高位硬厚巖層下采場覆巖運動規律及采動應力演化規律

武泉林

(濟寧學院，山東省曲阜市，273100)

★ 煤炭科技·開拓與開采 ★

高位硬厚巖層下采場覆巖運動規律及采動應力演化規律

武泉林

(濟寧學院，山東省曲阜市，273100)

針對工作面上覆巨厚堅硬巖漿巖條件，運用相似模擬試驗和數值模擬方法，分別研究了硬厚巖層下采場覆巖運動和采動應力演化規律。研究結果表明，工作面上覆巖漿巖時，覆巖破斷的關鍵階段分別為直接頂破斷、基本頂初次破斷、基本頂周期破斷、巖漿巖初次破斷和巖漿巖周期破斷(裂隙溝通地表)；硬厚巖漿巖破斷前，隨著工作面的不斷推進，煤體支承壓力不斷增加；硬厚巖漿巖破斷后，采場支承壓力要小于破斷前。

硬厚巖漿巖 相似模擬 覆巖運動規律 數值模擬 采動應力

隨著煤礦開采深度、開采強度的增加，礦震、沖擊地壓、煤與瓦斯突出等動力現象日漸嚴重。相關資料表明，在工作面上覆高位單層或多層硬厚關鍵層條件下更易引發采場礦壓事故。因此，正確掌握并運用上覆高位硬厚巖層頂板運動規律及采動應力演化規律，對工作面安全生產有重要的意義。本文采用相似模擬試驗和數值模擬方法，研究了硬厚巖層下采場覆巖的運動規律和采動應力演化規律，為以后相似條件下工作面安全開采提供了可靠的依據。

1 相似模擬試驗

1.1 試驗設置

相似模型設計是以淮北楊柳煤礦地層巖石力學參數為依據，在相似模擬試驗臺上設計2個試驗模型，分別模擬上覆單層、雙層巖漿巖條件下，采場覆巖運動情況。巖漿巖厚度為60 m，與開采煤層的間距為80 m，設計煤層開采厚度為8 m。

1.2 參數選擇

按照相似理論和以往經驗確定相似模擬試驗比，其中幾何相似比為1:200，容重相似比為1:1.5，彈性模量相似比為1:300，時間相似比為1:14。在本次試驗中，相似模擬材料以細沙作為骨料，石膏和碳酸鈣為膠結材料。為了方便試驗操作，在不改變原有物理性質條件下，對不起主要作用的巖層進行了合并。為了區分各個巖層，用云母粉作為分層材料。對應原型巖層的單軸抗壓強度，根據相似理論和相似條件，經過計算得到各個巖層的單向抗壓強度，選取相對應的材料配比，各巖層參數及配比見表1。

表1 模型巖層參數及配比

1.3 試驗結果及分析

相似模擬試驗中直接頂垮落形態如圖1所示。由圖1可以看出，工作面自開切眼開始，隨著工作面的開采，工作面直接頂在煤壁后方發生初次冒落。隨著工作面的推進，直接頂隨采隨冒。

圖1 直接頂垮落形態

基本頂初次斷裂形態如圖2所示。由圖2可以看出，隨著工作面推進，基本頂發生初次破斷，并形成前后鉸接的傳遞巖梁結構，基本頂斷裂的同時，上部泥巖也隨之斷裂?？迓鋷r塊大多排列規則，垮落巖塊的長度近20 m，巖塊內部裂隙發育較豐富，離層逐漸發育至基本頂上部粉砂質泥巖，發育高度為40 m。

圖2 基本頂初次斷裂形態

基本頂第二次周期斷裂形態如圖3所示。由圖3可以看出，隨著工作面推進，基本頂發生第一次周期來壓，離層繼續向上發育。隨著工作面的繼續推進，工作面出現第二次周期來壓，已垮落巖層與上方懸露巖層間離層達到4.8 m，離層跨度為60 m。隨著采空區的范圍不斷增加，煤壁后方和開切眼前方出現大量穿層裂隙，形成形狀規則的斷裂線并與離層溝通，兩側斷裂線角度大致相同，約為57°。隨著離層的不斷向上發展，下部的離層空間不斷減小，直至壓實。

圖3 基本頂第二次周期斷裂形態

巖漿巖中部裂隙發育形態如圖4所示。由圖4可以看出，隨著工作面推進，巖漿巖下方頂板依次垮落，采空區中部垮落巖層基本被壓實，在采空區的四周形成O型裂隙帶(圈)，離層發育至巖漿巖底部，離層跨度擴大到134 m，高度達到5 m，斷裂裂隙也發育至巖漿巖底部的下位巖層。作為主關鍵層，巖漿巖屏蔽了裂隙的向上發展，使得巖漿巖下方裂隙充分發育，但是斷裂裂隙并沒有貫穿所有巖層，沒有形成穿層裂隙與離層溝通。此外，在上覆壓力和自重作用下，加之受到巖漿巖下方軟弱巖層的彈性地基作用，巖漿巖下部出現斷裂裂隙(拉破壞)，裂隙高度為34 m。

圖4 巖漿巖中部裂隙發育形態

巖漿巖上部巖層斷裂形態如圖5所示。由圖5可以看出，隨著采空區范圍不斷增大，巖漿巖下部斷裂裂隙的高度和寬度都有所擴展，與此同時在煤壁和開切眼處斷裂線附近，巖漿巖的前方和后方開始出現斷裂裂隙，且后方裂隙發育程度強于前方。隨著工作面推進，巖漿巖前后方裂隙均有擴展，離層跨度逐漸增加，巖漿巖彎曲下沉量隨之增大，巖漿巖下部離層高度減小，離層空間由5 m降低至2 m，巖漿巖上部巖層伴隨著巖漿巖一塊下沉，并有部分靠近巖漿巖的巖層開始斷裂，斷裂線沿著60°方向向上延展。

巖漿巖初次斷裂形態如圖6所示。由圖6可以看出，隨著工作面推進，巖漿巖發生初次斷裂，斷裂后巖漿巖迅速失穩下沉，巖漿巖下部離層閉合，巖漿巖上部巖層隨之斷裂或彎曲下沉，在巖漿巖上方117 m處形成離層，離層高度為3 m，跨度為80 m，斷裂裂隙沒有溝通離層。斷裂的巖漿巖塊體為前后長短不等邊梯形。

圖5 巖漿巖上部巖層斷裂形態

圖6 巖漿巖初次斷裂形態

通過巖漿巖初次破斷前后工作面頂板覆巖形態可知，巖漿巖的破斷易誘發工作面突水及支架動載等災害。巖漿巖破斷前，與其下位巖層之間存在巨大的離層空間，且沒有與斷裂裂隙溝通，這為離層水的集聚提供了良好的空間載體。一旦巖漿巖破斷下沉，將對離層水產生巨大的沖擊壓力，致使離層水沿著O型裂隙帶(圈)涌入工作面，造成工作面突水事故。巖漿巖破斷時會釋放巨大的能量，加之巖漿巖的快速下沉運移，重力勢能轉化為動能，易形成巖漿巖對下位巖層的強烈動載作用，誘發礦井強震事件的發生，導致工作面支架失穩、沖擊地壓、煤與瓦斯突出等事故。如果巖漿巖下方的離層與巖漿巖下位巖層穿層裂隙溝通時，將為瓦斯的集聚提供天然的通道和積聚空間。一旦巖漿巖失穩，其產生的巨大能量將壓迫離層區內積聚的瓦斯通過O型裂隙帶快速涌入工作面，造成瓦斯突出事故。

巖漿巖初次破斷后，隨著工作面的繼續推進，離層發育到巖漿巖下方，未破斷的巖漿巖將形成下方軟弱巖體支撐的懸臂梁結構，巖梁上表面受拉應力作用，下表面受壓應力作用。由于巖漿巖的抗拉強度低于抗壓強度，將導致巖漿巖的上表面首先發生破壞。巖漿巖端部斷裂裂隙如圖7所示。由圖7可知，隨著工作面的推進，在巖漿巖的端部出現斷裂裂隙。并隨著工作面的不斷推進，裂隙將會向下發展，直至貫穿巖漿巖，巖漿巖發生周期破斷。

圖7 巖漿巖端部斷裂裂隙圖

巖漿巖第二次周期破斷前后變化如圖8所示。

圖8 巖漿巖第二次周期破斷前后變化圖

由圖8可知，在巖漿巖第二次周期破斷前，與其下位巖層之間的離層達到4 m，巖漿巖端部出現傾斜的斷裂裂隙，隨著斷裂裂隙的不斷擴展，巖漿巖完成了第二次周期破斷，破斷后離層幾乎閉合，破斷時巖漿巖下位巖層隨巖漿巖一起下沉。巖漿巖的周期破斷具有相似的尺寸效應和破斷特征，斷裂巖塊在長度方向上分別為80 m和86 m，斷裂巖塊呈平行四邊形。周期斷裂的巖漿巖巖塊相互鉸接，斷裂后不會立即失穩，且來壓強度顯著小于巖漿巖初次破斷。巖漿巖上位巖層隨著巖漿巖的運移而下沉，巖漿巖上部離層閉合，工作面達到充分采動狀態，形成地表移動盆地。

2 數值模擬試驗

2.1 數值模擬高位硬厚巖層對采動應力作用機理的理論基礎

高位硬厚巖層破斷前采動應力和支承壓力如圖9所示。由圖9可以看出，在工作面開采過程中，直接頂隨采隨冒，垮落后的巖石堆積在采空區。隨著工作面的不斷推進，采空區上覆巖層逐漸垮落，離層裂隙不斷向上發育。高位硬厚巖層自身堅硬，整體完整性好，抗拉強度大，不易發生彎曲；下方巖層抗拉強度小，易發生彎曲。隨著工作面的推進，采空區上覆巖層彎曲垮落，離層空間發育到硬厚巖層底部，離層裂隙發育充分，硬厚巖層懸露面積不斷增加。硬厚巖層作為關鍵層承擔自身以及上方巖層重量，此時，硬厚巖層承擔的載荷通過巖層傳遞到工作面前方煤體，使煤體支承壓力不斷增加。

圖9 高位硬厚巖層破斷前采動應力和支承壓力示意圖

高位硬厚巖層破斷后采動應力和支承壓力示意圖如圖10所示。由圖10可以看出，隨著工作面的推進，硬厚巖層跨距逐漸增大，當達到極限跨度時，硬厚巖層發生破斷，產生結構性失穩，其上方較為軟弱的巖層也隨之發生整體彎曲下沉。破斷后的硬厚巖層由采空區下方已垮落巖體和未垮落巖體共同承擔，導致傳遞到工作面的支承壓力減小。硬厚巖層破斷后，采場支承壓力要小于破斷前。

圖10 高位硬厚巖層破斷后采動應力和支承壓力示意圖

2.2 數值模型的建立

在進行數值模擬時，參照相似模擬試驗所建模型，建立三維數值模型。模型范圍為1000 m×760 m×286 m。煤層厚度為6 m，埋深600 m；模擬工作面傾向長190 m，走向推進600 m；模型左右前后邊界施加水平約束，在底部固定邊界；頂部施加應力邊界，模擬上部省略的巖層載荷；在模擬計算中選取摩爾庫倫模型。數值網格模型如圖11所示，煤巖體物理力學參數見表2。

選取硬厚巖層厚度為60 m、煤層間距為80 m的模型，在煤壁前方沿走向中部設置應力監測線，記錄輸出工作面超前支承壓力如圖12所示。由圖12可知，工作面開采初期，支承壓力集中程度增長較快，隨著工作面的不斷推進，增長率開始變緩，在硬厚巖層破斷前增長率趨于穩定。當工作面推進到40 m時，工作面超前支承壓力峰值為21.68 MPa，應力集中系數為1.5。當工作面推進到320 m時，超前支承壓力集中程度明顯增加，峰值為26.9 MPa，集中應力系數達到1.8。當工作面推進到360 m時，超前支承壓力達到最大，峰值為27.15 MPa，應力集中系數為1.81。隨著工作面的繼續推進，超前支承壓力峰值開始減小，當工作面推進到440 m時，硬厚巖層達到極限懸跨度，硬厚巖層及其上、下巖層發生垮落失穩，工作面支承壓力迅速減小，峰值為20.18 MPa，應力集中系數1.35，與破斷前相比支承壓力峰值減小幅度為25.7%。

表2 模型巖層及力學參數

圖11 數值計算模型

圖12 硬厚巖層破斷前后工作面超前支承壓力變化曲線

3 結論

(1)工作面上覆巖漿巖時，覆巖破斷的關鍵階段分別為直接頂破斷、基本頂初次破斷，基本頂周期破斷、巖漿巖初次破斷、巖漿巖周期破斷(裂隙溝通地表)。

(2)硬厚巖層破斷前作為關鍵層承擔自身以及上方巖層重量，硬厚巖層承擔的載荷通過巖層傳遞到工作面前方煤體，使煤體支承壓力不斷增加；當硬厚巖層達到極限跨度發生破斷，產生結構性失穩，其上方較為軟弱的巖層也隨之發生整體彎曲下沉，破斷后的硬厚巖層由采空區下方已垮落巖體和未垮落巖體共同承擔，導致傳遞到工作面的支承壓力減小，硬厚巖層破斷后，采場支承壓力小于破斷前。

[1] 王金安，劉紅，紀洪廣.地下開采上覆巨厚巖層斷裂機制研究[J].巖石力學與工程學報，2009(增1)

[2] 王平，姜福興，馮增強等.高位厚硬頂板斷裂與礦震預測的關系探討 [J].巖土工程學報，2011(4)

[3] 曲秋揚.大傾角大采高工作面覆巖破壞與圍巖應力分布規律研究 [J].中國煤炭，2016(7)

[4] 譚輔清，昝東峰，周楠等.巨厚礫巖層下工作面過斷層覆巖運動規律研究及應用 [J].中國煤炭，2011(9)

[5] 李化敏，付凱.煤礦深部開采面臨的主要技術問題及對策 [J].采礦與安全工程學報，2006(4)

[6] 來興平.西部礦山大尺度采空區衍生動力災害控制 [J].北京科技大學學報，2004(1)

[7] 劉文崗，姜耀東，周宏偉等.沖擊傾向性煤體的細觀特征與裂紋失穩的試驗研究 [J].湖南科技大學學報(自然科學版)，2006(4)

[8] 錢鳴高，繆協興，許家林等.巖層控制的關鍵層理論 [M].徐州：中國礦業大學出版社，2000

(責任編輯 陶 賽)

Movement rule of overlying strata and evolution law of mining stress in mining field under high and hard thick rock strata

Wu Quanlin

(Jining University, Qufu, Shandong 273100, China)

According to the condition of thick hard igneous rock in working face, movement rule of overlying strata in the hard thick rock strata is studied by similar simulation test and numerical simulation method. Research shows that the coating on the working surface of magmatite, the key stage of rock breaking are immediate roof breaking, basic roof breaking, basic roof cycle breaking, magmatite first breaking, magmatite cycle breaking (fracture surface communication); hard and thick magmatite before break, along with the industry as the advancement of abutment pressure increasing; hard thick magmatite breaking, abutment pressure is smaller than before break.

hard thick magmatic rock, similar simulation, overlying strata movement law, numerical simulation, dynamic stress

國家自然科學基金資助項目(51374139),山東省自然科學基金資助項目(ZR2013EEM018)

武泉林.高位硬厚巖層下采場覆巖運動規律及采動應力演化規律 [J].中國煤炭，2017，43(2)：38-43. Wu Quanlin. Movement rule of overlying strata and evolution law of mining stress in mining field under high and hard thick rock strata [J]. China Coal，2017,43(2)：38-43.

TD323

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武泉林(1988-)，山東魚臺人，采礦工程博士，主要研究方向為煤礦安全開采與評價。