下保護層開采上覆煤層頂板破斷規律研究

余龍哲，劉勇，韓連昌，王沉，康向濤，田燚

(貴州大學 礦業學院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

貴州省煤炭資源豐富且賦存形式多樣，偏多數煤炭資源以煤層群形式存在。為統籌好開采技術和經濟效益兩方面，針對部分近距離煤層采取下保護層開采方案。由于下保護層開采采用非常規開采順序，導致上覆煤層頂板空間結構及原生應力遭到破壞，增加了上覆煤層開采支護難度，對煤礦的安全生產形成了較大的威脅[1?2]。

近年來，我國眾多學者針對不同條件下煤礦開采頂板破斷規律展開了研究。康紅普等[3]分析了大量煤礦開采地應力數據，總結了頂板應力演化規律及分布特征；王云廣等[4]采用數值模擬、現場監測等手段，得到了高強度開采下頂板破斷特征及運移規律；劉泉聲等[5]應用離散元軟件分析了工作面頂板大變形原因，并給出了相應控制措施；李云鵬等[6]針對急斜特厚煤層綜放開采，得到頂板在空間上產生“擠壓-滑移-回轉”交替運動規律；馮國瑞、王成等[7?8]分別模擬了煤層上行開采過程，得到了上行開采下頂板破斷關鍵因素及時空演化規律；鞠文君等[9]通過現場原巖應力場測量以及頂板巖層結構的力學分析，對誘發頂板來壓破斷機理進行了闡述；呂兆海、秦凱、崔峰等[10?12]分析了近距離煤層開采時頂板變形破壞特征與失穩破壞機理，揭示了回采過程中頂板運移場、應力場、塑性破壞區的演化規律。

上述學者圍繞不同條件下頂板破斷規律展開研究并取得了豐碩科研成果，但針對下保護層開采上覆煤層頂板破斷規律的研究較少。因此，本文以貴州某礦為工程背景，通過建立力學分析模型，推導頂板破斷的極限條件及破斷步距，構建物理相似模型反演下保護層開采上覆煤層頂板破斷垮落過程，并加以現場實踐驗證，最終得到了下保護層開采上覆煤層頂板破斷規律，為類似條件的頂板治理提供了有效理論依托。

1 礦井基本概況

某煤礦的110507工作面處于5#煤層，5#煤層埋深為517.5m，平均厚度為2.1m，平均傾角為6°，局部采段有瓦斯涌出；110907工作面處于9#煤層，9#煤層埋深為545.2m，平均厚度為2.2m，平均傾角為6°，位于5#煤層下方25.6m處，煤層柱狀圖如圖1所示。基于110507工作面有瓦斯涌出，110907工作面開采完畢后有利于110507工作面瓦斯的釋放，故將110907工作面作為110507工作面的下保護層進行開采。

圖1 煤層柱狀圖

2 理論分析

2.1 基本頂載荷計算

如圖2所示，在110507工作面推進過程中其基本頂載荷來自于自身重力及上部巖層載荷，為便于分析計算，設定上部巖層載荷均勻分布，繼而計算其基本頂載荷q的大小[13]。

圖2 基本頂載荷計算模型

結合表1，根據組合梁原理，可運用式（1）進行計算[14]：

式中，(qn)1為第n層巖層對第1層（基本頂）的作用載荷，MPa；En為第n層巖層的彈性模量；hn為第n層巖層的厚度，m；γn為第n層巖層的體積力，MN·m?3。

當計算出現(qn)1＞(qn+1)1時，表明第n+1層巖層不影響第1層（基本頂）載荷大小，判定基本頂載荷為(qn)1。

計算出第1層（基本頂）自身載荷為：

考慮第2層（粉砂巖）對基本頂的作用，此時基本頂載荷為：

得到(q2)1＜q1。因此，110507工作面基本頂載荷為159.5 kPa。

表1 110507工作面基本頂及其上部巖層力學參數

2.2 初次破斷機理分析

基于5#煤層地質及開采條件，取110507工作面堅硬頂板（即基本頂，設其厚度為h）為研究對象，推進過程中基本頂發生初次破斷時形成一種類固支梁結構，其力學分析模型如圖3所示[15]。

圖3 初次破斷力學分析模型

應力分量表達式為：

對式（4）進行對稱性分析，得到模型中部切應力為零，其橫向截面上的正應力（即拉應力σ1）在[0，h/2]位置時處于最大值，則：

依據材料最大拉應力強度準則，運用公式（6）可計算出基本頂的極限破斷步距：

即基本頂的初次破斷步距L公式為：

根據110507工作面基本頂巖石物理力學參數，計算得到基本頂的初次破斷步距為19.4m。

2.3 周期破斷機理分析

當110507工作面推進過程中基本頂發生周期破斷時，懸露基本頂一端固定，另一端懸空，形成一種類懸臂梁結構，其力學分析模型如圖4所示。

圖4 周期破斷力學分析模型

應力分量表達式為：由于直接頂破斷垮落位置處所承載的豎直作用力相對較小，可令Tf=0，得到：

聯立式（11）與式（12），得到基本頂周期破斷應力分量表達式為：

選取基本頂周期破斷截面中心為坐標軸，即周期破斷面上（x=0處），通過函數的單調性獲得拉斷條件下基本頂周期破斷步距滿足關系式：

因為開采產生的頂板破斷塊體與采空區賦存矸石之間無水平推力，可令T=0，得到基本頂周期破斷步距Lp公式為：

根據110507工作面基本頂巖石物理力學參數，計算得到基本頂周期破斷步距為9.9m。

3 物理相似模擬試驗

3.1 試驗模型建立

模型試驗架尺寸為2m×0.3m×1.8m（長×寬×高）的長方體，試驗模型與實體的幾何相似比為1∶100，應力強度相似比為1∶150，容重相似比為1∶1.6。依據煤層及各巖層物理力學參數（表2），每層選取不同比例的河砂、石灰、石膏并加入清水混合攪勻鋪入模型試驗架，繼而在表面鋪設一層薄云母碎片，待其平整穩定后進行下一層鋪設。物理相似模擬實驗系統如圖5所示，其中包括相似模擬實驗平臺、載荷補償裝置、高速攝像機及數據采集系統。

圖5 物理相似模擬實驗系統

模型設計與位移監測點布置如圖6所示，模型兩端各留設30 cm邊界煤柱，開切眼位于距離模型右邊界30 cm處。先行開采9#煤層，向右推進100 cm停止，待9#煤層開采完畢上覆巖層自然垮落穩定后，再進行5#煤層開采，向右推進100 cm停止。為觀測5#煤層開采過程中頂板下沉量，在模型上共鋪設8排、11列位移監測點，兩相鄰監測點豎直間距為10 cm，水平間距為10 cm。

圖6 模型設計及位移監測點布置

表2 各煤層及巖層力學參數

3.2 試驗結果分析

當5#煤層工作面推進20 cm時，如圖7所示。9#煤層開采完畢，其上覆巖層已自然坍塌垮落形成穩定構造；5#煤層處于9#煤層上覆巖層裂隙帶范圍內，直接頂隨采隨冒；懸露基本頂與上部巖層間形成離層，中部及兩端出現破裂，整體彎曲下沉由中部向下垮落；因基本頂巖性較硬，并未形成完全垮落，此時基本頂形成初次來壓破斷。

當5#煤層工作面推進30 cm時，如圖8所示。當推進剛過20 cm破斷關鍵面時，懸露基本頂極限跨度突破臨界值，中段及鄰近采空區端部巖塊產生大量拉伸破壞，發生初次垮落下沉，初次破斷步距為20 cm；繼續推進時，基本頂懸空端在重力及載荷作用下逐漸下沉，懸露基本頂與上部巖層離隙呈“三角狀”逐漸增大，繼而固定端產生強烈拉伸破壞，最終在30 cm處發生二次破斷垮落，形成二次來壓破斷。

圖7 5#煤層工作面推進20 cm頂板破斷特征

圖8 5#煤層工作面推進30 cm頂板破斷特征

當5#煤層工作面推進90 cm時，如圖9所示。基本頂呈周期性破斷垮落下沉，周期破斷步距為10 cm左右，破斷形式以拉伸破壞為主；破斷垮落的巖體間通過彼此壓迫形成一種新的穩固構造，基本頂依次經歷“失穩-穩定-再失穩”的循環變化。

圖9 5#煤層工作面推進90 cm頂板破斷特征

當5#煤層工作面推進100 cm時，如圖10所示。基本頂及其上部巖層破斷垮落下沉把采空區充填壓實，破斷角在55°～65°之間；上覆巖層塑性破壞區呈“梯形”結構，并趨于平衡穩定；推進過程中基本頂在空間上依次經歷“離層-破斷-垮落”有規律交替運動。

圖10 5#煤層工作面推進100 cm頂板破斷特征

在5#煤層推進過程中，觀測其上方頂板同一水平線不同監測點的位移下沉量，分別為監測點4（距開切眼30 cm）、監測點5（距開切眼40 cm）、監測點6（距開切眼50 cm）、監測點7（距開切眼60 cm）。由圖11可知，頂板下沉時依次經歷“穩定-加劇-飽和”3個階段：下沉穩定階段，工作面尚未推進至監測點監測范圍內，頂板結構大致穩定，下沉特征不明顯；下沉加劇階段，工作面推進至監測點監測范圍內，頂板開始下沉，隨著工作面推進過監測點，頂板下沉值呈指數上升，下沉范圍逐步擴大，當工作面推進過監測點20 cm時，頂板大幅度下沉，表明監測點處頂板已劇烈破斷垮落；下沉飽和階段，下沉幅度逐步趨于平緩，破斷垮落巖體間形成新的穩定結構。頂板最大下沉量為21mm，同一水平位置頂板下沉時呈“邊坡”狀分布。

圖11 頂板下沉曲線

4 現場礦壓監測

4.1 監測方案布置

如圖12所示，針對110507工作面進行現場礦壓監測，該工作面共配備110臺液壓支架，選取工作面端部及中間部位布置應力監測點，分別位于1#液壓支架和50#液壓支架處，從開切眼至推進100m處進行監測。

圖12 液壓支架監測點布置圖

4.2 監測結果分析

如圖13所示，110507工作面從開切眼至推進100m整個過程中，1#與50#監測點測得數據相差不大。當工作面推進17.9m與22.1m時，液壓支架監測點應力陡然激增，繼續推進應力大幅度下降，基本頂形成初次來壓破斷。當工作面推進29.2m和33.9m時，液壓支架監測點應力又一次激增，達到第二次峰值，繼續推進應力大幅度下降，基本頂形成二次來壓破斷。隨后每推進約9.3m時，液壓支架監測點應力激增，繼續推進應力大幅度下降，基本頂形成周期來壓破斷。1#監測點測得初次來壓破斷步距17.9m、周期來壓破斷步距8.4m；50#監測點測得初次來壓破斷步距22.1m、周期來壓破斷步距10.2m，監測結果與理論分析、物理相似模擬結果基本吻合。因此，在工作面來壓期間，需適當加快工作面推進速度，避免發生壓架事故。

圖13 1#、50#監測點應力變化曲線

5 結論

（1）建立某礦110507工作面推進時基本頂破斷不同時期頂板力學分析模型。得到上覆煤層基本頂載荷、破斷臨界條件、初次及周期破斷步距計算公式。

（2）構建物理相似模型，反演110507工作面推進頂板破斷歷程。上覆煤層直接頂隨采隨冒，基本頂初次破斷步距20 cm、周期破斷步距10 cm，破斷角在55°～65°之間，采空區上覆巖層塑性破壞區呈“梯形”結構；基本頂在空間上依次經歷“離層-破斷-垮落”有規律的交替運動。

（3）監測相似模擬110507工作面推進過程中頂板下沉量。頂板下沉時依次經歷“穩定-加劇-飽和”3個階段，最大下沉量為21mm；同一水平位置頂板下沉時呈“邊坡”狀分布。

（4）對110507工作面進行現場礦壓監測，監測結果與理論分析、物理相似模擬結果基本吻合。工作面來壓期間需適當加快工作面推進速度，以避免發生壓架事故。