淺埋薄基巖綜采面覆巖移動規(guī)律物理模擬研究

賈建華

(山西煤炭進出口集團 蒲縣萬家莊煤業(yè)有限公司， 山西 臨汾 041000)

我國西北地區(qū)賦存有大量的淺埋煤層，其儲量可觀，約占到全國探明儲量的1/3.這部分煤層以基巖薄(通常為30～80 m，基載比<1)、埋藏淺(不超過150 m)、上覆厚松散層(風積砂和黃土等)和賦存穩(wěn)定[1]為主要特點，在開采過程中，頂板難以形成穩(wěn)定的結構，表現出明顯的動壓和臺階下沉特性[2]，甚至會出現工作面潰水、潰沙事故等不利于安全生產的因素[3]. 因而，系統研究并準確掌握淺埋薄基巖工作面上覆巖層的垮落和移動規(guī)律、預測工作面垮落步距及形態(tài)等，具有重要的理論意義和應用價值。

覆巖移動規(guī)律的研究大多采用相似模擬試驗、礦壓數據現場實測分析以及計算機數值模擬等方法。其中，相似模擬試驗在不具備現場實測條件時具有明顯的優(yōu)越性，且可以直觀觀測到相似模型的應力、位移、破壞和運動等變化過程，易于掌握覆巖的破斷、運動及變化規(guī)律，所以得到了廣泛應用[1-6]. 本文通過工作面頂板巖層失穩(wěn)過程的物理模擬，探究淺埋薄基巖煤層條件下上覆巖層的垮落機理和來壓規(guī)律。

1 物理模擬試驗設計

1.1 工程概況

某礦現主采3-1煤和4-2煤，煤層埋藏淺(平均埋深110 m)，基巖為厚約25 m的細粒砂巖和中粒砂巖，地表覆蓋巨厚松散土層，上覆砂巖結構完整，巖性較好，頂板穩(wěn)定，煤層結構單一，水文地質情況簡單，屬于我國西部典型的淺埋薄基巖煤層。試驗原型為該礦42112綜采工作面，煤厚為3.15 m，平均采深122.65 m，長壁開采，工作面推進速度為14.4 m/d, 直接頂為粉砂巖，厚7.66 m；基本頂為細粒砂巖和粉砂巖，厚度分別為8.35 m和15.10 m. 上覆松散層平均厚度70 m，基巖厚度平均40 m. 實際煤巖體物理力學參數見表1.

1.2 試驗設計

煤層直接頂和基本頂的垮落規(guī)律依然是該次物理模擬的重點，研究的對象主要是基巖及其與上覆松散層之間的載荷傳遞機制。因而，在相似配比、模型鋪設和試驗防護方面必須采取一定的特殊措施。根據相似條件，確定相似材料配比和巖層分層情況分別見表2，圖1.

表1 實際煤巖體物理力學參數表

表2 模型煤巖體物理力學參數和配比方案表

圖1 相似模擬試驗煤巖分層情況圖

試驗采用平面應力模型，模型設計外形尺寸為2 500 mm×300 mm×1 280 mm. 按照物理模擬的相似要求，模型與原型之間滿足下列基本相似條件：幾何相似比cl=100；運動相似比ct=10；應力及強度相似比cp=150；時間相似比αt=10；容重比均為cr=1.5.該模型鋪設到地表，不施加其他載荷。

模型分層制作，按設計的相似材料配比方案配置、敷設各巖層。模型鋪設完畢后自然風干，開挖時嚴格按照時間相似比進行。鋪設后的模型全景見圖2.

圖2 鋪設后的模型全景圖

模型左右兩側分別留設30 m的邊界煤柱以消除邊界效應，從右部邊界煤柱30 m處開切眼，在開挖過程中，嚴格按照時間相似原則依次回采。模型每開挖一次記錄一組數據，在整個過程中，利用數碼相機攝取直觀信息。

2 覆巖垮落過程及破壞規(guī)律

2.1 覆巖垮落過程分析

工作面從開切眼處向前推進，當推進到18 m左右時，直接頂出現了明顯裂隙。工作面繼續(xù)開挖到22 m時，裂隙不斷發(fā)展，直接頂與上覆巖層發(fā)生離層(圖3a)). 當推進到27.5 m時，工作面上方直接頂破斷并發(fā)生了初次冒落(圖3b))，基本上是沿著煤壁上方切落。上覆各巖層之間開始存在裂縫，但并不明顯。

圖3 直接頂初次垮落前后圖

由圖3可見，直接頂初次垮落步距約為27.5 m，垮落高度為1.5 m左右，垮落的巖塊相互之間排列整齊，塊狀結構明顯，垮落時基本為切落式。初次垮落對上覆巖層中關鍵層傳遞的影響不明顯。

隨著工作面繼續(xù)推進，由于在采空區(qū)一側失去了鉸接，無法繼續(xù)傳遞力的作用，所以直接頂基本上為隨采隨冒(圖4a)). 當推進到35 m左右時，基本頂發(fā)生初次斷裂(圖4b))，沿支架后方整體式切落，上覆巖層中的裂縫明顯，且裂縫隨工作面的推進不斷前移、上擴。

圖4 直接頂隨采隨冒及基本頂初次垮落圖

由圖4可見，基本頂初次來壓步距約為35 m，初次垮落之后，工作面推進對覆巖的影響不斷向前、向上傳遞和擴展，上覆巖層逐漸下沉。

當工作面繼續(xù)向前推進到51 m左右時，基本頂巖層發(fā)生首次周期來壓，基巖破斷角較大，靠近工作面一側的巖塊略大于采空區(qū)一側的巖塊，是非對稱型結構(圖5a)中巖塊A、B). 此時的垮落巖層高度已經超過7.5 m，垮落巖層上方繼續(xù)出現裂縫，來壓顯現劇烈，垮落巖層呈臺階巖梁式切冒(圖5b)).

圖5 基本頂首次周期來壓及臺階巖梁式切冒圖

由圖5可見，直接頂首次周期來壓步距約為16 m，上覆巖層大范圍垮落時，頂板巖層基本沿全厚切落，工作面為垮落帶和裂隙帶“兩帶”。

當工作面推進到64 m，采動影響繼續(xù)擴展，上覆巖層受到的傳遞影響愈加明顯，表現為發(fā)生劇烈的、更大范圍的垮落，基本頂出現第二次周期來壓(圖6a)). 隨著工作面繼續(xù)推進，在工作面煤壁上方出現了長度約為15 m的堅硬懸頂不垮落，對工作面生產安全形成了一定威脅(圖6b)中C部分)。

圖6 基本頂第二次周期來壓及堅硬不垮落懸頂圖

隨著工作面繼續(xù)向前推進，堅硬懸頂周期性垮落，在其上方的巖層也隨之冒落，來壓迅猛，如在此之前不進行強制放頂，將會很難支護，甚至壓力猛增、壓死液壓支架(圖7).

圖7 堅硬頂板突然垮落及其上方巖層垮落圖

當工作面繼續(xù)向前推進到約120 m時，采動影響基本傳遞到表土層，對地面形成一定影響(圖8a)). 此時，可以明顯計算得出基巖破斷角，開切眼一側為75.7°，煤壁一側為72.2°(圖8b)). 另外，可以明顯看出，在工作面基本頂巖層首次周期來壓之后，周期來壓步距基本上是“一大一小”交替出現，較大值為16 m左右，較小值為13 m左右。

圖8 采動影響傳遞到地表及基巖破斷角圖

當工作面推進到停采線附近時，上覆巖層的采動影響已經全部穩(wěn)定，可見開切眼側和煤壁側兩條基巖破斷線分別傾斜向上延伸，最終形成梯形漏斗狀巖層垮落形式(圖9).

圖9 工作面推進到停采線及頂板垮落圖

由圖9可見，工作面出現臺階下沉，特別是在煤壁處是以較大角度(或垂直)切落，在這種采動影響不斷向前傳遞和向上延伸之后，引起了地面一定的平緩下沉量，但是此下沉量并不大。

2.2 覆巖結構穩(wěn)定性分析

由覆巖的垮落過程可見，基本頂初次垮落時會出現非對稱型結構，周期垮落時會出現“一大一小”的周期來壓步距，抽象出其力學模型(圖10)進行分析。

圖10 非對稱三角拱力學模型圖

基本頂巖塊A和巖塊B之間的擠壓接觸面長度為：

可以近似地認為水平力T的作用點位于該長度的一半處。

根據平衡條件，ΣMa=0、ΣMc=0及ΣY=0，并將x代入可得：

式中：

1) 滑落失穩(wěn)分析。

為了防止基本頂破斷巖塊在煤壁處發(fā)生滑落失穩(wěn)，則要求滿足條件：

T·tanφ≥Qa

式中：

tanφ—破斷巖塊之間的摩擦系數，根據現場統計結果和室內試驗分析一般取0.5.

得到：

i+sind2≤0.46

通常在回轉角小于4°的情況下，都可以認為不會發(fā)生滑落失穩(wěn)[4]，即i≤0.46-sin4°=0.39

以基本頂周期來壓過程中的A、B巖塊為例，假設A巖塊是較大的一塊，長度16 m，厚度8 m；B巖塊是較小的一塊，長度13 m，厚度8 m，則

iA=0.5>0.39

iB=0.62>0.39

這說明，42112工作面上覆巖層中基本頂的周期性垮落以滑落失穩(wěn)為主，同現場頂板的切冒和臺階巖梁現象也相符合。

2) 回轉變形失穩(wěn)分析。

破斷巖塊之間的回轉變形失穩(wěn)條件[5]為：

式中：

由此公式定性可知，塊度越小、回轉角越大，該三角拱結構越易于發(fā)生回轉變形失穩(wěn)，對頂板控制相對而言也比較有利。此時對于覆巖結構的分析和研究可以引入Reissner中厚板理論和Mindlin中厚板理論。

3 結 論

在開采期間，工作面上方垮落巖層基本上是典型的臺階巖梁形式，在煤壁處出現較大角度(甚至是垂直)的切落，所以來壓劇烈且迅猛，頂板控制存在一定難度，局部地段甚至可能會存在壓死支架的現象，覆巖破壞表現為整體形式，工作面第一次垮落之后，裂縫不斷向前擴展和向上延伸，最終貫通到地面，對地表造成一定的下沉量。

工作面直接頂初次垮落步距為27.5 m，基本頂初次垮落步距約為35 m，而周期垮落步距基本為初次垮落步距的一半，并呈現出“一大一小”交替出現的趨勢，即16 m和13 m，這與現場實測和理論分析的結果相符合。

上覆巖層以垂直運動為主，隨著工作面的不斷向前推移，頂板位移量不斷變大。頂板巖塊垮落時，頂板位移速度最大，覆巖下沉逐漸擴展，基本頂巖塊垮落的表現形式為滑落失穩(wěn)。基本頂巖塊的塊度越小、回轉角越大，該三角拱結構越易于發(fā)生回轉變形失穩(wěn)，對頂板控制相對而言也比較有利。