采場堅(jiān)硬頂板破斷特征試驗(yàn)及分析

屠記東

安徽理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院 安徽 淮南 232001

長久以來，煤炭一直作為我國的主要能源資源，且在短期內(nèi)煤炭的消費(fèi)占比也不會大幅度下降[1][2]。綜合機(jī)械化放頂煤開采讓采煤工作面的生產(chǎn)更加高效，但是同時(shí)這種開采方法也可能會造成工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈，在厚煤層和頂板堅(jiān)硬兩種影響同時(shí)存在的情況下，礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象也會更加突出[3]。

近年來，眾多學(xué)者采用了理論分析、相似模擬試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法研究頂板破斷規(guī)律及控制措施，并取得了許多成果[4-6]。錢鳴高等[7]以開采覆巖移動實(shí)測曲線為基礎(chǔ)，建立巖塊鉸接力學(xué)模型，得到砌體梁結(jié)構(gòu)的合理性，認(rèn)為砌體梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性取決于離層區(qū)上方鉸接巖塊，提出巖層內(nèi)部位移曲線的方程；張宏偉等[8]基于關(guān)鍵層和材料力學(xué)相關(guān)理論研究了同忻煤礦8100 綜放工作面開采過程中覆巖破壞特征，揭示了主關(guān)鍵層和亞關(guān)鍵層對覆巖破壞的發(fā)育起著扼制和控制作用，并通過數(shù)值模擬等方法證明了其正確性；黃慶享等[9]通過物理相似模擬試驗(yàn)，揭示了大采高采場直接頂變厚以及頂板結(jié)構(gòu)鉸接點(diǎn)向上移動的機(jī)理，對“等效直接頂”進(jìn)行了定義并建立了“雙關(guān)鍵層”理論，為頂板控制提供理論依據(jù)。

綜上所述，我國在頂板破斷方面取得了很大研究成果，但在堅(jiān)硬頂板破斷規(guī)律方面研究較少，因此本文開展基于分布式光纖傳感技術(shù)下的厚煤層綜放開采相似模擬試驗(yàn)，研究掌握了堅(jiān)硬頂板破斷規(guī)律，對分布式光纖在相似模擬試驗(yàn)應(yīng)用中提供了參考。

1 工程背景

渦北礦8205工作面位于82采區(qū)下部，其由風(fēng)巷、機(jī)巷、切眼等巷道所構(gòu)成，標(biāo)高范圍在－674.1 - －731.2m內(nèi)，東側(cè)為回采完畢的8204工作面。8-1煤厚3.8-6.3m，平均4.8m。8-2煤厚2.6-4.8m，平均3.5m，兩層煤間含灰色塊狀泥巖夾矸，厚為0.8-6.0m，平均2.5m。8煤組老頂為粉~細(xì)砂巖，厚21.11-24.25m，平均22.9m。以此為例構(gòu)建厚煤層模型相似模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑥亩芯繄?jiān)硬頂板破斷規(guī)律具有很大意義。

2 相似模擬試驗(yàn)方案

2.1 相似配比方案

以渦北礦回采的8#煤層所在工作面為對象，建立模型，模型巖層力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 相似模型主要巖層參數(shù)確定表

根據(jù)相似原理、實(shí)際條件及實(shí)驗(yàn)室情況，確定幾何相似參數(shù)Cl=0.01；容重相似比Cr=0.6；應(yīng)力相似比Cσ=0.006，根據(jù)大量試驗(yàn)選擇合適的相似材料及正確的配比鋪設(shè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

2.2 試驗(yàn)方案

按照相似參數(shù)制作相似模擬模型，設(shè)計(jì)模型尺寸長×寬×高=300cm×30cm×140cm，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膸r層按照工作面綜合鉆孔柱狀圖設(shè)計(jì)。模型開采前在相似模型的左右兩側(cè)各預(yù)留20m煤柱，試驗(yàn)從右邊開始用工具切割模型煤層，首先對82煤進(jìn)行切割，高度為3.5cm，等同于實(shí)際現(xiàn)場高度3.5m，第一次開挖不放頂，后續(xù)割82煤放前頂，包括81煤和夾矸泥巖，高度共7.5cm，等同于實(shí)際現(xiàn)場高度7.5m。對試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢尚r(shí)開挖一次，每次向前掘進(jìn)10cm，等同于實(shí)際現(xiàn)場掘進(jìn)10m，一直持續(xù)掘進(jìn)直至停采線。

本次模擬試驗(yàn)運(yùn)用了分布式光纖觀測，光纖觀測線被設(shè)置在81煤上方10m的老頂砂巖中，其水平放置平行于模型巖層，如圖1（a）所示。本次試驗(yàn)共計(jì)布設(shè)位移測點(diǎn)435個(gè)，每個(gè)位移測點(diǎn)使用方形紙片，再由大頭針固定在模型表面的對應(yīng)位置上，后續(xù)使用GetDate軟件取點(diǎn)并對比監(jiān)測各測點(diǎn)移動量，監(jiān)測基準(zhǔn)取位移測點(diǎn)十字線中心。上覆巖體的應(yīng)變規(guī)律監(jiān)測采用光纖解調(diào)儀對光纖數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，圖1（b）。根據(jù)上述方法監(jiān)測開挖過程中模型內(nèi)任意點(diǎn)的應(yīng)變和位移。

圖1 光纖布置及監(jiān)測儀器圖

3 相似模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

為了觀察煤層開采上覆巖層裂隙發(fā)育規(guī)律，在相似模擬試驗(yàn)過程中通過相機(jī)拍攝的每次開挖前后的照片以對比分析，頂板首先產(chǎn)生離層裂隙，再先后出現(xiàn)頂板破斷、裂隙萎縮發(fā)育、采空區(qū)壓實(shí)等過程。

3.1 頂板破斷規(guī)律分析

8#煤層從開切眼處開始掘進(jìn)，離層裂隙在工作面掘進(jìn)至30m處時(shí)在直接頂出現(xiàn)；推進(jìn)70m位置時(shí)，工作面直接頂失穩(wěn)，直接頂發(fā)生第一次垮落且原有裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展；推進(jìn)到80m位置時(shí)，基本頂初次破斷，原有離層裂隙消失，代表這時(shí)工作面迎來初次來壓即初次來壓步距為80m，隨著基本頂初次破斷，未破斷的頂板出現(xiàn)彎曲下沉現(xiàn)象，隨著頂板破斷也會在工作面上產(chǎn)生新的裂隙，基本頂在采場掘進(jìn)至110m時(shí)發(fā)生第二次破斷，代表這時(shí)工作面迎來第一次周期來壓現(xiàn)象，頂板出現(xiàn)明顯下沉現(xiàn)象，后續(xù)再隨著工作面不斷向前掘進(jìn)，頂板破斷垮落的范圍逐漸變大，周期來壓步距平均為25m推進(jìn)260m位置時(shí)到達(dá)終采線，開挖完畢靜置兩小時(shí)后，停止開挖，模擬結(jié)束，此時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)覆巖整體下沉明顯，覆巖呈現(xiàn)出規(guī)律的倒臺階垮落形態(tài)。

圖2 煤層開采過程模型圖

由圖可見堅(jiān)硬頂板工作面來壓較晚，隨著工作面推進(jìn)，頂板難以垮落出現(xiàn)懸空狀態(tài)，隨著繼續(xù)掘進(jìn)頂板的懸空部分越來越長。采場掘進(jìn)至70m時(shí)，直接頂出現(xiàn)垮落，但是堅(jiān)硬頂板依舊保持懸空狀態(tài)，工作面繼續(xù)掘進(jìn)到極限破斷距80m時(shí)，堅(jiān)硬頂板發(fā)生破斷，垮落巖體整塊掉落在工作面且仍有較高的完整性，裂隙在堅(jiān)硬頂板破斷垮落時(shí)有明顯發(fā)育，之后隨著工作面掘進(jìn)進(jìn)入周期來壓，堅(jiān)硬頂板依次垮落，由之前垮落巖體支撐，且采空區(qū)空間逐漸變小。

隨著工作面開采距離增大，裂隙的形態(tài)也更明顯。由垂直方向觀察裂隙場可以看出其延伸趨勢明顯為從下往上，隨著工作面推進(jìn)到一定距離，離層裂隙會發(fā)生跳躍，這意味著此時(shí)采場迎來了較大的礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象；由水平方向觀察可得裂隙隨著工作面掘進(jìn)從左向右延伸，裂隙場左邊起始于切眼處向右煤壁處延伸，分析可見，堅(jiān)硬頂板裂隙演化與其他裂隙場演化有相同之處和特殊之處。相同的地方是采場的裂隙都與采場向前開采距離正相關(guān)，向前開采距離越大，裂隙演化也會更加鮮明；特殊之處在于厚煤層堅(jiān)硬頂板的裂隙演化與頂板破斷有密切聯(lián)系，在堅(jiān)硬頂板未垮落時(shí)，裂隙發(fā)展較緩慢，但是堅(jiān)硬頂板一旦垮落，會產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊力，覆巖失穩(wěn)的范圍也會變大，也對于裂隙的產(chǎn)生與發(fā)育有促進(jìn)作用。

3.2 分布式光纖監(jiān)測分析

模型鋪設(shè)時(shí)采用分布式光纖監(jiān)測，并由光纖解調(diào)儀實(shí)測了掘進(jìn)過程中巖層的應(yīng)變變化情況。分布式光纖監(jiān)測的關(guān)鍵在于將傳感光纖埋入試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛶r層內(nèi)部，基于布里淵光時(shí)域反射技術(shù)，使用光纖作為監(jiān)測元件和信號傳輸介質(zhì)，在巖層與光纖同步變形的環(huán)境下進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變測試，從而監(jiān)測出模型巖層對應(yīng)位置光纖的應(yīng)變改變。相似模擬試驗(yàn)過程中由光纖解調(diào)儀測出的光纖數(shù)據(jù)如圖3所示。

如圖所示，光纖應(yīng)變曲線在掘進(jìn)至70m時(shí)發(fā)生明顯變化，光纖兩處應(yīng)變突增，曲線出現(xiàn)兩處峰值，左側(cè)峰值略有起伏無較大變化。隨著工作面向前掘進(jìn)，頂板不斷垮落，覆巖出現(xiàn)水平離層裂隙，此時(shí)光纖承受點(diǎn)載荷作用，水平張拉裂隙位置的光纖承受的拉應(yīng)力發(fā)生激增，所以應(yīng)變曲線右側(cè)出現(xiàn)峰值且隨著掘進(jìn)距離增大逐漸向右移動。相似模型左側(cè)的的頂板破斷時(shí)為整塊掉落，而右側(cè)巖層首先經(jīng)歷彎曲變形的情況，達(dá)到周期來壓步距時(shí)覆巖堅(jiān)硬頂板再發(fā)生坍塌，所以后續(xù)光纖應(yīng)變曲線峰值大小呈周期變化且在覆巖破斷前曲線峰值到達(dá)最大。

圖3 模型煤層開采過程光纖應(yīng)變曲線

4 結(jié)論

根據(jù)相似模擬試驗(yàn)的方法模擬渦北礦8205工作面的開采過程中頂板破斷規(guī)律、裂隙場演化規(guī)律，得到以下主要結(jié)論：

(1)堅(jiān)硬頂板工作面來壓較晚，隨著工作面推進(jìn)，頂板難以垮落出現(xiàn)懸空狀態(tài)，先發(fā)生直接頂破斷，到達(dá)極限破斷距時(shí)堅(jiān)硬基本頂發(fā)生了破斷垮落，堅(jiān)硬頂板發(fā)生破斷時(shí)，垮落巖體整塊掉落在工作面且仍有較高的完整性。由之前垮落巖體支撐，隨距頂板距離的增加，下沉量逐步減小。

(2)在堅(jiān)硬頂板未垮落時(shí)，裂隙發(fā)展較緩慢，但是堅(jiān)硬頂板一旦垮落，會產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊力，覆巖失穩(wěn)的范圍也會變大，也對于裂隙的產(chǎn)生與發(fā)育有促進(jìn)作用。

(3)隨著工作面向前掘進(jìn)，頂板不斷垮落，覆巖出現(xiàn)水平離層裂隙，此時(shí)光纖承受點(diǎn)載荷作用，水平張拉裂隙位置的光纖承受的拉應(yīng)力發(fā)生激增，所以應(yīng)變曲線出現(xiàn)峰值。相似模型左側(cè)的的頂板破斷時(shí)為整塊掉落，而右側(cè)巖層首先經(jīng)歷彎曲變形再發(fā)生坍塌，所以后續(xù)光纖應(yīng)變曲線峰值大小呈周期變化且在覆巖破斷前曲線峰值到達(dá)最大。