巨厚堅(jiān)硬巖層運(yùn)移對采場超前支承壓力影響實(shí)驗(yàn)研究

許 斌，張 沿，徐維正

(山東科技大學(xué) 采礦工程研究院，山東 泰安 271000)

在我國多個礦區(qū)都含有巨厚堅(jiān)硬巖層[1]，例如：海孜煤礦的巨厚火成巖、楊柳煤礦的巨厚火成巖、華豐煤礦的巨厚礫巖、鮑店煤礦巨厚紅層砂巖等，并且曾經(jīng)發(fā)生過多次動力現(xiàn)象甚至動力災(zāi)害。例如：支架壓架、大能量礦震事件、沖擊地壓[2，3]等。眾多學(xué)者針對具有巨厚堅(jiān)硬巖層條件下的礦區(qū)進(jìn)行了大量的研究，如翟明華[4]等通過分析巨厚堅(jiān)硬巖層下沖擊地壓的發(fā)生規(guī)律，提出了此類礦井沖擊地壓存在“關(guān)鍵工作面效應(yīng)”、“震動誘沖效應(yīng)”和“沖擊震動效應(yīng)”3個特點(diǎn)及防治對策。尚曉光[5]等提出了地面直井分段水壓致裂防控深井巨厚硬巖運(yùn)動型礦震的方法。張廣超[6]等通過建立遠(yuǎn)場高位厚硬巖層破斷力學(xué)模型，采用符拉索夫厚板理論解算出了高位厚硬巖層初次破斷臨界力學(xué)判據(jù)，重點(diǎn)分析了厚硬巖層破斷規(guī)律與巖石抗拉強(qiáng)度、厚度、傾向懸露長度的關(guān)聯(lián)性。李云鵬[7]等建通過建立“多層位板式結(jié)構(gòu)”系統(tǒng)模型，闡明了復(fù)雜堅(jiān)硬巖層條件下特厚煤層綜放開采覆巖破斷過程具有漸進(jìn)、復(fù)合等特征。趙通[8]等根據(jù)礦壓顯現(xiàn)程度和頂板控制難易程度，把回采區(qū)域劃分為三個區(qū)域，并提出厚硬巖層下煤層開采巖層分區(qū)控制的原則和方法。還有許多學(xué)者采用理論計算[9]和相似模擬試驗(yàn)[10，11]的方法，對采場上覆巨厚礫巖層的運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行研究，并分析其運(yùn)動對沖擊地壓誘發(fā)因素的影響。上述研究促進(jìn)了煤礦行業(yè)的發(fā)展，對沖擊地壓等動力災(zāi)害的防治[12，13]具有重要的意義，然而針對采場超前支承壓力受巨厚堅(jiān)硬巖層運(yùn)移影響后的研究較少，有待進(jìn)一步深入研究。通過進(jìn)行大量的實(shí)踐研究和理論依據(jù)能夠表明：誘發(fā)沖擊地壓、煤礦礦震等嚴(yán)重動力災(zāi)害的主要原因是由于采動應(yīng)力集中所導(dǎo)致的[14，15]。所以需要研究在特殊地質(zhì)條件下，尤其是在具有巨厚堅(jiān)硬巖層條件下的煤層開采引起的壓力演化規(guī)律，此研究成果能夠?yàn)槊旱V動力災(zāi)害防治提供重要的理論依據(jù)，而且對實(shí)現(xiàn)有巨厚堅(jiān)硬巖層條件下的煤礦安全開采具有重要的意義。

本研究通過將巨厚堅(jiān)硬巖層作為研究對象，綜合物理相似模擬和機(jī)械模擬研究方法，對覆巖巨厚堅(jiān)硬巖層采場回采期間超前支承壓力的演化規(guī)律和變異特征進(jìn)行研究，掌握巨厚堅(jiān)硬巖層下采場超前支承壓力的演化規(guī)律和變異特征，實(shí)現(xiàn)煤礦的安全開采。

1 巨厚堅(jiān)硬巖層運(yùn)動對采場壓力影響的物理模擬實(shí)驗(yàn)研究

1.1 物理模擬實(shí)驗(yàn)方案

模擬試驗(yàn)臺尺寸為3 m(長)×0.4 m(寬)×1.8 m(高)。該模型采用了河砂作為骨料，采用了石膏并配合碳酸鈣作為膠結(jié)材料。根據(jù)楊柳煤礦104采區(qū)的地質(zhì)情況及巖體的力學(xué)參數(shù)作為參考，設(shè)計了相似模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。模型的開采煤層厚度為8 m，模型共鋪設(shè)5層關(guān)鍵層，主關(guān)鍵層60 m厚，距開采煤層有80 m的距離。在該模型的兩端都保留了25 cm的煤柱，該模型的回采長度為2.5 m，其幾何相似比為1/200。

在物理模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ彤?dāng)中布置兩條壓力監(jiān)測線，一條位于巨厚堅(jiān)硬巖層內(nèi)，另外一條位于開采煤層中，壓力傳感器布置方案如圖1所示，各個傳感器與其開切眼的距離見表1。

表1 各個傳感器與其開切眼的距離Table 1 Distance between sensors and open-off cut

圖1 壓力傳感器布置方案Fig.1 Layout of pressure sensors

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過監(jiān)測和分析采場在不同的推采過程中煤層壓力傳感器壓力值的變化情況來得到采場中巨厚堅(jiān)硬巖層運(yùn)移對采場壓力演化規(guī)律的影響。

煤層壓力傳感器的壓力值變化隨著采場的推進(jìn)可分為三個階段：Ⅰ壓力升高區(qū)；Ⅱ壓力降低區(qū)；Ⅲ壓力恢復(fù)區(qū)。支承壓力演化的三個階段如圖2所示。

圖2 不同推進(jìn)距時煤壁超前支承壓力變化規(guī)律Fig.2 Changing law of front abutment pressure at different retreating distance

從圖2中超前支承壓力的演化曲線我們可以得到，超前支承壓力因?yàn)椴煌牟蓤鐾七M(jìn)距離會有較大的差別。從初次開采階段推采240 m到265 m時，采場中的巨厚堅(jiān)硬巖層發(fā)生了破斷，最大支承壓力從0.19 MPa上升到0.42 MPa，相比于初次開采階段其最大值增長了121%。伴隨推進(jìn)距離的增加，其壓力影響范圍也從初始的220 m增加到了260 m，與開始的影響范圍相比增長了18%。當(dāng)采場推進(jìn)至270 m時，由于巨厚堅(jiān)硬巖層的中部發(fā)生斷裂破壞，此時的壓力最大值也從0.42 MPa忽然減小到0.14 MPa，與最大值相比下降了66.7%。壓力的影響范圍也因其斷裂而縮小，影響范圍從260 m減少到210 m，與破裂之前相比下降了19.2%。

因?yàn)椴蓤鲋芯藓駡?jiān)硬巖層的存在，所以使得采場的壓力峰值和影響范圍都異常增大，且采場前方還有采場中的巷道兩側(cè)的煤體因?yàn)殚L時間承受極高的壓力，在其中非常容易積聚大量的彈性能量。對于煤體來說當(dāng)其具有沖擊傾向性時，在受外力擾動情況下，由于其煤體的內(nèi)部長期積聚了大量的彈性能，所以非常容易引起沖擊礦壓和劇烈礦震等嚴(yán)重的采場動力災(zāi)害。

如圖3所示，在3#壓力傳感器(距開切眼265 m)處，壓力傳感器的壓力峰值、影響范圍和壓力峰值均達(dá)到最大值，伴隨著采場的持續(xù)推進(jìn)，當(dāng)?shù)竭_(dá)4#壓力傳感器(距開切眼270 m)時，壓力傳感器上的三種數(shù)據(jù)又突然減少。這些結(jié)果均表明，巨厚堅(jiān)硬巖層的破斷不僅會對采場超前支承壓力造成影響，而且也會對采場支承壓力顯現(xiàn)以及各種采場動力災(zāi)害的發(fā)生造成影響。

圖3 煤層壓力傳感器峰值、峰值位置及壓力影響范圍Fig.3 Peak value，peak position and pressure influence range of coal seam pressure sensors

2 巨厚堅(jiān)硬巖層運(yùn)動對采場壓力影響的變異特征機(jī)械模擬研究

2.1 機(jī)械模擬實(shí)驗(yàn)方案

針對以往相似材料模擬實(shí)驗(yàn)不能滿足部分實(shí)驗(yàn)以及工程需要的缺陷[16]，通過機(jī)械模擬實(shí)驗(yàn)可以研究或演示在采場推進(jìn)過程中的覆巖結(jié)構(gòu)形變演化過程，上覆巖層破裂突變與覆巖運(yùn)移和地表運(yùn)動的對應(yīng)關(guān)系。機(jī)械模擬實(shí)驗(yàn)具有操作方便、自動化程度高、試驗(yàn)過程穩(wěn)定、數(shù)據(jù)精度較高、材料拆卸安裝方便及重復(fù)性好等特點(diǎn)[17]。

為了揭示巨厚堅(jiān)硬巖層對采場超前支承壓力的影響，通過建立兩個模型進(jìn)行比較：

模型1：覆巖中存在一層厚60 m，距采煤層間距80 m的巨厚堅(jiān)硬巖層。模型2：用同等厚度載荷對巨厚堅(jiān)硬巖層進(jìn)行替換，除此以外的其它的巖層條件不變。模型1和模型2的詳細(xì)情況如圖4所示。

圖4 機(jī)械模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.4 The experimental model of mechanical simulation

在此基礎(chǔ)上，針對兩種不同情況下采場支承壓力的變化進(jìn)行了研究，得到了巨厚堅(jiān)硬巖層運(yùn)動對采場壓力的影響規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)中幾何相似比為Cl=200，容重相似比Cγ=3，強(qiáng)度相似比Cσ=300。為研究方便，后文中所呈現(xiàn)的所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均按照相似比換算成實(shí)際值。

在機(jī)械模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，在煤層中一共布置?12個BW-5型壓力傳感器，相鄰傳感器之間的間距為7 m，壓力傳感器布置及距開切眼距離如圖5所示。

圖5 覆巖測線及測點(diǎn)布置Fig.5 Arrangement of measuring points and line

2.2 覆巖中有無巨厚堅(jiān)硬巖層時采場超前支承壓力演化規(guī)律

2.2.1 采場覆巖中有巨厚堅(jiān)硬巖層支承壓力演化規(guī)律

覆巖中有巨厚堅(jiān)硬巖層時采場超前支承壓力演化規(guī)律如圖6所示。由圖6中超前支承壓力的演化曲線可知，當(dāng)覆巖中存在巨厚堅(jiān)硬巖層時，采場支承壓力演化規(guī)律具有以下特征：

圖6 覆巖中有巨厚堅(jiān)硬巖層時采場超前支承壓力演化規(guī)律Fig.6 The evolution law of the front abutment pressure of working face when there is super thick and hard stratum in the overlying strata

1)階段Ⅰ：推進(jìn)距離為0～283.2 m，也就是在巨厚堅(jiān)硬巖層破斷前；階段Ⅱ：推進(jìn)距離為306.8～448.4 m，也就是在巨厚堅(jiān)硬巖層破斷之后；采場支承壓力演化的兩個階段。

2)階段Ⅰ：當(dāng)采場的推進(jìn)距離在不斷的增加時，其超前支承壓力的峰值也在不斷地增加，呈現(xiàn)遞增的趨勢，當(dāng)采場推進(jìn)到283.2 m的時候，從圖中數(shù)據(jù)可以看出其最大支承壓力峰值達(dá)到了38.42 MPa，其壓力集中系數(shù)與影響范圍分別為2.48和56 m，在煤壁前方14 m處，其壓力峰值達(dá)到了最大值。

3)階段Ⅱ：當(dāng)推進(jìn)數(shù)據(jù)為306.8 m的時候采場中的巨厚堅(jiān)硬巖層因?yàn)椴蓤龅某掷m(xù)推進(jìn)隨之發(fā)生了破斷，從垂直壓力的變化曲線可以看出，在306.8 m前后壓力峰值有明顯的變化，其壓力峰值突然下降。巨厚堅(jiān)硬巖層的破斷會對采場壓力峰值，壓力集中系數(shù)以及壓力影響范圍造成較大的影響，由圖可得，在發(fā)生破斷后，壓力峰值大幅度降低，從38.42 MPa驟降至27.43 MPa，壓力集中系數(shù)也從2.48減小到了1.77，比例系數(shù)分別下降了28.6%。在巨厚堅(jiān)硬巖層破斷前，壓力影響范圍由56 m減小至42 m，下降了25%。

2.2.2 采場覆巖中無巨厚堅(jiān)硬巖層支承壓力演化規(guī)律

覆巖中無巨厚堅(jiān)硬巖層時采場超前支承壓力演化規(guī)律如圖7所示，由圖7可知，當(dāng)覆巖中沒有巨厚堅(jiān)硬巖層時，采場支承壓力演化規(guī)律具有以下特征：

圖7 覆巖中無巨厚堅(jiān)硬巖層時采場超前支承壓力演化規(guī)律Fig.7 The evolution law of the front abutment pressure of working face when there is no super thick and hard stratum in the overlying strata

1)支承壓力會因?yàn)椴蓤龅耐七M(jìn)距離的增加而隨之發(fā)生變化，由上圖可以看到，在圖中多次呈現(xiàn)壓力高峰區(qū)，對應(yīng)的推進(jìn)距離分別為47.2、70.8、94.4、165.2、212.4、259.6、306.8和354 m。在其中每次呈現(xiàn)壓力高峰區(qū)時都代表采場基本頂?shù)囊淮蝸韷骸?/p>

2)由圖中數(shù)據(jù)可以得知，支承壓力的變化受基本頂破斷的影響較小，并且采場支承壓力的峰值基本都小于35 MPa。

3)相比于具有巨厚堅(jiān)硬巖層的采場覆巖而言，沒有巨厚堅(jiān)硬巖層的采場超前支承壓力較大。

有無巨厚堅(jiān)硬關(guān)鍵層是造成以上現(xiàn)象的主要原因，當(dāng)采場上覆巖層存在巨厚堅(jiān)硬巖層時，巨厚堅(jiān)硬巖層只承受其上覆巖層的重量，在開采的早期階段，采場中的煤壁只需要承受其上方到巨厚堅(jiān)硬巖層之間的巖層的重量，所以在剛開始的時候其壓力值比較小。但是當(dāng)采場上方?jīng)]有巨厚堅(jiān)硬巖層時，位于其上方的巨厚堅(jiān)硬巖層的破斷距短，故采場中的煤壁需要承受其上方所有巖層的重量，不僅僅只是上覆巖層的重量，所以當(dāng)采場中沒有巨厚堅(jiān)硬巖層時其超前支承壓力平均較大。但是在有巨厚堅(jiān)硬巖層的情況下的時候當(dāng)推進(jìn)距離不斷增加時，其下伏巖層逐漸垮落，巨厚堅(jiān)硬巖層承受的自重及上覆巖層載荷通過煤壁上方巖層轉(zhuǎn)移至煤壁，故此會造成煤壁前方壓力集中程度明顯且壓力異常增大。

由此可得出結(jié)論，當(dāng)采場持續(xù)推進(jìn)時，采場煤壁的前方容易積聚大量的彈性能，而且煤壁前方會因?yàn)楦邚?qiáng)度和大范圍的應(yīng)力集中導(dǎo)致前方的破壞深度增加。在巨厚堅(jiān)硬巖層破斷后，應(yīng)力會轉(zhuǎn)移，此時煤壁前方的壓力和其積聚的彈性能就會得到緩解與釋放。在開采初期的時候，沒有巨厚堅(jiān)硬巖層的采場的應(yīng)力集中程度要比有巨厚堅(jiān)硬巖層的采場的強(qiáng)。

2.3 采場超前支承壓力演化規(guī)律變異特征分析

為研究采場覆巖中有巨厚堅(jiān)硬巖層的采場超前支承壓力演化的規(guī)律及其特征，通過進(jìn)行模擬研究有巨厚堅(jiān)硬巖層的模型1與無巨厚堅(jiān)硬巖層的模型2的超前支承壓力峰值、壓力集中系數(shù)與影響范圍進(jìn)行對比來得到結(jié)論。

2.3.1 巨厚堅(jiān)硬巖層對壓力峰值的影響

不同推進(jìn)距離時模型1和模型2壓力峰值和壓力集中系數(shù)演化規(guī)律的對比如圖8所示，壓力峰值和壓力集中系數(shù)演化規(guī)律曲線可大致分為三個階段。壓力峰值和壓力集中系數(shù)受巨厚堅(jiān)硬巖層的影響規(guī)律如下：

圖8 壓力演化規(guī)律Fig.8 The evolution law of the front abutment pressure

1)階段Ⅰ：此階段處于巨厚堅(jiān)硬巖層影響緩慢期，推進(jìn)距在0～236 m之間。由兩圖對比可得，當(dāng)處于階段Ⅰ時，兩種模式的變化趨勢基本相同相差不大。當(dāng)采場覆巖中有巨厚堅(jiān)硬巖層時，在初采階段其壓力峰值和壓力集中系數(shù)都比無巨厚堅(jiān)硬巖層采場的要小。

2)階段Ⅱ：此階段處于巨厚堅(jiān)硬巖層影響劇烈期，推進(jìn)距在236～306.8 m之間。由圖可以看出，在此階段時模型1的壓力峰值和集中系數(shù)都比模型2的要大，模型1的最大最大壓力峰值為38.2 MPa，最大壓力集中系數(shù)為2.48。模型2的最大壓力峰值為33.22 MPa，最大壓力集中系數(shù)為2.15。由以上數(shù)據(jù)可得，模型1的壓力峰值為模型2的1.15倍，壓力集中系數(shù)為模型2的1.15倍。

3)階段Ⅲ：此階段與階段Ⅰ相同，其處于影響緩慢期，推進(jìn)距在306.8～448.4 m之間。由圖可得，在此階段模型1的壓力峰值和壓力集中系數(shù)基本都比模型2的要小。

根據(jù)以上規(guī)律，在巨厚堅(jiān)硬巖層發(fā)生破斷前，其對采場支承壓力的影響范圍集中且影響程度劇烈。對上覆巖層起主要承載作用的是采場的主關(guān)鍵層，也就是采場中的巨厚堅(jiān)硬巖層。由巨厚堅(jiān)硬巖層超前于下伏墊層彈性基礎(chǔ)梁斷裂可知，造成采場煤壁載荷程度小的原因是因?yàn)榫藓駡?jiān)硬巖層的承受載荷是由下伏墊層承擔(dān)的，故傳遞性差。所以階段Ⅰ中模型1的壓力峰值與集中系數(shù)小于模型2的壓力峰值與集中系數(shù)。

2.3.2 巨厚堅(jiān)硬巖層對壓力影響范圍的影響

壓力影響范圍演化規(guī)律如圖9所示，其展示了Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ三個階段的演化規(guī)律曲線，分別是在不同推進(jìn)距的情況下兩種模型壓力影響范圍的比較。壓力峰值與壓力集中系數(shù)受巨厚堅(jiān)硬巖層影響的規(guī)律如下：

圖9 壓力影響范圍演化規(guī)律Fig.9 The evolution law of pressure influence range

1)階段Ⅰ，此階段為巨厚堅(jiān)硬巖層影響的緩慢期，推進(jìn)距在0～188.8 m之間。此時從圖中可以看出兩種模型的壓力影響范圍相差不大，基本相同。

2)階段Ⅱ，此階段為巨厚堅(jiān)硬巖層影響的劇烈期，推進(jìn)距在188.8～306.8 m之間。從圖中可以看出，模型1的影響范圍驟增，其壓力影響范圍最大時為91 m，而模型2的影響范圍隨著工作面的推進(jìn)逐漸減小，其壓力影響范圍最大時為48 m，由以上數(shù)據(jù)可以得出模型1最大壓力影響范圍為模型2最大壓力影響范圍的1.9倍，模型1的壓力影響范圍明顯大于模型2的壓力影響范圍。

3)階段Ⅲ，此階段與階段Ⅰ相同，其處于影響緩慢期，推進(jìn)距在306.8～448.4 m之間。與階段Ⅰ相同，兩者之間的壓力影響范圍相差不大，基本相同。

通過以上規(guī)律，相比于覆巖中沒有巨厚堅(jiān)硬巖層的采場，當(dāng)覆巖中有巨厚堅(jiān)硬巖層時，其破斷前的采場壓力影響范圍異常增大，約為沒有巨厚堅(jiān)硬巖層采場的1.9倍。

2.3.3 壓力峰值和壓力影響范圍演化規(guī)律分析

壓力峰值和壓力影響范圍的關(guān)系如圖10所示，通過圖10可以看出，當(dāng)覆巖中有巨厚堅(jiān)硬巖層的時候，隨著工作面的推進(jìn)，其壓力峰值和影響范圍均存在較大的波動，但是基本保持平行，相差不大。當(dāng)覆巖中無巨厚堅(jiān)硬巖層的時候，其壓力峰值與影響范圍存在上下波動，但隨著工作面的推進(jìn)，波動逐漸趨向平穩(wěn)，且變化曲線基本平行保持一致。由此可以看出兩者的演化規(guī)律一致性較高，且隨著壓力峰值的增大必然會導(dǎo)致采場前方煤壁的影響范圍增加。

圖10 壓力峰值和壓力影響范圍的關(guān)系Fig.10 The relation between the peak pressure and the influence range of pressure

2.3.4 巨厚堅(jiān)硬巖層對采場支承壓力影響的變異特征

1)巨厚堅(jiān)硬巖層影響緩慢期：即巨厚堅(jiān)硬巖層在相對穩(wěn)定狀態(tài)或已經(jīng)發(fā)生破斷時期。在這個階段，有巨厚堅(jiān)硬巖層采場支承壓力峰值比無巨厚堅(jiān)硬巖層采場的小，所以對采場超前支承壓力的影響比較微弱。

2)巨厚堅(jiān)硬巖層影響劇烈期：在巨厚堅(jiān)硬巖層發(fā)生破斷之前到發(fā)生破斷的過程之間。在此階段，巨厚堅(jiān)硬巖層下采場超前支承壓力集中程度更高，影響范圍更廣，影響程度更劇烈。

3 結(jié) 論

1)從初采階段至巨厚堅(jiān)硬巖層發(fā)生破斷時，超前支承壓力峰值增長了121%，壓力影響范圍增加了18%。當(dāng)巨厚堅(jiān)硬巖層發(fā)生斷裂時，超前支承壓力峰值減小了66.7%，壓力影響范圍減小了19.2%。

2)臨近巨厚堅(jiān)硬巖層破斷前，覆巖中有巨厚堅(jiān)硬巖層時的超前支承壓力峰值和影響范圍分別為無巨厚堅(jiān)硬巖層時的1.15倍和1.9倍。在巨厚堅(jiān)硬巖層發(fā)生破斷前時其對采場超前支承壓力的影響最大。應(yīng)力集中程度高，影響范圍廣，影響程度劇烈。

3)巨厚堅(jiān)硬巖層處于穩(wěn)定狀態(tài)時或已發(fā)生破斷后，采場超前支承壓力峰值和影響范圍相對于無巨厚堅(jiān)硬巖層采場來說相對較小，對采場超前支承壓力的影響相對較弱。

4)超前支承壓力峰值和壓力影響范圍隨采場推進(jìn)的演化規(guī)律具有較高的協(xié)調(diào)一致性，壓力峰值的增大必然導(dǎo)致采場前方煤壁的影響范圍增加。