采場上覆整體移動帶堅硬巖層破斷規律研究

王啟慶 李文平 李小琴 孫如華

(中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221008)

采場上覆整體移動帶堅硬巖層破斷規律研究

王啟慶 李文平 李小琴 孫如華

(中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221008)

為了防治采場上覆堅硬巖層突然破斷給礦井造成的離層水(瓦斯)突涌等嚴重次生災害，對某煤礦工作面連續大面積開采上覆整體移動帶內堅硬巖層的破斷規律進行了研究。以該煤礦首采區覆巖空間賦存、巖體結構、力學性質及地應力等地質工程條件為基礎，采用薄板理論計算、數值模擬等方法，對采區首采面及后續工作面開采上覆整體移動帶堅硬火成巖巖床初次破斷及周期破斷距進行了理論計算和過程模擬分析。結果顯示，首采面開采過程中堅硬火成巖初次破斷約300 m，周期破斷約130 m；后續工作面開采時受鄰近采空區影響，火成巖初次破斷約260 m，周期破斷約120 m；結果與現場實測數據分析相一致。研究成果對堅硬覆巖下煤層開采離層水、離層瓦斯突出等地質災害預測及防治具有重要意義。

堅硬巖層 薄板理論 數值分析 初次破斷 周期破斷

煤層上覆巖層間巖性存在差異。當厚硬巖層與下伏巖層工程地質特征存在巨大差異時，覆巖受采動影響后，巖層移動過程中會產生變形不協調、不同步的現象，從而產生規模較大的離層空間[1-5]。當被周圍地下水、瓦斯充填時，會形成封閉的離層水體、離層瓦斯或離層水-瓦斯混合體[6-7]。隨著工作面的回采，厚硬巖層形成懸空的板(梁)結構，懸空達到極限平衡程度時，厚硬覆巖會發生破斷，使其產生動力沖擊失衡，突然破斷錯動擊拍離層積水(瓦斯)，瞬間產生超靜水(氣)壓力，突破離層水體與冒裂帶間隔水(氣)層，形成爆發性水氣突涌災害[8-10]。主要特點表現為水氣突涌無明顯的預兆、突涌迅猛、最大水氣突涌量衰減快等[11]。楊柳煤礦10414首采工作面于2011年7月17日至18日，工作面回采一定距離后，上覆移動帶堅硬火成巖發生破斷，導致離層內水-瓦斯混合體從鉆孔噴涌出地面，形成水柱(帶瓦斯)現象，地面累計抽采、噴出瓦斯166 383 m3，期間井下工作面涌水增加7 845.6 m3；雖未造成井下事故，但潛在威脅巨大。因此，研究厚硬覆巖受采動影響變形破斷規律對防治煤層開采相關地質災害具有重要意義。本研究以楊柳煤礦首采區的10414、10416工作面為例，分析研究工作面回采上覆堅硬巖層采動破斷規律，可為本礦井及我國類似條件和深部開采煤礦水害和瓦斯防治提供依據。

1 地質工程條件

1.1 采區地質及構造

104采區為楊柳煤礦首采區，位于礦井東南部，西至工廣煤柱，北到戴廟斷層，南以小沈家斷層為界。地表為新生界松散層覆蓋，下伏地層自上而下分別為二疊系的上石盒子組、下石盒子組和山西組，石炭系太原組。其中太原組10煤為礦井主要可采煤層，煤層平均厚為3.3 m，傾角平均4°。104采區總體上為一背斜構造，地層傾角4°～12°；區內斷層較為發育，已查出斷層11條，均為正斷層；落差大于30 m的斷層有2條，5～30 m的斷層為3條，小于5 m的斷層為6條。10414、10416工作面為104采區首采面及鄰近工作面，工作面標高-564.7～-598.3 m，上覆兩層厚硬火成巖，上位火成巖平均厚25.9 m，局部缺失，下位火成巖連續分布，距10煤約109.8 m，平均厚約47 m，如圖1所示。

圖1 部分綜合柱狀圖Fig.1 Part of comprehensive histogram

1.2 采區地應力測量

用聲發射法測定地應力是據凱塞效應，對定向試件進行單軸壓縮，同時接收其聲發射信號，當作用力達到某一臨界值時，聲發射活動會突然增多，此臨界應力值即為巖芯試件先前所受的應力。本次對采區內鉆孔R414-1取定向巖樣并進行測量。由于實測點較少，不能完全反應采區應力場分布特征，部分值引用鄰近礦井地應力實測結果。各測點應力大小和水平最大主應力方向見表1。

表1 地應力實測結果Table 1 The results of in-situ stress measurement

注：鄰礦為鄰近海孜煤礦。

根據測量結果可以看出火成巖內有明顯的應力集中現象，地質異常區應力變化比較明顯。最大主應力方位角為94.66°～115.45°，近東西向。垂向應力為中間主應力，采區地應力場型為構造應力場類型。

1.3 采區巖石力學參數

覆巖采動破壞規律受巖土體的力學性質影響，離層的發育層位規模與巖層間力學性質的差異性密切相關，本次通過對采區內已施工的補充勘探鉆孔R414-1、R414-2及R414-3取樣、室內試驗測得采區覆巖力學參數并取其平均值，測量結果見表2。

2 堅硬巖層破斷薄板理論分析

根據彈性薄板理論[12-13]對104采區首采面10414工作面開采頂板堅硬巖層破斷進行力學分析，計算堅硬巖層破斷距。

2.1 力學模型建立

由于10414工作面為首采面，根據其邊界和開采條件，可將采場上覆堅硬頂板初次破斷前簡化為四邊固支矩形彈性薄板結構；之后破斷簡化為一邊簡支，三邊固支薄板結構。如圖2所示，其中a為上覆堅硬頂板沿走向方向懸露的長度，b為工作面傾向長度，板面作用有均布載荷q。由于采場地應力屬構造應力場型，其最大主應力為水平構造應力，假設厚硬火成巖內水平構造應力為σT，平行于薄板中面，其方向如圖2。

表2 覆巖力學參數Table 2 The mechanics parameters of overlying rock

圖2 力學模型Fig.2 Schematic diagram of mechanical model

2.2 力學分析及計算

依據薄板理論，采用瑞利-里茲法，分析得均勻荷載作用下四邊固支巖板所受的最大彎矩為

(1)

將彈性巖板正應力與彎矩的關系式

代入式(1)得最大正應力表達式

(2)

由于巖板不僅受橫向均布載荷作用，還受縱向構造應力影響，考慮構造應力影響時，巖板所受最大正應力表達式為

(3)

式中，σxT|max為作用在垂直于x軸平面上的最大正應力，MPa；σyT|max為作用在垂直于y軸平面上的最大正應力，MPa；c=a/b，其中a為上覆堅硬頂板沿走向方向懸露的長度，m；b為工作面傾向長度，m；h為巖板厚度，m；μ為巖板泊松比；σT為水平構造應力，MPa；α為構造應力方向與工作面推進方向的夾角，(°)。

由于巖板受水平構造應力，巖板發生破斷存在兩種情況：頂部應力首先達到抗壓強度極限值，巖板被壓斷；底部首先達到拉應力極限值，巖板被拉斷。故巖板破斷判據為

σx,y|x,y=+2/h≥σt或σx,y|x,y=-2/h≥σc,

(4)

式中，σt為厚硬頂板抗拉強度，MPa；σc表示厚硬頂板抗壓強度，MPa。

根據式(4)判斷厚硬火成巖發生破斷的對應薄板幾何尺寸，求出在構造應力下厚硬火成巖初次破斷時的跨距l0T，相應工作面推進的距離可由下式近似計算：

L0T=l0T+2Hcotφ,

(5)

式中，L0T為火成巖破斷時工作面推進距離，m；H為火成巖距煤層的距離，m；φ為巖層斷裂角，(°)。

如圖4所示，余甘果果肉添加量分別為0.5 g、1.0 g、1.5 g、2.0 g時，經過10 h的作用后，乙醛的含量呈逐漸降低的趨勢，與對照組（只含有乙醛和乙醛脫氫酶）相比，乙醛含量均有不同程度的降低，說明在乙醛脫氫酶和余甘果果肉的共同作用下乙醛降解。余甘果果肉添加量為1.5 g時，乙醛含量為14.67%，其轉化率為56.70%。當果肉量繼續增加到2.0 g時，乙醛含量變化不大，說明添加余甘果1.5 g/5 mL 40%乙醛（即0.3 g/mL 40%乙醛）時是最恰當的。

采用上述同樣方法可求解三邊固支一邊簡支邊界條件且受水平構造應力影響，巖板所受最大正應力

(6)

根據巖層控制關鍵層理論[14]，分析得下位火成巖為10煤開采的主關鍵層，上位火成巖為亞關鍵層之一，上、下位火成巖會發生同步破斷，由于火成巖地應力實測位于上位火成巖，因此，本次用上位火成巖計算破斷距。根據AE法地應力實測結果(見表1)，火成巖最大水平主應力為21.54 MPa，由此可確定構造應力σT為21.54 MPa；由于火成巖內水平最大主應力方向取104.54°，可得構造應力方向與工作面推進方向的夾角α約為35°；火成巖頂面的埋深為355.81 m，計算其頂面所受上覆巖層重力q約為8.21 MPa；該火成巖巖層厚度h為25.86 m，其底面距10煤頂板距離H為229.33 m，最大抗拉強度σt為8.23 MPa，泊松比μ為0.17；火成巖巖層的破斷角φ參考類似礦井的取值(取為80°)。將上述參數代入式(3)、(4)中可解出火成巖巖板破斷跨距l0T為187 m；利用式(5)確定火成巖破斷時工作面推進距離L0T為268 m。利用式(6)、(4)、(5)計算火成巖板周期破斷時工作面推進距離約為130 m。

3 堅硬巖層破斷數值分析

3.1 模型建立

根據礦井地質資料，對楊柳煤礦104采區的10414、10416工作面在推進過程中其上覆火成巖的破斷進行三維數值分析。兩工作面的走向長度1 080 m，傾向長180 m；工作面之間有5 m的煤巖柱。為了消除邊界約束的影響，考慮到模型計算容量所限，取結構模型尺寸為長×寬×高=1 580 m×665 m× 313 m。工作面范圍內斷層較發育，由于斷層在三維模型建立過程中較復雜，本次模擬僅考慮對破斷有較大影響、落差大于10 m的斷層。依據工作面剖面及鉆孔柱狀，將模型分為19個工程地質巖組，各巖層力學參數見表2。模型上邊界施加上部巖層和表土層的厚度相應的載荷。根據地應力測量結果在模型側面施加了相應的水平應力，以符合實際。計算模型由39 933個單元和43 288個節點組成，如圖3所示。

圖3 地質體數值模型Fig.3 Geological numerical model

3.2 模擬方案設計

為反應巖層移動變形的動態演化過程，對工作面煤層采用分步開挖，根據10煤直接頂的垮落步距、基本頂初次和周期來壓步距，并結合計算模型的尺寸，確定10煤每步工作面進尺25 m，并對工作面每開挖一步進行一次運算，達到平衡后，進入下一步開采。首先對模型中10414工作面開采，全部開采完后進行10416工作面開采。

3.3 模擬結果分析

模型計算完成后，分別取2個工作面傾向方向中間剖面計算結果分析，通過分析剖面中塑性破壞區判斷火成巖破斷。分析得出如下結果。

(1)10414工作面推進275 m時，10煤上覆火成巖底出現塑性破壞區，說明隨著工作面推進巖梁懸露面積增大，巖層在自身重力作用下出現彎曲、開裂、離層，當工作面推進300 m處時，火成巖下部巖層塑性破壞區范圍擴大的同時火成巖內出現明顯的剪切拉張破壞(如圖4(a))，認為火成巖已發生破斷，即火成巖發生初次破斷為275～300 m。

(3)10416工作面火成巖破斷規律與10414工作面類似，但由于受鄰近工作面開采影響工作面推進275 m時，上覆火成巖開始出現塑性破壞區(如圖4(c))，認為火成巖第一次破斷距離為275 m；此后工作面每推進125 m，火成巖發生一次破斷，由此確定10416工作面火成巖初次破斷為250～275 m，周期破斷為100～125 m。

圖4 數值分析結果Fig.4 The results of numerical analysis

4 沉降觀測厚硬火成巖破斷分析

4.1 沉降觀測點的布設

本次沉降觀測在10414、10416工作面地表布置觀測點共計17個，具體位置見圖5所示。

圖5 地表沉降觀測點布置Fig.5 The layout chart of ground settlement observation

4.2 沉降觀測數據分析

觀測時間為2012年7月11日到2013年3月5日，根據觀測數據繪制時間與沉降關系曲線(如圖6)，其中B20、B21、B22、B23、B24、1號孔和2號孔沒有觀測到11月22日和25日兩天的沉降數值，而28日觀測數據反映出：B20、B21和1號孔3個觀測點沉降陡然增加，尤其是B21沉降值從168 mm激增到508 mm，地表沉降明顯增加。

圖6 各觀測點地表沉降隨時間變化曲線Fig.6 Curves of settlement vs time at the surface of each observation places■—B6；●—4號孔；△—3號孔；▼—3-1號孔；?—2號孔； ?—B24；◆—B23；?—B22；◇—B20；×—B21；+—1號孔； □—補2；○—墻4；▲—墻3；▽—416-1號；?—A36；?—416-3

結合地表沉降觀測點布置圖分析：墻4觀測點靠近10416工作面，走向上距離11月24日10416工作面推進位置約68 m；墻3觀測點距離10416工作面推進位置182 m，其位置約在10416工作面中間，由圖5可以看出11月22日之后墻4和墻3的沉降曲線增加明顯，尤其是靠近10416工作面推進位置的墻4沉降變化曲率最大，11月22日補充的沉降觀測點416-3的沉降變化增長非常快，這與其位置密切相關；而除了3號孔、4號孔及A36觀測點離10416工作面距離比較遠，煤柱附近沉降值變化極小外，其他觀測點11月22—25日前后的沉降曲線的曲率均具有明顯變化，沉降值明顯增大。根據上述分析，10416工作面在推進到距離切面260 m附近(11月24日左右)，工作面上覆火成巖極有可能發生破斷，從而導致地面沉降明顯增大。因此，確定10416工作面開采火成巖初次破斷約為260 m，其值與理論分析、數值計算結果一致。

5 結 論

(1)采用薄板理論對10414工作面開采堅硬巖層破斷進行了力學分析，確定堅硬火成巖初次破斷為286 m，周期破斷約為130 m。

(2)利用數值分析法分析，確定10414工作面開采堅硬火成巖初次破斷為275～300 m，周期破斷為125～150 m；10416工作面初次破斷為250～275 m，周期破斷為100～125 m。

(3)根據對10416工作面開采地表沉降觀測數據分析，確定其工作面發生初次破斷約為260 m。

[1] 蘇仲杰,于廣明,楊 倫.覆巖離層變形力學機理數值模擬研究[J].巖石力學與工程學報，2003，22(8)：1287-1290. Su Zhongjie，Yu Guangming，Yang Lun.Numerical simulation on mechanism of deformation of separated strata in overburden[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22(8):1287-1290.

[2] 許家林，錢鳴高，金宏偉.巖層移動離層演化規律及其應用研究[J].巖土工程學報，2004，26(5):632-636. Xu Jialin，Qian Minggao，Jin Hongwei.Study and application of separation distribution and development in the process strata movement[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2004，26(5)：632-636.

[3] 蘇仲杰，于廣明，楊 倫.覆巖離層變形力學模型及應用[J].巖土工程學報，2002(6):778-781. Su Zhongjie，Yu Guangming，Yang Lun.Application of mechanical model to deformation of covered rock separation strata[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2002(6):778-781.

[4] 張玉卓，陳立良.長壁開采離層產生的條件[J].煤炭學報，1996，21(6):576-581. Zhang Yuzhuo，Chen Liliang.Condition for bed separation of overlying burden in longwall mining[J].Journal of China Coal Society，1996，21(6):576-581.

[5] 于 濤，王來貴.覆巖離層產生機理[J].遼寧工程技術大學學報，2006，25(增):132-134. Yu Tao，Wang Laigui.Mechanism of generation of overburden separation layer[J].Journal of Liaoning Techincal Unversity，2006，25(S1):132-134.

[6] 趙團芝，李文平，趙成喜,等.頂板覆巖離層水體分布規律勘查研究[J].礦業安全與環保，2008，35(5):4-6. Zhao Tuanzhi，Li Wenping，Zhao Chengxi，et al.Survey study on distribution laws of separated stratum water in roof overlying strata[J].Mining Safety & Environmental Protection，2008，35(5):4-6.

[7] 喬 偉，李文平，李小琴.采場頂板離層水“靜水壓涌突水”機理及防治[J].采礦與安全工程學報，2011，28(1):97-104. Qiao Wei，Li Wenping，Li Xiaoqin.Mechanism of “Hydrostatic Water-Inrush” and countermeasures for water inrush in roof bed separation of a mining face[J].Journal of Mining & Safety Engineering，2011，28(1):97-104.

[8] 李 偉.海孜煤礦特殊突水事故發生的原因及對策[J].煤炭科學技術，2006，34(1):35-38. Li Wei.Cause of special water inrush accident occurred in Haizi mine and countermeasures[J].Coal Science and Technology，2006，34(1):35-38.

[9] 任春輝，李文平，李忠凱，等.巨厚巖層下煤層頂板水突水機理及防治技術[J].煤炭科學技術，2008，36(5):46-48. Ren Chunhui，Li Wenping，Li Zhongkai，et al.Control technology and mechanism of mine water inrush from roof of seam under super thick rock strata[J].Coal Science and Technology，2008，36(5):46-48.

[10] 李文平，李小琴，孫如華.巨厚堅硬巖層下煤層開采“動力突水”初步研究[J].工程地質學報，2008，16(增)：446-450. Li Wenping，Li Xiaoqin，Sun Ruhua.Preliminary study on dynamic water inrush of coal mining under superthick hard rock[J].Journal of Engineering Geology，2008，16(Suppl):446-450.

[11] 李 偉，李文平，程新明，等.整體結構頂板特大動力突水水害查治方法[M].徐州:中國礦業大學出版社，2008. Li Wei，Li Wenping，Cheng Xinming，et al.The Method of Surveying and Prevention Dynamic Super Water Inrush Concerned with Whole Structure Roof[M].Xuzhou：China University of Mining and Technology Press，2008.

[12] 黃克智，夏之熙，薛明德，等.板殼理論[M].北京:清華大學出版社,1987. Huang Kezhi，Xian Zhixi，Xue Mingde，et al.Theory of Plate and Shells[M].Beijing:Tsinghua University Press，1987.

[13] 唐曉玲，葉明亮.薄煤層堅硬頂板的薄板理論分析及來壓預報[J].礦山壓力與頂板管理，2003(2):89-92. Tang Xiaoling，Ye Mingliang.The thin plate theory analysis of hard roof and pressure forecast[J].Ground Pressure and Strata Control，2003(2):89-92.

[14] 錢鳴高，繆協興，許家林.巖層控制中的關鍵層理論研究[J].煤炭學報，1996，21(3):225-230. Qian Minggao，Miao Xiexing，Xu Jialin.Theoretical study of key stratum in control[J].Journal of China Coal Society，1966,21(3):225-230.

(責任編輯 徐志宏)

Study on Hard Strata Rupture Law of Overlying Integrated Moving Belt at Stope

Wang Qiqing Li Wenping Li Xiaoqin Sun Ruhua

(SchoolofResourcesandEarthScience，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221008，China)

In order to control water (gas) outburst and other serious secondary disasters caused by the overlying hard strata sudden rupture at stope，the hard strata rupture law of overlying integrated moving belt in a coal mining face with continuous and large mining was studied.Based on study of the geological engineering conditions in a first coal mining face，such as overlying strata spatial occurrence，rock mass structure，mechanical properties and in-situ ground stress etc，the initial rupture and cycle rupture distances of the hard igneous bedrock at stope overlying integrated moving belt at first and subsequent working face were calculated and simulated by using thin plate theory and numerical simulation methods.The results showed that the initial rupture distance of hard igneous rock at first working face was about 300 m and the cycle rupture distance was about 130 m.Because the subsequent work mining was affected by the goaf of adjacent mining face，its initial rupture distance was about 260 m and cycle rupture distance was about 120 m.The results are in accordance with the field data analysis.Research results have important significance to predict and control water inrush and gas outburst in bed separation and other geological disasters resulted from coal mining under hard strata.

Hard roof，Thin plate theory，Numerical analysis，Initial rupture，Cycle rupture

2013-12-04

國家自然科學基金項目(編號：41172290，40572160)。

王啟慶(1989—)，男，碩士研究生。通訊作者：李文平(1965—)，男，教授，博士研究生導師，博士。

TD327

A

1001-1250(2014)-03-015-06