考慮開采擾動對傳統礦壓理論的修正*

張 睛，王 東，劉長武

（1. 西華大學 能源與環境學院，四川 成都 610039；2. 四川省交通運輸廳 公路規劃勘察設計研究院，四川 成都 610041；3. 四川大學 水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川 成都 610065）

考慮開采擾動對傳統礦壓理論的修正*

張 睛1，王 東2，劉長武3

（1. 西華大學 能源與環境學院，四川 成都 610039；2. 四川省交通運輸廳 公路規劃勘察設計研究院，四川 成都 610041；3. 四川大學 水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川 成都 610065）

在深部開采卸荷作用下，采場圍巖產生大量裂隙和損傷，直接頂巖層處在峰后階段，液壓支架的重復支撐使其完整性和穩定性都會產生明顯降低。文中以埋深800m的邢東礦1126工作面為研究背景，對高水材料長壁充填開采工作面的直接頂巖層垮落步距進行了理論計算，修正了傳統礦壓理論，計算結果與現場監測實際情況吻合。

深部開采；峰后；液壓支架；重復擾動；礦壓理論

1 引言

煤炭深部開采中，高應力狀態的直接頂巖層在開采卸荷的作用下往往產生屈服變形和破壞，屬于峰后狀態的巖體。另外，在液壓支架的重復支撐作用下，將導致巖體裂隙發育程度的進一步發展，而這也是以往礦壓理論中所忽視的。液壓支架對高應力狀態直接頂巖層的重復支撐，類似室內試驗中振動荷載對巖石峰后階段的影響。但是，目前關于巖石峰后特性研究的文獻［1-3］較少涉及振動對巖體作用的研究成果，筆者在文獻［4］中較為系統地研究了振動作用對峰后階段巖石力學特性的影響規律。

2 邢東礦1126工作面概況

邢東礦1126工作面，埋深達到800m左右，且屬于村莊下壓煤。為降低1126工作面開采引起的地面沉降，減緩沖擊地壓等深部開采中的災害發生，對采空區進行了超高水材料充填處理。充填的直接作用是減少了采空區的自由空間，從而使得上部巖層的移動規律發生改變。1126工作面頂底板巖層的分布情況如表1所示。

高水充填處理采空區時，采用的是雙節式頂梁液壓支架，頂梁的長度接近普通液壓支架頂梁的2倍，這無疑增加了液壓支架對直接頂巖層重復支撐的次數。重復支撐次數的增加，會加重峰后巖石裂隙發育程度，充填長壁開采工作面巖層分布如圖1所示。

表1 1126工作面巖層結構及主要物理力學參數

圖1 高水材料充填采空區工作面示意圖

3 頂板巖層理論計算

按照錢鳴高院士［5］提出的“三帶理論”及文獻［6］中的方法，充填開采中頂板巖層的劃分可以按照下式來計算：

式中：hi為自下而上第i層巖層的分層厚度，m；h為采高，m；d表示充填體的實際充填厚度，m；KA為直接頂巖層的碎脹系數，取1.25～1.50。由于1126工作面頂板較為堅硬，KA取下限1.25。由于充填體自身的物理、力學參數及充填質量影響著d的取值，初始充填厚度小于4.5m，只有4m左右；同時隨著工作面的推進，采空區里的充填體會逐漸被壓實、壓縮，使得充填體最終厚度d小于初始厚度。因此，結合類似工程經驗和現場觀測，d的最終有效厚度在3～3.5m。出于安全考慮，此處取充填體有效厚度d為3.0m，在此基礎上進行1126工作面頂板活動規律的分析。在采用雙節式頂梁液壓支架、高水充填開采條件下，1126工作面直接頂巖層由三部分組成。

（1）1號巖層下部的2m直接頂。

雙節式頂梁液壓支架，頂梁的長度接近普通液壓支架頂梁的2倍，增加了液壓支架對直接頂巖層（1號）重復支撐的次數。直接頂巖層由于埋深達到800m，初始地應力很高，在開采卸荷作用下會產生大量裂隙和損傷，可以認為1號直接頂巖層時處在峰后階段，因此液壓支架的重復支撐對其完整性和穩定性都會產生明顯降低，這是以往礦壓理論中所忽視的。通過現場實際觀測，1號直接頂巖層在經歷約20次液壓支架的重復支撐后，裂隙發育程度和深度明顯加深，裂隙深度隨著重復支撐的次數增加而加大，裂隙最終深度為2m左右。

（2）1號巖層上部的0.67m直接頂。

由于該巖層在垮落前未與下部巖體形成力學聯系，其荷載計算為：

考慮2號巖層對1號巖層的荷載

由于q12＜q11，故取其荷載為0.018MPa。

四周固定邊界條件下頂板初次斷裂步距為：

當計算板垮落的周期極限步距時，由于采空區一側的約束由固支變為了簡支，因此按照三邊固支、一邊簡支的板來計算其垮落步距，計算公式如下：

式中u為巖層泊松比；q為巖層自重及其上荷載，MPa；λ為采空區幾何形狀系數，等于2a/2b；2a為工作面推進距離，m；

解公式（3）（4），得此部分直接頂的初次斷裂步距為：17.5m，周期破斷距16.7m。

（3）2號直接頂巖層。

該部分直接頂巖層垮落后與下位巖體可以形成力學聯系，組成砌體梁結構。但在垮落前是否有力學聯系，需要進一步判斷。

可以通過其垮落前下部空間e來判斷：

式中：M為采高；d為充填體實際厚度；SA為頂板允許下沉梁，一般取0.15～0.25m；∑H為下位巖層總厚度；KA為巖層碎脹系數，此處取1.25。

代入相關數據可得，2號直接頂巖層在垮落前，下層空間為0.6m左右，沒有與下位巖層接觸，因此該巖層在垮落前沒有受到下位巖層的支撐力作用。因此，2號巖層的垮落步距計算與不充填時相同，初次斷裂步距為17m，周期破斷步距為16.5m。

在進行直接頂巖層厚度折減的基礎上，運用礦壓理論計算，得出1126工作面直接頂巖層的初次垮落步距為17.2m，周期垮落步距為16.5m。然而，傳統礦壓理論沒有考慮直接頂巖層在液壓支架重復支撐作用下裂隙帶的發育情況，計算得出的直接頂巖層的垮落步距在50m左右。

4 現場監測

為研究1126充填工作面液壓支架工作阻力隨工作面推進的變化規律，在工作面中間位置的液壓支架后柱和前柱分別布置1臺KJ216-F型頂板壓力監測分站，監測的數據為支柱內油壓，它的變化可以反映出液壓支架對直接頂巖層的支護阻力以及頂板巖層的活動規律。該系統采用山東尤洛卡自動化裝備股份有限公司提供的KJ216-F型頂板壓力監測分站，實現地面在線遠程監測。監測結果如圖2所示。

從圖2可以看出：（1）液壓支架后柱的支護阻力高于前柱，前柱的平均支護阻力為24.9MPa，而支架前柱的平均支護阻力為34.4MPa，比前柱高出38%。究其原因，一方面是工作面處頂板的部分重量由煤壁承擔，而后架上方頂板的下沉及轉動回引起支架后柱支護阻力的增加；另一方面是由于直接頂巖層在液壓支架的重復支撐作用下，頂板巖層的破碎程度和深度自工作面向采空區均增加，因而液壓支架承擔的直接頂破碎巖塊的重量逐漸增加。（2）在工作面向前推進過程中，支架后柱支護阻力出現周期性變化，前柱支護阻力無明顯變化。說明在工作面回采過程中，頂板巖層存在周期性破斷現象；同時由于來壓系數較小，排除老頂來壓可能，即是由于直接頂的周期破斷引起的液壓支架支護阻力周期性變化。從圖2中可以看出，直接頂的周期破斷步距在10～20m左右，小于傳統礦壓理論計算的50m，而且與本文的計算結果是吻合的。

圖2 液壓支架阻力與工作面推進度關系

5 結論

通過理論計算和現場監測，對雙節式頂梁液壓支架重復擾動下的1126工作面頂板巖層進行了分析，得到以下結論：采用雙節式頂梁液壓支架高水充填條件下，1126工作面最下層的2m左右的直接頂巖層在高地應力和液壓支架重復支撐擾動等因素作用下，松散破碎，隨采隨冒，容易誘發冒頂等事故。因此，在進行直接頂巖層的破斷距離計算時，對傳統礦壓理論進行修正，去除最下層2.0m的破碎巖體，計算得到1126工作面直接頂巖層的初次垮落步距為17.2m，周期垮落步距為16.5m，小于傳統理論的計算結果，然而與現場液壓支架支柱支護阻力監測數據吻合。

［1］Spencer, J.W., Jr.. Stress relaxation at low frequencies in fluid saturated rocks: Attenuation and modulus Dispersion[J]. J. Geophys. Res, 1981, 86(B3):1803-1812．

［2］葛修潤, 盧應發. 循環載荷作用下巖石疲勞破壞和不可逆應變問題的探討[J]. 巖土工程學報, 1992, 114(3):56-60.

［3］林大能, 陳壽如. 循環沖擊荷載作用下巖石損傷規律的試驗研究[J].巖石力學與工程學報, 2005, 22(24):4094-4098.

［4］王東. 巖石峰后非線性力學特性及其工程相應[D]. 成都: 四川大學博士論文, 2013.

［5］錢鳴高, 劉聽成. 礦山壓力及其控制(修訂版)[M]. 北京: 煤炭工業出版社, 1992.

［6］侯忠杰. 斷裂帶老頂的判別準則及在淺埋煤層中的應用[J]. 煤炭學報, 2003, 28(1):8-12.

The Modification of Traditional Mine Pressure Theory Conducted by Mining Disturbance

ZHANG Jing1, WANG Dong2, LIU Chang-wu3
（1. Energy & Environment College of Xihua University, Chengdu 610039, Sichuan, China; 2.Sichuan Provincial Transport Department Highway Planning, Survey, Design and Research Institute, Chengdu 610041, Sichuan, China; 3.State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Protection and Development of Sichuan University, Chengdu 610065, Sichuan, China）

Due to the unloading in deep mining, fracture and crush is widely existed in wall rock of stope. Since direct roof stratum was already in the post peak status, the repeat prop up would decrease its integrity and stability significantly. Taking the Xingdong 1126 working face in 800 meter deep as research background, this paper amended the mine pressure theory and calculated collapse distance of direct roof stratum in longwall mining filling with high water content. At last, the monitor data was agreed with the calculated results well.

deep mining；post peak；hydraulic support；repeat disturbance；mine pressure theory

TU452

A

1009-3842（2015）01-0036-03

2014-12-30

國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）（2010CB226802）；四川大學水力學國重室開放基金（SKHL1312）；西華大學重點科研基金項目（z1320404）

張婧（1986-），女，湖北武漢人，講師，博士，主要從事地質災害、水力學及河流動力學方面研究。E-mail: phyllis_zj@yeah.net