐碩科研成果，但針對(duì)下保護(hù)層開(kāi)采上覆煤層頂板破斷規(guī)律的研究較少。因此，本文以貴州某礦為工程背景，通過(guò)建立力學(xué)分析模型，推導(dǎo)頂板破斷的極限條件及破斷步距，構(gòu)建物理相似模型反演下保護(hù)層開(kāi)采上覆煤層頂板破斷垮落過(guò)程，并加以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐驗(yàn)證，最終得到了下保護(hù)層開(kāi)采上覆煤層頂板破斷規(guī)律，為類似條件的頂板治理提供了有效理論依托。

1 礦井基本概況

某煤礦的110507工作面處于5#煤層，5#煤層埋深為517.5m，平均厚度為2.1m，平均傾角為6°，局部采段有瓦斯涌出；110907工作面處于9#煤層，9#煤層埋深為545.2m，平均厚度為2.2m，平均傾角為6°，位于5#煤層下方25.6m處，煤層柱狀圖如圖1所示?；?10507工作面有瓦斯涌出，110907工作面開(kāi)采完畢后有利于110507工作面瓦斯的釋放，故將110907工作面作為110507工作面的下保護(hù)層進(jìn)行開(kāi)采。

圖1 煤層柱狀圖

2 理論分析

2.1 基本頂載荷計(jì)算

如圖2所示，在110507工作面推進(jìn)過(guò)程中其基本頂載荷來(lái)自于自身重力及上部巖層載荷，為便于分析計(jì)算，設(shè)定上部巖層載荷均勻分布，繼而計(jì)算其基本頂載荷q的大小[13]。

圖2 基本頂載荷計(jì)算模型

結(jié)合表1，根據(jù)組合梁原理，可運(yùn)用式（1）進(jìn)行計(jì)算[14]：

式中，(qn)1為第n層巖層對(duì)第1層（基本頂）的作用載荷，MPa；En為第n層巖層的彈性模量；hn為第n層巖層的厚度，m；γn為第n層巖層的體積力，MN·m?3。

當(dāng)計(jì)算出現(xiàn)(qn)1＞(qn+1)1時(shí)，表明第n+1層巖層不影響第1層（基本頂）載荷大小，判定基本頂載荷為(qn)1。

計(jì)算出第1層（基本頂）自身載荷為：

考慮第2層（粉砂巖）對(duì)基本頂?shù)淖饔?，此時(shí)基本頂載荷為：

得到(q2)1＜q1。因此，110507工作面基本頂載荷為159.5 kPa。

表1 110507工作面基本頂及其上部巖層力學(xué)參數(shù)

2.2 初次破斷機(jī)理分析

基于5#煤層地質(zhì)及開(kāi)采條件，取110507工作面堅(jiān)硬頂板（即基本頂，設(shè)其厚度為h）為研究對(duì)象，推進(jìn)過(guò)程中基本頂發(fā)生初次破斷時(shí)形成一種類固支梁結(jié)構(gòu)，其力學(xué)分析模型如圖3所示[15]。

圖3 初次破斷力學(xué)分析模型

應(yīng)力分量表達(dá)式為：

對(duì)式（4）進(jìn)行對(duì)稱性分析，得到模型中部切應(yīng)力為零，其橫向截面上的正應(yīng)力（即拉應(yīng)力σ1）在[0，h/2]位置時(shí)處于最大值，則：

依據(jù)材料最大拉應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則，運(yùn)用公式（6）可計(jì)算出基本頂?shù)臉O限破斷步距：

即基本頂?shù)某醮纹茢嗖骄郘公式為：

根據(jù)110507工作面基本頂巖石物理力學(xué)參數(shù)，計(jì)算得到基本頂?shù)某醮纹茢嗖骄酁?9.4m。

2.3 周期破斷機(jī)理分析

當(dāng)110507工作面推進(jìn)過(guò)程中基本頂發(fā)生周期破斷時(shí)，懸露基本頂一端固定，另一端懸空，形成一種類懸臂梁結(jié)構(gòu)，其力學(xué)分析模型如圖4所示。

圖4 周期破斷力學(xué)分析模型

應(yīng)力分量表達(dá)式為：由于直接頂破斷垮落位置處所承載的豎直作用力相對(duì)較小，可令Tf=0，得到：

聯(lián)立式（11）與式（12），得到基本頂周期破斷應(yīng)力分量表達(dá)式為：

選取基本頂周期破斷截面中心為坐標(biāo)軸，即周期破斷面上（x=0處），通過(guò)函數(shù)的單調(diào)性獲得拉斷條件下基本頂周期破斷步距滿足關(guān)系式：

因?yàn)殚_(kāi)采產(chǎn)生的頂板破斷塊體與采空區(qū)賦存矸石之間無(wú)水平推力，可令T=0，得到基本頂周期破斷步距Lp公式為：

根據(jù)110507工作面基本頂巖石物理力學(xué)參數(shù)，計(jì)算得到基本頂周期破斷步距為9.9m。

3 物理相似模擬試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?/h3>

模型試驗(yàn)架尺寸為2m×0.3m×1.8m（長(zhǎng)×寬×高）的長(zhǎng)方體，試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)體的幾何相似比為1∶100，應(yīng)力強(qiáng)度相似比為1∶150，容重相似比為1∶1.6。依據(jù)煤層及各巖層物理力學(xué)參數(shù)（表2），每層選取不同比例的河砂、石灰、石膏并加入清水混合攪勻鋪入模型試驗(yàn)架，繼而在表面鋪設(shè)一層薄云母碎片，待其平整穩(wěn)定后進(jìn)行下一層鋪設(shè)。物理相似模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示，其中包括相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、載荷補(bǔ)償裝置、高速攝像機(jī)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖5 物理相似模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

模型設(shè)計(jì)與位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示，模型兩端各留設(shè)30 cm邊界煤柱，開(kāi)切眼位于距離模型右邊界30 cm處。先行開(kāi)采9#煤層，向右推進(jìn)100 cm停止，待9#煤層開(kāi)采完畢上覆巖層自然垮落穩(wěn)定后，再進(jìn)行5#煤層開(kāi)采，向右推進(jìn)100 cm停止。為觀測(cè)5#煤層開(kāi)采過(guò)程中頂板下沉量，在模型上共鋪設(shè)8排、11列位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，兩相鄰監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎直間距為10 cm，水平間距為10 cm。

圖6 模型設(shè)計(jì)及位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

表2 各煤層及巖層力學(xué)參數(shù)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

當(dāng)5#煤層工作面推進(jìn)20 cm時(shí)，如圖7所示。9#煤層開(kāi)采完畢，其上覆巖層已自然坍塌垮落形成穩(wěn)定構(gòu)造；5#煤層處于9#煤層上覆巖層裂隙帶范圍內(nèi)，直接頂隨采隨冒；懸露基本頂與上部巖層間形成離層，中部及兩端出現(xiàn)破裂，整體彎曲下沉由中部向下垮落；因基本頂巖性較硬，并未形成完全垮落，此時(shí)基本頂形成初次來(lái)壓破斷。

當(dāng)5#煤層工作面推進(jìn)30 cm時(shí)，如圖8所示。當(dāng)推進(jìn)剛過(guò)20 cm破斷關(guān)鍵面時(shí)，懸露基本頂極限跨度突破臨界值，中段及鄰近采空區(qū)端部巖塊產(chǎn)生大量拉伸破壞，發(fā)生初次垮落下沉，初次破斷步距為20 cm；繼續(xù)推進(jìn)時(shí)，基本頂懸空端在重力及載荷作用下逐漸下沉，懸露基本頂與上部巖層離隙呈“三角狀”逐漸增大，繼而固定端產(chǎn)生強(qiáng)烈拉伸破壞，最終在30 cm處發(fā)生二次破斷垮落，形成二次來(lái)壓破斷。

圖7 5#煤層工作面推進(jìn)20 cm頂板破斷特征

圖8 5#煤層工作面推進(jìn)30 cm頂板破斷特征

當(dāng)5#煤層工作面推進(jìn)90 cm時(shí)，如圖9所示?；卷敵手芷谛云茢嗫迓湎鲁?，周期破斷步距為10 cm左右，破斷形式以拉伸破壞為主；破斷垮落的巖體間通過(guò)彼此壓迫形成一種新的穩(wěn)固構(gòu)造，基本頂依次經(jīng)歷“失穩(wěn)-穩(wěn)定-再失穩(wěn)”的循環(huán)變化。

圖9 5#煤層工作面推進(jìn)90 cm頂板破斷特征

當(dāng)5#煤層工作面推進(jìn)100 cm時(shí)，如圖10所示。基本頂及其上部巖層破斷垮落下沉把采空區(qū)充填壓實(shí)，破斷角在55°～65°之間；上覆巖層塑性破壞區(qū)呈“梯形”結(jié)構(gòu)，并趨于平衡穩(wěn)定；推進(jìn)過(guò)程中基本頂在空間上依次經(jīng)歷“離層-破斷-垮落”有規(guī)律交替運(yùn)動(dòng)。

圖10 5#煤層工作面推進(jìn)100 cm頂板破斷特征

在5#煤層推進(jìn)過(guò)程中，觀測(cè)其上方頂板同一水平線不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移下沉量，分別為監(jiān)測(cè)點(diǎn)4（距開(kāi)切眼30 cm）、監(jiān)測(cè)點(diǎn)5（距開(kāi)切眼40 cm）、監(jiān)測(cè)點(diǎn)6（距開(kāi)切眼50 cm）、監(jiān)測(cè)點(diǎn)7（距開(kāi)切眼60 cm）。由圖11可知，頂板下沉?xí)r依次經(jīng)歷“穩(wěn)定-加劇-飽和”3個(gè)階段：下沉穩(wěn)定階段，工作面尚未推進(jìn)至監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，頂板結(jié)構(gòu)大致穩(wěn)定，下沉特征不明顯；下沉加劇階段，工作面推進(jìn)至監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，頂板開(kāi)始下沉，隨著工作面推進(jìn)過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，頂板下沉值呈指數(shù)上升，下沉范圍逐步擴(kuò)大，當(dāng)工作面推進(jìn)過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)20 cm時(shí)，頂板大幅度下沉，表明監(jiān)測(cè)點(diǎn)處頂板已劇烈破斷垮落；下沉飽和階段，下沉幅度逐步趨于平緩，破斷垮落巖體間形成新的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。頂板最大下沉量為21mm，同一水平位置頂板下沉?xí)r呈“邊坡”狀分布。

圖11 頂板下沉曲線

4 現(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)

4.1 監(jiān)測(cè)方案布置

如圖12所示，針對(duì)110507工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)，該工作面共配備110臺(tái)液壓支架，選取工作面端部及中間部位布置應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別位于1#液壓支架和50#液壓支架處，從開(kāi)切眼至推進(jìn)100m處進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖12 液壓支架監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

4.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

如圖13所示，110507工作面從開(kāi)切眼至推進(jìn)100m整個(gè)過(guò)程中，1#與50#監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)得數(shù)據(jù)相差不大。當(dāng)工作面推進(jìn)17.9m與22.1m時(shí)，液壓支架監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力陡然激增，繼續(xù)推進(jìn)應(yīng)力大幅度下降，基本頂形成初次來(lái)壓破斷。當(dāng)工作面推進(jìn)29.2m和33.9m時(shí)，液壓支架監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力又一次激增，達(dá)到第二次峰值，繼續(xù)推進(jìn)應(yīng)力大幅度下降，基本頂形成二次來(lái)壓破斷。隨后每推進(jìn)約9.3m時(shí)，液壓支架監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力激增，繼續(xù)推進(jìn)應(yīng)力大幅度下降，基本頂形成周期來(lái)壓破斷。1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)得初次來(lái)壓破斷步距17.9m、周期來(lái)壓破斷步距8.4m；50#監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)得初次來(lái)壓破斷步距22.1m、周期來(lái)壓破斷步距10.2m，監(jiān)測(cè)結(jié)果與理論分析、物理相似模擬結(jié)果基本吻合。因此，在工作面來(lái)壓期間，需適當(dāng)加快工作面推進(jìn)速度，避免發(fā)生壓架事故。

圖13 1#、50#監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化曲線

5 結(jié)論

（1）建立某礦110507工作面推進(jìn)時(shí)基本頂破斷不同時(shí)期頂板力學(xué)分析模型。得到上覆煤層基本頂載荷、破斷臨界條件、初次及周期破斷步距計(jì)算公式。

（2）構(gòu)建物理相似模型，反演110507工作面推進(jìn)頂板破斷歷程。上覆煤層直接頂隨采隨冒，基本頂初次破斷步距20 cm、周期破斷步距10 cm，破斷角在55°～65°之間，采空區(qū)上覆巖層塑性破壞區(qū)呈“梯形”結(jié)構(gòu)；基本頂在空間上依次經(jīng)歷“離層-破斷-垮落”有規(guī)律的交替運(yùn)動(dòng)。

（3）監(jiān)測(cè)相似模擬110507工作面推進(jìn)過(guò)程中頂板下沉量。頂板下沉?xí)r依次經(jīng)歷“穩(wěn)定-加劇-飽和”3個(gè)階段，最大下沉量為21mm；同一水平位置頂板下沉?xí)r呈“邊坡”狀分布。

（4）對(duì)110507工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果與理論分析、物理相似模擬結(jié)果基本吻合。工作面來(lái)壓期間需適當(dāng)加快工作面推進(jìn)速度，以避免發(fā)生壓架事故。