大埋深高地壓弱結構面頂板巖層誘發沖擊地壓離心模型試驗

段宏飛，姜振泉，朱術云，孫強，劉德乾，楊偉峰

(1.中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州，221116；2.河北工程大學 土木工程學院，河北 邯鄲，056038)

華北石炭二疊系煤田是我國重要的產煤礦區之一，然而，上部煤層近乎枯竭，許多礦井紛紛轉入下組煤開采階段。隨著礦山開采深度的增加，地應力不斷增大，深部開采的礦壓問題日益嚴重，煤礦沖擊地壓問題已成為影響煤礦安全生產的重大關鍵問題之一。對于沖擊地壓的研究，國內外學者[1?7]開展了大量的研究，先后從不同角度提出了一系列重要理論，如強度理論、剛度理論、能量理論、沖擊傾向性理論、突變理論、分形理論等。這些理論對沖擊地壓的研究起到了很大的推動作用，但是，由于沖擊地壓現象復雜，采用傳統的數學、力學等學科很難建立相應的數學模型。目前，對于深部巖體采動覆巖變形和頂板聚壓規律，劉巍等[8?12]采用相似材料模擬實驗進行了研究，然而，由于其無法真實模擬原巖壓力條件和介質的力學環境，其研究成果受到限制。與其相比，離心模型實驗以能使模型自重提高到與原型相同的狀態并具有再現原型特征的特點，在巖土工程領域應用十分廣泛[13?15]，而用于煤礦地下開采的工程力學問題研究尚處于起步階段，迄今為止，國外已有的應用實例主要限于煤礦圍巖穩定問題的模擬試驗[16?17]，國內僅限于采動覆巖移動中深厚土體沉陷變形問題的研究[18?19]，而關于深部采動巖體覆巖變形和頂板聚壓誘發沖擊地壓的研究更少[20]。為此，本文作者在充分研究兗礦集團趙樓礦井首采區深部擬開采的 3煤(即山西省穩定可采煤層)沖擊地壓影響因素的基礎上，考慮斷層切割頂板的實際情況，建立順斷層傾向開采的弱結構面(以下統稱為弱結構面)頂板工程地質模型并進行離心模型試驗，得出弱結構面煤巖層采動過程中工作面后方煤柱(即切眼煤柱)、前方煤柱、直接頂和老頂巖層應力集中程度和變形情況，得到3煤開采沖擊地壓潛勢性特征及其顯現規律，由此確定礦壓顯現危險部位，引導后期開采過程中礦井沖擊地壓的預防和治理。

1 趙樓礦井首采區發生沖擊地壓的機理分析

趙樓井田位于鄆城縣城東南約22.0 km，巨野縣城西13.0 km。南北長約9.9 km，東西寬12.0～15.9 km，面積為144.89 km2，是兗礦集團在菏澤煤田的首采礦井。煤層堅硬且具有強烈的沖擊傾向性，地質構造復雜多變，次級構造分布廣泛，存在構造應力。根據鉆孔資料分析，首采區主采的3煤埋深平均約1 km，包括150 m的基巖和850 m左右的新生界松散層。該煤層位于山西組中、下部，厚為0～11.36 m，平均為5.19 m，屬較穩定煤層，結構較簡單，含0～3層夾石；夾石巖性多為泥巖、炭質泥巖；頂板多為泥巖、粉砂巖、中砂巖、細砂巖，偶見粗砂巖；底板多為泥巖、粉砂巖。

1.1 煤巖體的強度與巖性組合

煤巖體的強度與巖性組合是發生沖擊地壓的物質條件。趙樓3煤及頂、底板試樣力學性能見表1。由表1可以看出：直接頂板中細砂巖強度高，其單軸抗壓強度超過130 MPa，抗拉強度接近10 MPa，彈性模量在40 GPa以上，按《工程巖體質量分級標準》屬堅硬巖類，而且其彈性變形和脆性破壞特征非常明顯，有利于發生沖擊地壓。

1.2 煤巖體沖擊傾向性

煤層具有沖擊傾向性是煤層發生沖擊地壓的必要條件。趙樓煤礦3煤頂板各分巖層的彎曲能量見表2。由表2可以看出：趙樓煤礦3號煤層復合頂板彎曲能量指數為38.35 kJ，大于10.00 kJ而小于100.00 kJ，按《巖石沖擊傾向性分類及指數的測定方法》分類依據，3煤頂板中細砂巖巖層屬2類，為具有弱沖擊傾向性的頂板巖層。但需指出的是：實驗室進行的煤巖沖擊傾向性鑒定結果反映的是煤、巖彈性特征和彈性應變能的聚集特性，反映了趙樓煤礦3煤及其頂板巖層具有形成沖擊地壓的物質基礎。但在實際采掘過程中，在一定的地應力狀態、構造聚壓條件下，形成沖擊地壓的可能性及強度，在很大程度上取決于煤巖復合體的強度及變形破壞特性。趙樓礦3煤頂板巖層的單軸抗壓強度都較高，單層厚，采樣深度將近1 km，地壓對煤、巖層產生沖擊性的作用加大，會在一定程度上加重沖擊傾向性。

趙樓煤礦3煤試樣沖擊傾向性各級指數及判定結果見表3。由表3可以看出：3煤中分層煤樣沖擊能量指數的平均測試值為4.96，按《煤層沖擊傾向性分類及指數的測定方法》分類依據，在 1.50～5.00的弱沖擊傾向性范圍；但其彈性能量指數的平均測試值為5.24，大于 5.00，屬強沖擊傾向性范圍；動態破壞時間的平均測試值為45 ms，小于50 ms，屬強沖擊0傾向性范圍。根據煤層沖擊傾向性的3個指數的各自特性，動態破壞時間的隸屬度為0.4，沖擊能量指數和彈性能量指數的隸屬度各為 0.3，由此判定趙樓煤礦 3煤煤樣的中分層煤屬于3類，為具有強沖擊傾向性的煤層；3煤上、下分層動態破壞時間的平均測試值分別為42 ms和46 ms，都小于50 ms，屬強沖擊傾向性范圍，沖擊能量指數的平均測試值分別為7.39和8.12，都大于5.00，屬強沖擊傾向性范圍；由此判定趙樓煤礦3煤上、下分層均屬3類，為強沖擊傾向性的煤層。根據3個分層煤樣沖擊傾向性測試結果，趙樓煤礦3煤的沖擊傾向性屬于 3類，為具有強沖擊傾向性的煤層。

表1 趙樓礦井3煤及頂、底板試樣力學性能Table1 Mechanical properties of 3 Coal and its roof and floor of Zhaolou Mine

表2 趙樓煤礦3煤頂板各分巖層的彎曲能量Table2 Bending Energy of 3 Coal Roof Strata of Zhaolou Mine

表3 趙樓煤礦3煤試樣沖擊傾向性各項指數及其判別結果Table3 Index and discrimination results of burst tendency of 3 Coal

1.3 礦井構造發育規律和地應力環境

井田內不同方向的斷層和褶皺相互交織，構成了一幅較復雜的構造圖像。盡管如此，由于趙樓井田褶皺構造發育寬緩、簡單，而斷裂構造較復雜，因此，井田構造特征主要由斷層控制。但是，井田中斷裂構造的發育是極不均勻的。已有資料表明，斷裂構造具有明顯的分區性，并且依據井巷揭露情況，尚有一定數量的未知斷層。其中，井田內斷裂受區域構造的控制，可分為近NS，NW，NE及NNE向4組；其中以NE向斷層較多，NW向斷層組多為落差、延展長度較小的斷層。礦區內除田橋斷層、趙河東斷層、趙河斷層、畢垓斷層、陳廟斷層、康垓斷層、Fx27以及Fx20，Fz14，Fz18，Fz19，F20，F29和 F33落差較大外，其余均為落差低于50 m的中、小斷層。總結分析各勘察階段的成果，結合井巷開拓中實際揭露的斷層，對井田內的斷層進行綜合研究，共總結斷層167條，其中：NNE向斷層34條，NE向斷層72條，NW向斷層35條，近NS向斷層26條。

煤層中的應力狀態是煤層發生沖擊性破壞的重要條件。可以定性了解構造聚壓的程度及性質，為采動覆巖變形破壞過程的動能聚集條件評價提供關鍵依據。趙樓煤礦于2007—01完成了2個測點的原巖應力測試工作，取得了地應力和狀態的實測數據(見表4)。采用鉆孔套芯應力解除法進行測試，測點位置如圖1所示。實測位置的原巖初始應力有如下特點：

(1)地應力場的最大主應力為水平應力，最大水平應力的方向為 NE75o～83o。

(2)水平應力大于垂直應力，最大水平主應力為垂直應力的 1.47～1.83倍，對井下巖層的變形破壞方式及礦壓顯現規律有很大的影響。

(3)實測的最大水平主應力為最小水平主應力的1.15～1.45倍，水平應力對巷道掘進的影響具有較明顯的方向性。

表4 應力解除法測得的應力及比值Table4 Stress proportion of stress relieving method

圖1 應力解除法地應力測量位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of in-situ stress measurement in stress relieving method

(4)實測的垂直應力大于按照上覆巖層厚度和容重計算的垂直應力。

2 弱結構面頂板巖層離心模型試驗

2.1 試驗設備

試驗在南京水科院NS?50型土工離心機(見圖2)上進行。該離心機最大容量為 50 g·t；最大加速度為250g(1g=9.8 m/s2)；有效旋轉半徑為2.51 m。

圖2 NS-50型土工離心機系統結構示意圖Fig.2 Structural schematic diagram of centrifuge of NS-50

2.2 試驗設計

2.2.1 離心模型相似比

要從模型性狀準確地預測原型性狀，模型試驗必須滿足相似準則。若采用與原型同樣性質的材料制模，且使模型與原型所處的應力狀態一致，則可以使模型與原型相似。離心模型相似基本準則為(其中，n為模型率，且它表示模型與原型材料一致時，若長度量綱l縮小n倍，則模型的重力加速度gm必須比原型的gp增大n倍，這樣才能保持模型與原型中重力所產生的應力一致。然而，本次離心模擬試驗設計的目的是直接頂和老頂形成一次完整的初次垮塌過程，考慮到原型3煤直接頂板和老頂由極堅硬的細砂巖和中砂巖構成，結合試驗所用離心機的有效加載水平，嚴格按相似比制作離心模型。模型可能會因頂板模擬巖層的強度較高而影響其在試驗過程中變形破壞的顯現程度，甚至可能出現頂板不垮塌的情況，為此，參照前期相似模擬試驗的模型制作經驗，采用對煤層及頂板巖層全部按36%比例進行了弱化處理。原型煤層頂板巖層的平均重度γp取25 kN/m3，離心模型相似材料的平均重度γm設計為16 kN/m3，各種離心模型物理量相似比見表5。

表5 離心模型試驗各物理量相似比Table5 Similarity ratios of centrifuge model test

沿工作面走向簡化為平面應變問題，兩側各留一定寬度的保護煤柱，上覆松散土層的重力作用采用補償壓力模擬體現。

2.2.2 試驗模型設計

本次試驗主要研究弱結構面頂板巖層采動覆巖變形和受力情況，為了考慮采動過程中弱結構面的影響，試驗模型頂板分布有一傾角為 45°的順斷層傾向結構面模型，分別在直接頂、老頂及煤層相應位置設置測點，所有測點均埋設微型土壓傳感器，連續測取設計測點在煤層采動過程中的壓力(離心機平穩加速開始每隔5 s取值)。測點編號分別為：后方煤柱為1，前方煤柱為2，直接頂為3，4(試驗中出現故障)和5，老頂為 6～9，其中，在弱結構面處的測點在結構面上、下各布置1個。測點設置及結構示意圖、實物照片如圖3所示。

圖3 模型結構示意圖和實物模型Fig.3 Model structure diagram and physical model

2.2.3 試驗模型設計參數

試驗模型設計參數見表6～8。

表6 模擬層位主要物理力學性能Table6 Physical mechanics properties of simulating coal roof strata

表7 離心模型煤層及頂板材料力學性能Table7 Physical mechanics properties of coal seam and materials of roof in centrifuge model

表8 離心模型煤層及頂板材料配比Table8 Simulation materials proportion of coal seam and roof in centrifuge model

2.3 試驗過程控制

(1)試驗采用的設計加速度為156g，離心機轉速為435 r/min，在3 min內從啟動達到設計轉速。

(2)每次開挖煤層長度為5 cm，共開挖40 m。模型開挖前先進行加載，測定各點原始壓力，然后進行第1次開挖，加載到設計加速度，待各測點壓力穩定后，停機觀測頂板破壞尺寸，進行第2次開挖，然后加載→停機→開挖→加載，直至開挖到40 cm為止。對各測點數據進行處理，取加載穩定后的數值，主要研究各測點的壓力變化值[21]。

(3)模型轉動軸上裝有40個銀質滑環通道用于信號傳輸，并配有一套 CCD攝像系統，可隨時監測試驗過程中模型的變化，試驗模型箱一測為可裝卸的有機玻璃，作為試驗過程中模型的監測窗口。

3 離心試驗結果及分析

根據離心模擬試驗結果，除傳感器4在試驗過程出現故障外，其余10個傳感器都連續輸出測試數據，且模型拆卸后初始歸位，表明試驗過程中傳感器工作正常，測試數據可信度較高。

3.1 頂板變形情況

模型開挖標志段的頂板變形情況如圖4所示。從圖4可見：開挖15 cm加載穩定后直接頂穩定，開挖20 cm 后(揭露斷層弱結構面)離心加載前直接頂即出現部分垮塌，加載穩定后直接頂全部垮塌，且老頂下部出現明顯水平離層裂縫；開挖25 cm加載穩定后，老頂下部60%厚度的頂板垮塌，且至開挖30 cm加載穩定后垮塌長度加大，但頂部仍未全部垮塌；至開挖35 cm加載穩定后，老頂全部垮塌。

圖4 開挖標志段的頂板變形情況Fig.4 Schematic diagrams of roof deformation of centrifuge model in different mining steps

3.2 煤柱壓力變化情況

根據離心模型試驗的結果，模擬采動過程中后方和前方煤柱壓力集中程度(相對于初始狀態壓力的升高幅度)，通過如圖5所示的采動過程煤柱壓力變化曲線予以體現。

3.3 直接頂板壓力變化情況

圖5 煤柱壓力分布Fig.5 Distribution of pressure on coal pillar

圖6 直接頂壓力分布Fig.6 Distributions of pressure on direct roof

離心模型試驗模擬煤柱開挖過程直接頂板的壓力變化，如圖6所示。試驗中，除測點4傳感器出現故障沒有讀數外，其余3個都正常工作。在測試過程中，因開采聚壓和卸壓導致不同位置壓力變化幅度較大。

3.4 老頂板壓力變化情況

離心模型試驗模擬煤柱開挖過程老頂的壓力變化，如圖7所示。老頂每隔10 cm在同一高度布置4個傳感器，弱結構面上下各布置1個傳感器，共5個傳感器，試驗中都正常工作。在測試過程中因開采聚壓和卸壓導致不同位置壓力變化幅度較大。

圖7 老頂壓力分布Fig.7 Distributions of pressure on main roof

4 試驗結果綜合分析

4.1 采動過程煤柱的受力特點

離心模型模擬的弱結構面頂板條件的煤柱在煤層開挖過程的應力集中現象和趨勢性非常明顯，且煤柱壓力的聚集程度及其變化明顯受頂板結構條件的影響。

(1)據后方煤柱壓力隨開挖的變化過程，在采動過程中，后方煤柱的壓力集中程度與頂板變形的關聯性比較明顯。離心模型模擬的結果顯示出煤柱明顯受力集中于直接頂垮塌前的壓力急劇升高階段。如圖6～7所示的頂板變形情況，直接頂一般在10 m開挖段加載穩定后出現最高壓力聚集，此時，老頂也開始明顯顯現壓力聚集。與其相對應的是后方煤柱壓力自采空10 m開始急劇變化(見圖5)，至開挖15 m煤柱壓力集中程度基本達到峰值或接近峰值；其后隨老頂變形、垮塌，煤柱壓力雖有所變化，但變化幅度不大，反映出后方煤柱的主要壓力聚集形成于直接頂和老頂的初次來壓共同顯現階段。

(2)據后方煤柱壓力聚集程度的差異情況，離心模型中其壓力集中幅度在10 MPa以上，僅為模擬初始壓力(20 MPa)的50%。

(3)離心模型的前方煤柱測點布置于距切眼 40 cm位置。根據模型模擬反映的情況，前方煤柱壓力明顯聚集的超前步距較大，煤柱壓力聚集分別超前35 m和25 m即達到相對穩定的狀態(見圖6和圖7)。從前方煤柱在開挖過程的受力程度看，弱結構面頂板的壓力聚集程度較低，均為50%左右。

4.2 采動過程頂板的聚壓特點

煤層開挖引起上覆頂板的應力重新分布和下沉變形，隨著采空段的加長，頂板巖層內的應力也隨著頂板變形擴展而發生變化。根據采動過程直接頂和老頂各測點位置的應力變化(見圖6和圖7)，結合頂板變形破壞情況，可以總結出弱結構面頂板來壓過程壓力聚集特點的基本規律及不同頂板條件的差異。

(1)在頂板被弱結構面切割情況下，在采動過程中頂板雖表現有一定的受力不連續性，但直接頂和老頂結構面兩側的受力強度沒有出現太大的差異(見圖6和圖7)。

(2)弱結構面切割在直接頂板產生的最明顯的力學效應導致了結構面兩側出現變形不連續性。如圖8所示，弱結構面頂板被揭露后，測點下盤顯現受拉狀態，而上盤仍處于受壓狀態。這種變形差異性特征在模型加載過程有明顯反映，如圖8所示。

(3)如圖6所示，在開挖過程中，直接頂板各測點處于懸空前均表現為受壓應力作用，且所受壓強度隨采空臨近逐步升高。測點懸空后則轉為受拉張作用，且拉應力也隨繼續開挖而不斷升高，直至垮塌。說明頂板垮塌主要是拉張應力聚集所致，而直接頂的垮落步距與其抗拉強度密切相關。

(4)從聚壓程度看，老頂與直接頂的差異非常顯著。從圖6可以看出：直接頂隨開挖的壓力聚集程度相對平緩，且強度較低，幾個測點位置強度普遍在 6 MPa左右；而開挖后老頂的壓力聚集程度明顯比直接頂的強，至老頂垮落前測點 8的最大聚壓強度達到14.6 MPa(見圖7)。

(5)根據模擬反映的情況，直接頂測點受力狀態(由受壓轉為受拉)的變化大致與懸空狀態的同步。而老頂測點的受力狀態變化明顯滯后于直接頂的狀態變化，滯后程度取決于直接頂的變形，且直接頂初次來壓過程的壓力聚集速度明顯要高于老頂的聚集速度。從圖7可以看出：雖然測點3上盤和測點7同處相同斷面(距切眼15 m)，測點3上盤(直接頂)懸空前最大壓力聚集程度為6.1 MPa，懸空后最大拉應力聚集程度達?4.2 MPa時垮塌；而測點7(老頂)開挖30 m時壓力聚集程度為7.6 MPa，開挖至35 m才轉為受拉，受拉強度為?4.8 MPa。其他直接頂與老頂對應測點在采動過程中的壓力變化，也大致表現出與上述類似的差異性。直接頂與老頂在來壓時間、聚壓強度及受力狀態等方面的差異性反映了采動覆巖移動變形的基本特點，符合采動礦壓的遞變和擴展規律。

圖8 弱結構面兩側變形差異性圖示Fig.8 Deformation differences on bilateral weak structural plane region

5 結論

(1)煤巖力學性質測試反映出 3煤直接頂板中細砂巖強度高，其彈性變形和脆性破壞特征非常明顯；經過對煤樣的沖擊能量指數、彈性能量指數和動態破壞時間指標的測試，結果表明3煤具有強沖擊傾向性，經過對3煤頂板砂巖彎曲能量指數的計算，結果判斷頂板具有弱沖擊傾向性，綜合分析礦井具備了沖擊地壓發生的地質條件。

(2)直接頂板懸空前處于受壓狀態，懸空后較短時間內即轉為受拉狀態，其垮落步距主要取決于巖層的結構和抗拉強度；老頂在來壓時間、聚壓強度及受力狀態方面與直接頂板存在明顯的差異。一方面老頂聚壓過程比較緩慢，其受力狀態的轉變較直接頂明顯滯后，一般是懸空一定距離后才逐漸由受壓狀態轉換為受拉，至老頂初次垮塌前的臨界狀態。

(3)切眼煤柱壓力變化大致與直接頂板的來壓過程同步，至直接頂垮塌前的臨界狀態，老頂也開始明顯聚壓，此時切眼煤柱壓力基本達到最高；對于離心模型模擬的弱結構面頂板條件(直接頂厚度較小且強度較低，老頂厚度較大且強度較高)，直接頂來壓過程煤柱壓力較低，而老頂來壓過程對煤柱受力的影響明顯，是引起沖擊地壓的主要動力來源。

(4)在頂板被斷層切割情況下，頂板巖層的完整性受到破壞，應力在構造部位重新分布，形成構造應力集中，是引發沖擊地壓的危險部位。但采掘工藝也會導致構造的影響產生差異：在工作面順斷層傾向推進情況下，弱結構面部位兩側頂板形成變形不連續；回采工作面揭露斷層后，下盤頂板沿斷層面失去煤體支撐而形成“懸臂梁”，由此大大降低了頂板的支撐強度，容易發生因頂板突然斷裂而形成的沖擊壓力，在這種構造條件下，厚?巨厚層極堅硬頂板易發生沖擊地壓。

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