段宏飛，姜振泉，朱術(shù)云，孫強(qiáng)，劉德乾，楊偉峰

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州，221116；2.河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 邯鄲，056038)

華北石炭二疊系煤田是我國(guó)重要的產(chǎn)煤礦區(qū)之一，然而，上部煤層近乎枯竭，許多礦井紛紛轉(zhuǎn)入下組煤開(kāi)采階段。隨著礦山開(kāi)采深度的增加，地應(yīng)力不斷增大，深部開(kāi)采的礦壓?jiǎn)栴}日益嚴(yán)重，煤礦沖擊地壓?jiǎn)栴}已成為影響煤礦安全生產(chǎn)的重大關(guān)鍵問(wèn)題之一。對(duì)于沖擊地壓的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者[1?7]開(kāi)展了大量的研究，先后從不同角度提出了一系列重要理論，如強(qiáng)度理論、剛度理論、能量理論、沖擊傾向性理論、突變理論、分形理論等。這些理論對(duì)沖擊地壓的研究起到了很大的推動(dòng)作用，但是，由于沖擊地壓現(xiàn)象復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)、力學(xué)等學(xué)科很難建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。目前，對(duì)于深部巖體采動(dòng)覆巖變形和頂板聚壓規(guī)律，劉巍等[8?12]采用相似材料模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究，然而，由于其無(wú)法真實(shí)模擬原巖壓力條件和介質(zhì)的力學(xué)環(huán)境，其研究成果受到限制。與其相比，離心模型實(shí)驗(yàn)以能使模型自重提高到與原型相同的狀態(tài)并具有再現(xiàn)原型特征的特點(diǎn)，在巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛[13?15]，而用于煤礦地下開(kāi)采的工程力學(xué)問(wèn)題研究尚處于起步階段，迄今為止，國(guó)外已有的應(yīng)用實(shí)例主要限于煤礦圍巖穩(wěn)定問(wèn)題的模擬試驗(yàn)[16?17]，國(guó)內(nèi)僅限于采動(dòng)覆巖移動(dòng)中深厚土體沉陷變形問(wèn)題的研究[18?19]，而關(guān)于深部采動(dòng)巖體覆巖變形和頂板聚壓誘發(fā)沖擊地壓的研究更少[20]。為此，本文作者在充分研究?jī)嫉V集團(tuán)趙樓礦井首采區(qū)深部擬開(kāi)采的 3煤(即山西省穩(wěn)定可采煤層)沖擊地壓影響因素的基礎(chǔ)上，考慮斷層切割頂板的實(shí)際情況，建立順斷層傾向開(kāi)采的弱結(jié)構(gòu)面(以下統(tǒng)稱(chēng)為弱結(jié)構(gòu)面)頂板工程地質(zhì)模型并進(jìn)行離心模型試驗(yàn)，得出弱結(jié)構(gòu)面煤巖層采動(dòng)過(guò)程中工作面后方煤柱(即切眼煤柱)、前方煤柱、直接頂和老頂巖層應(yīng)力集中程度和變形情況，得到3煤開(kāi)采沖擊地壓潛勢(shì)性特征及其顯現(xiàn)規(guī)律，由此確定礦壓顯現(xiàn)危險(xiǎn)部位，引導(dǎo)后期開(kāi)采過(guò)程中礦井沖擊地壓的預(yù)防和治理。

1 趙樓礦井首采區(qū)發(fā)生沖擊地壓的機(jī)理分析

趙樓井田位于鄆城縣城東南約22.0 km，巨野縣城西13.0 km。南北長(zhǎng)約9.9 km，東西寬12.0～15.9 km，面積為144.89 km2，是兗礦集團(tuán)在菏澤煤田的首采礦井。煤層堅(jiān)硬且具有強(qiáng)烈的沖擊傾向性，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多變，次級(jí)構(gòu)造分布廣泛，存在構(gòu)造應(yīng)力。根據(jù)鉆孔資料分析，首采區(qū)主采的3煤埋深平均約1 km，包括150 m的基巖和850 m左右的新生界松散層。該煤層位于山西組中、下部，厚為0～11.36 m，平均為5.19 m，屬較穩(wěn)定煤層，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，含0～3層夾石；夾石巖性多為泥巖、炭質(zhì)泥巖；頂板多為泥巖、粉砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖，偶見(jiàn)粗砂巖；底板多為泥巖、粉砂巖。

1.1 煤巖體的強(qiáng)度與巖性組合

煤巖體的強(qiáng)度與巖性組合是發(fā)生沖擊地壓的物質(zhì)條件。趙樓3煤及頂、底板試樣力學(xué)性能見(jiàn)表1。由表1可以看出：直接頂板中細(xì)砂巖強(qiáng)度高，其單軸抗壓強(qiáng)度超過(guò)130 MPa，抗拉強(qiáng)度接近10 MPa，彈性模量在40 GPa以上，按《工程巖體質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》屬堅(jiān)硬巖類(lèi)，而且其彈性變形和脆性破壞特征非常明顯，有利于發(fā)生沖擊地壓。

1.2 煤巖體沖擊傾向性

煤層具有沖擊傾向性是煤層發(fā)生沖擊地壓的必要條件。趙樓煤礦3煤頂板各分巖層的彎曲能量見(jiàn)表2。由表2可以看出：趙樓煤礦3號(hào)煤層復(fù)合頂板彎曲能量指數(shù)為38.35 kJ，大于10.00 kJ而小于100.00 kJ，按《巖石沖擊傾向性分類(lèi)及指數(shù)的測(cè)定方法》分類(lèi)依據(jù)，3煤頂板中細(xì)砂巖巖層屬2類(lèi)，為具有弱沖擊傾向性的頂板巖層。但需指出的是：實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的煤巖沖擊傾向性鑒定結(jié)果反映的是煤、巖彈性特征和彈性應(yīng)變能的聚集特性，反映了趙樓煤礦3煤及其頂板巖層具有形成沖擊地壓的物質(zhì)基礎(chǔ)。但在實(shí)際采掘過(guò)程中，在一定的地應(yīng)力狀態(tài)、構(gòu)造聚壓條件下，形成沖擊地壓的可能性及強(qiáng)度，在很大程度上取決于煤巖復(fù)合體的強(qiáng)度及變形破壞特性。趙樓礦3煤頂板巖層的單軸抗壓強(qiáng)度都較高，單層厚，采樣深度將近1 km，地壓對(duì)煤、巖層產(chǎn)生沖擊性的作用加大，會(huì)在一定程度上加重沖擊傾向性。

趙樓煤礦3煤試樣沖擊傾向性各級(jí)指數(shù)及判定結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可以看出：3煤中分層煤樣沖擊能量指數(shù)的平均測(cè)試值為4.96，按《煤層沖擊傾向性分類(lèi)及指數(shù)的測(cè)定方法》分類(lèi)依據(jù)，在 1.50～5.00的弱沖擊傾向性范圍；但其彈性能量指數(shù)的平均測(cè)試值為5.24，大于 5.00，屬?gòu)?qiáng)沖擊傾向性范圍；動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間的平均測(cè)試值為45 ms，小于50 ms，屬?gòu)?qiáng)沖擊0傾向性范圍。根據(jù)煤層沖擊傾向性的3個(gè)指數(shù)的各自特性，動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間的隸屬度為0.4，沖擊能量指數(shù)和彈性能量指數(shù)的隸屬度各為 0.3，由此判定趙樓煤礦 3煤煤樣的中分層煤屬于3類(lèi)，為具有強(qiáng)沖擊傾向性的煤層；3煤上、下分層動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間的平均測(cè)試值分別為42 ms和46 ms，都小于50 ms，屬?gòu)?qiáng)沖擊傾向性范圍，沖擊能量指數(shù)的平均測(cè)試值分別為7.39和8.12，都大于5.00，屬?gòu)?qiáng)沖擊傾向性范圍；由此判定趙樓煤礦3煤上、下分層均屬3類(lèi)，為強(qiáng)沖擊傾向性的煤層。根據(jù)3個(gè)分層煤樣沖擊傾向性測(cè)試結(jié)果，趙樓煤礦3煤的沖擊傾向性屬于 3類(lèi)，為具有強(qiáng)沖擊傾向性的煤層。

表1 趙樓礦井3煤及頂、底板試樣力學(xué)性能Table1 Mechanical properties of 3 Coal and its roof and floor of Zhaolou Mine

表2 趙樓煤礦3煤頂板各分巖層的彎曲能量Table2 Bending Energy of 3 Coal Roof Strata of Zhaolou Mine

表3 趙樓煤礦3煤試樣沖擊傾向性各項(xiàng)指數(shù)及其判別結(jié)果Table3 Index and discrimination results of burst tendency of 3 Coal

1.3 礦井構(gòu)造發(fā)育規(guī)律和地應(yīng)力環(huán)境

井田內(nèi)不同方向的斷層和褶皺相互交織，構(gòu)成了一幅較復(fù)雜的構(gòu)造圖像。盡管如此，由于趙樓井田褶皺構(gòu)造發(fā)育寬緩、簡(jiǎn)單，而斷裂構(gòu)造較復(fù)雜，因此，井田構(gòu)造特征主要由斷層控制。但是，井田中斷裂構(gòu)造的發(fā)育是極不均勻的。已有資料表明，斷裂構(gòu)造具有明顯的分區(qū)性，并且依據(jù)井巷揭露情況，尚有一定數(shù)量的未知斷層。其中，井田內(nèi)斷裂受區(qū)域構(gòu)造的控制，可分為近NS，NW，NE及NNE向4組；其中以NE向斷層較多，NW向斷層組多為落差、延展長(zhǎng)度較小的斷層。礦區(qū)內(nèi)除田橋斷層、趙河?xùn)|斷層、趙河斷層、畢垓斷層、陳廟斷層、康垓斷層、Fx27以及Fx20，F(xiàn)z14，F(xiàn)z18，F(xiàn)z19，F(xiàn)20，F(xiàn)29和 F33落差較大外，其余均為落差低于50 m的中、小斷層?？偨Y(jié)分析各勘察階段的成果，結(jié)合井巷開(kāi)拓中實(shí)際揭露的斷層，對(duì)井田內(nèi)的斷層進(jìn)行綜合研究，共總結(jié)斷層167條，其中：NNE向斷層34條，NE向斷層72條，NW向斷層35條，近NS向斷層26條。

煤層中的應(yīng)力狀態(tài)是煤層發(fā)生沖擊性破壞的重要條件?？梢远ㄐ粤私鈽?gòu)造聚壓的程度及性質(zhì)，為采動(dòng)覆巖變形破壞過(guò)程的動(dòng)能聚集條件評(píng)價(jià)提供關(guān)鍵依據(jù)。趙樓煤礦于2007—01完成了2個(gè)測(cè)點(diǎn)的原巖應(yīng)力測(cè)試工作，取得了地應(yīng)力和狀態(tài)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表4)。采用鉆孔套芯應(yīng)力解除法進(jìn)行測(cè)試，測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示。實(shí)測(cè)位置的原巖初始應(yīng)力有如下特點(diǎn)：

(1)地應(yīng)力場(chǎng)的最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力，最大水平應(yīng)力的方向?yàn)?NE75o～83o。

(2)水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，最大水平主應(yīng)力為垂直應(yīng)力的 1.47～1.83倍，對(duì)井下巖層的變形破壞方式及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律有很大的影響。

(3)實(shí)測(cè)的最大水平主應(yīng)力為最小水平主應(yīng)力的1.15～1.45倍，水平應(yīng)力對(duì)巷道掘進(jìn)的影響具有較明顯的方向性。

表4 應(yīng)力解除法測(cè)得的應(yīng)力及比值Table4 Stress proportion of stress relieving method

圖1 應(yīng)力解除法地應(yīng)力測(cè)量位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of in-situ stress measurement in stress relieving method

(4)實(shí)測(cè)的垂直應(yīng)力大于按照上覆巖層厚度和容重計(jì)算的垂直應(yīng)力。

2 弱結(jié)構(gòu)面頂板巖層離心模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在南京水科院NS?50型土工離心機(jī)(見(jiàn)圖2)上進(jìn)行。該離心機(jī)最大容量為 50 g·t；最大加速度為250g(1g=9.8 m/s2)；有效旋轉(zhuǎn)半徑為2.51 m。

圖2 NS-50型土工離心機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural schematic diagram of centrifuge of NS-50

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2.1 離心模型相似比

要從模型性狀準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)原型性狀，模型試驗(yàn)必須滿(mǎn)足相似準(zhǔn)則。若采用與原型同樣性質(zhì)的材料制模，且使模型與原型所處的應(yīng)力狀態(tài)一致，則可以使模型與原型相似。離心模型相似基本準(zhǔn)則為(其中，n為模型率，且它表示模型與原型材料一致時(shí)，若長(zhǎng)度量綱l縮小n倍，則模型的重力加速度gm必須比原型的gp增大n倍，這樣才能保持模型與原型中重力所產(chǎn)生的應(yīng)力一致。然而，本次離心模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的是直接頂和老頂形成一次完整的初次垮塌過(guò)程，考慮到原型3煤直接頂板和老頂由極堅(jiān)硬的細(xì)砂巖和中砂巖構(gòu)成，結(jié)合試驗(yàn)所用離心機(jī)的有效加載水平，嚴(yán)格按相似比制作離心模型。模型可能會(huì)因頂板模擬巖層的強(qiáng)度較高而影響其在試驗(yàn)過(guò)程中變形破壞的顯現(xiàn)程度，甚至可能出現(xiàn)頂板不垮塌的情況，為此，參照前期相似模擬試驗(yàn)的模型制作經(jīng)驗(yàn)，采用對(duì)煤層及頂板巖層全部按36%比例進(jìn)行了弱化處理。原型煤層頂板巖層的平均重度γp取25 kN/m3，離心模型相似材料的平均重度γm設(shè)計(jì)為16 kN/m3，各種離心模型物理量相似比見(jiàn)表5。

表5 離心模型試驗(yàn)各物理量相似比Table5 Similarity ratios of centrifuge model test

沿工作面走向簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題，兩側(cè)各留一定寬度的保護(hù)煤柱，上覆松散土層的重力作用采用補(bǔ)償壓力模擬體現(xiàn)。

2.2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)主要研究弱結(jié)構(gòu)面頂板巖層采動(dòng)覆巖變形和受力情況，為了考慮采動(dòng)過(guò)程中弱結(jié)構(gòu)面的影響，試驗(yàn)?zāi)Ｐ晚敯宸植加幸粌A角為 45°的順斷層傾向結(jié)構(gòu)面模型，分別在直接頂、老頂及煤層相應(yīng)位置設(shè)置測(cè)點(diǎn)，所有測(cè)點(diǎn)均埋設(shè)微型土壓傳感器，連續(xù)測(cè)取設(shè)計(jì)測(cè)點(diǎn)在煤層采動(dòng)過(guò)程中的壓力(離心機(jī)平穩(wěn)加速開(kāi)始每隔5 s取值)。測(cè)點(diǎn)編號(hào)分別為：后方煤柱為1，前方煤柱為2，直接頂為3，4(試驗(yàn)中出現(xiàn)故障)和5，老頂為 6～9，其中，在弱結(jié)構(gòu)面處的測(cè)點(diǎn)在結(jié)構(gòu)面上、下各布置1個(gè)。測(cè)點(diǎn)設(shè)置及結(jié)構(gòu)示意圖、實(shí)物照片如圖3所示。

圖3 模型結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物模型Fig.3 Model structure diagram and physical model

2.2.3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)參數(shù)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表6～8。

表6 模擬層位主要物理力學(xué)性能Table6 Physical mechanics properties of simulating coal roof strata

表7 離心模型煤層及頂板材料力學(xué)性能Table7 Physical mechanics properties of coal seam and materials of roof in centrifuge model

表8 離心模型煤層及頂板材料配比Table8 Simulation materials proportion of coal seam and roof in centrifuge model

2.3 試驗(yàn)過(guò)程控制

(1)試驗(yàn)采用的設(shè)計(jì)加速度為156g，離心機(jī)轉(zhuǎn)速為435 r/min，在3 min內(nèi)從啟動(dòng)達(dá)到設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速。

(2)每次開(kāi)挖煤層長(zhǎng)度為5 cm，共開(kāi)挖40 m。模型開(kāi)挖前先進(jìn)行加載，測(cè)定各點(diǎn)原始?jí)毫?，然后進(jìn)行第1次開(kāi)挖，加載到設(shè)計(jì)加速度，待各測(cè)點(diǎn)壓力穩(wěn)定后，停機(jī)觀(guān)測(cè)頂板破壞尺寸，進(jìn)行第2次開(kāi)挖，然后加載→停機(jī)→開(kāi)挖→加載，直至開(kāi)挖到40 cm為止。對(duì)各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，取加載穩(wěn)定后的數(shù)值，主要研究各測(cè)點(diǎn)的壓力變化值[21]。

(3)模型轉(zhuǎn)動(dòng)軸上裝有40個(gè)銀質(zhì)滑環(huán)通道用于信號(hào)傳輸，并配有一套 CCD攝像系統(tǒng)，可隨時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中模型的變化，試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖湟粶y(cè)為可裝卸的有機(jī)玻璃，作為試驗(yàn)過(guò)程中模型的監(jiān)測(cè)窗口。

3 離心試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)離心模擬試驗(yàn)結(jié)果，除傳感器4在試驗(yàn)過(guò)程出現(xiàn)故障外，其余10個(gè)傳感器都連續(xù)輸出測(cè)試數(shù)據(jù)，且模型拆卸后初始?xì)w位，表明試驗(yàn)過(guò)程中傳感器工作正常，測(cè)試數(shù)據(jù)可信度較高。

3.1 頂板變形情況

模型開(kāi)挖標(biāo)志段的頂板變形情況如圖4所示。從圖4可見(jiàn)：開(kāi)挖15 cm加載穩(wěn)定后直接頂穩(wěn)定，開(kāi)挖20 cm 后(揭露斷層弱結(jié)構(gòu)面)離心加載前直接頂即出現(xiàn)部分垮塌，加載穩(wěn)定后直接頂全部垮塌，且老頂下部出現(xiàn)明顯水平離層裂縫；開(kāi)挖25 cm加載穩(wěn)定后，老頂下部60%厚度的頂板垮塌，且至開(kāi)挖30 cm加載穩(wěn)定后垮塌長(zhǎng)度加大，但頂部仍未全部垮塌；至開(kāi)挖35 cm加載穩(wěn)定后，老頂全部垮塌。

圖4 開(kāi)挖標(biāo)志段的頂板變形情況Fig.4 Schematic diagrams of roof deformation of centrifuge model in different mining steps

3.2 煤柱壓力變化情況

根據(jù)離心模型試驗(yàn)的結(jié)果，模擬采動(dòng)過(guò)程中后方和前方煤柱壓力集中程度(相對(duì)于初始狀態(tài)壓力的升高幅度)，通過(guò)如圖5所示的采動(dòng)過(guò)程煤柱壓力變化曲線(xiàn)予以體現(xiàn)。

3.3 直接頂板壓力變化情況

圖5 煤柱壓力分布Fig.5 Distribution of pressure on coal pillar

圖6 直接頂壓力分布Fig.6 Distributions of pressure on direct roof

離心模型試驗(yàn)?zāi)M煤柱開(kāi)挖過(guò)程直接頂板的壓力變化，如圖6所示。試驗(yàn)中，除測(cè)點(diǎn)4傳感器出現(xiàn)故障沒(méi)有讀數(shù)外，其余3個(gè)都正常工作。在測(cè)試過(guò)程中，因開(kāi)采聚壓和卸壓導(dǎo)致不同位置壓力變化幅度較大。

3.4 老頂板壓力變化情況

離心模型試驗(yàn)?zāi)M煤柱開(kāi)挖過(guò)程老頂?shù)膲毫ψ兓?，如圖7所示。老頂每隔10 cm在同一高度布置4個(gè)傳感器，弱結(jié)構(gòu)面上下各布置1個(gè)傳感器，共5個(gè)傳感器，試驗(yàn)中都正常工作。在測(cè)試過(guò)程中因開(kāi)采聚壓和卸壓導(dǎo)致不同位置壓力變化幅度較大。

圖7 老頂壓力分布Fig.7 Distributions of pressure on main roof

4 試驗(yàn)結(jié)果綜合分析

4.1 采動(dòng)過(guò)程煤柱的受力特點(diǎn)

離心模型模擬的弱結(jié)構(gòu)面頂板條件的煤柱在煤層開(kāi)挖過(guò)程的應(yīng)力集中現(xiàn)象和趨勢(shì)性非常明顯，且煤柱壓力的聚集程度及其變化明顯受頂板結(jié)構(gòu)條件的影響。

(1)據(jù)后方煤柱壓力隨開(kāi)挖的變化過(guò)程，在采動(dòng)過(guò)程中，后方煤柱的壓力集中程度與頂板變形的關(guān)聯(lián)性比較明顯。離心模型模擬的結(jié)果顯示出煤柱明顯受力集中于直接頂垮塌前的壓力急劇升高階段。如圖6～7所示的頂板變形情況，直接頂一般在10 m開(kāi)挖段加載穩(wěn)定后出現(xiàn)最高壓力聚集，此時(shí)，老頂也開(kāi)始明顯顯現(xiàn)壓力聚集。與其相對(duì)應(yīng)的是后方煤柱壓力自采空10 m開(kāi)始急劇變化(見(jiàn)圖5)，至開(kāi)挖15 m煤柱壓力集中程度基本達(dá)到峰值或接近峰值；其后隨老頂變形、垮塌，煤柱壓力雖有所變化，但變化幅度不大，反映出后方煤柱的主要壓力聚集形成于直接頂和老頂?shù)某醮蝸?lái)壓共同顯現(xiàn)階段。

(2)據(jù)后方煤柱壓力聚集程度的差異情況，離心模型中其壓力集中幅度在10 MPa以上，僅為模擬初始?jí)毫?20 MPa)的50%。

(3)離心模型的前方煤柱測(cè)點(diǎn)布置于距切眼 40 cm位置。根據(jù)模型模擬反映的情況，前方煤柱壓力明顯聚集的超前步距較大，煤柱壓力聚集分別超前35 m和25 m即達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)(見(jiàn)圖6和圖7)。從前方煤柱在開(kāi)挖過(guò)程的受力程度看，弱結(jié)構(gòu)面頂板的壓力聚集程度較低，均為50%左右。

4.2 采動(dòng)過(guò)程頂板的聚壓特點(diǎn)

煤層開(kāi)挖引起上覆頂板的應(yīng)力重新分布和下沉變形，隨著采空段的加長(zhǎng)，頂板巖層內(nèi)的應(yīng)力也隨著頂板變形擴(kuò)展而發(fā)生變化。根據(jù)采動(dòng)過(guò)程直接頂和老頂各測(cè)點(diǎn)位置的應(yīng)力變化(見(jiàn)圖6和圖7)，結(jié)合頂板變形破壞情況，可以總結(jié)出弱結(jié)構(gòu)面頂板來(lái)壓過(guò)程壓力聚集特點(diǎn)的基本規(guī)律及不同頂板條件的差異。

(1)在頂板被弱結(jié)構(gòu)面切割情況下，在采動(dòng)過(guò)程中頂板雖表現(xiàn)有一定的受力不連續(xù)性，但直接頂和老頂結(jié)構(gòu)面兩側(cè)的受力強(qiáng)度沒(méi)有出現(xiàn)太大的差異(見(jiàn)圖6和圖7)。

(2)弱結(jié)構(gòu)面切割在直接頂板產(chǎn)生的最明顯的力學(xué)效應(yīng)導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)面兩側(cè)出現(xiàn)變形不連續(xù)性。如圖8所示，弱結(jié)構(gòu)面頂板被揭露后，測(cè)點(diǎn)下盤(pán)顯現(xiàn)受拉狀態(tài)，而上盤(pán)仍處于受壓狀態(tài)。這種變形差異性特征在模型加載過(guò)程有明顯反映，如圖8所示。

(3)如圖6所示，在開(kāi)挖過(guò)程中，直接頂板各測(cè)點(diǎn)處于懸空前均表現(xiàn)為受壓應(yīng)力作用，且所受壓強(qiáng)度隨采空臨近逐步升高。測(cè)點(diǎn)懸空后則轉(zhuǎn)為受拉張作用，且拉應(yīng)力也隨繼續(xù)開(kāi)挖而不斷升高，直至垮塌。說(shuō)明頂板垮塌主要是拉張應(yīng)力聚集所致，而直接頂?shù)目迓洳骄嗯c其抗拉強(qiáng)度密切相關(guān)。

(4)從聚壓程度看，老頂與直接頂?shù)牟町惙浅ｏ@著。從圖6可以看出：直接頂隨開(kāi)挖的壓力聚集程度相對(duì)平緩，且強(qiáng)度較低，幾個(gè)測(cè)點(diǎn)位置強(qiáng)度普遍在 6 MPa左右；而開(kāi)挖后老頂?shù)膲毫奂潭让黠@比直接頂?shù)膹?qiáng)，至老頂垮落前測(cè)點(diǎn) 8的最大聚壓強(qiáng)度達(dá)到14.6 MPa(見(jiàn)圖7)。

(5)根據(jù)模擬反映的情況，直接頂測(cè)點(diǎn)受力狀態(tài)(由受壓轉(zhuǎn)為受拉)的變化大致與懸空狀態(tài)的同步。而老頂測(cè)點(diǎn)的受力狀態(tài)變化明顯滯后于直接頂?shù)臓顟B(tài)變化，滯后程度取決于直接頂?shù)淖冃?，且直接頂初次?lái)壓過(guò)程的壓力聚集速度明顯要高于老頂?shù)木奂俣?。從圖7可以看出：雖然測(cè)點(diǎn)3上盤(pán)和測(cè)點(diǎn)7同處相同斷面(距切眼15 m)，測(cè)點(diǎn)3上盤(pán)(直接頂)懸空前最大壓力聚集程度為6.1 MPa，懸空后最大拉應(yīng)力聚集程度達(dá)?4.2 MPa時(shí)垮塌；而測(cè)點(diǎn)7(老頂)開(kāi)挖30 m時(shí)壓力聚集程度為7.6 MPa，開(kāi)挖至35 m才轉(zhuǎn)為受拉，受拉強(qiáng)度為?4.8 MPa。其他直接頂與老頂對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)在采動(dòng)過(guò)程中的壓力變化，也大致表現(xiàn)出與上述類(lèi)似的差異性。直接頂與老頂在來(lái)壓時(shí)間、聚壓強(qiáng)度及受力狀態(tài)等方面的差異性反映了采動(dòng)覆巖移動(dòng)變形的基本特點(diǎn)，符合采動(dòng)礦壓的遞變和擴(kuò)展規(guī)律。

圖8 弱結(jié)構(gòu)面兩側(cè)變形差異性圖示Fig.8 Deformation differences on bilateral weak structural plane region

5 結(jié)論

(1)煤巖力學(xué)性質(zhì)測(cè)試反映出 3煤直接頂板中細(xì)砂巖強(qiáng)度高，其彈性變形和脆性破壞特征非常明顯；經(jīng)過(guò)對(duì)煤樣的沖擊能量指數(shù)、彈性能量指數(shù)和動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間指標(biāo)的測(cè)試，結(jié)果表明3煤具有強(qiáng)沖擊傾向性，經(jīng)過(guò)對(duì)3煤頂板砂巖彎曲能量指數(shù)的計(jì)算，結(jié)果判斷頂板具有弱沖擊傾向性，綜合分析礦井具備了沖擊地壓發(fā)生的地質(zhì)條件。

(2)直接頂板懸空前處于受壓狀態(tài)，懸空后較短時(shí)間內(nèi)即轉(zhuǎn)為受拉狀態(tài)，其垮落步距主要取決于巖層的結(jié)構(gòu)和抗拉強(qiáng)度；老頂在來(lái)壓時(shí)間、聚壓強(qiáng)度及受力狀態(tài)方面與直接頂板存在明顯的差異。一方面老頂聚壓過(guò)程比較緩慢，其受力狀態(tài)的轉(zhuǎn)變較直接頂明顯滯后，一般是懸空一定距離后才逐漸由受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)換為受拉，至老頂初次垮塌前的臨界狀態(tài)。

(3)切眼煤柱壓力變化大致與直接頂板的來(lái)壓過(guò)程同步，至直接頂垮塌前的臨界狀態(tài)，老頂也開(kāi)始明顯聚壓，此時(shí)切眼煤柱壓力基本達(dá)到最高；對(duì)于離心模型模擬的弱結(jié)構(gòu)面頂板條件(直接頂厚度較小且強(qiáng)度較低，老頂厚度較大且強(qiáng)度較高)，直接頂來(lái)壓過(guò)程煤柱壓力較低，而老頂來(lái)壓過(guò)程對(duì)煤柱受力的影響明顯，是引起沖擊地壓的主要?jiǎng)恿?lái)源。

(4)在頂板被斷層切割情況下，頂板巖層的完整性受到破壞，應(yīng)力在構(gòu)造部位重新分布，形成構(gòu)造應(yīng)力集中，是引發(fā)沖擊地壓的危險(xiǎn)部位。但采掘工藝也會(huì)導(dǎo)致構(gòu)造的影響產(chǎn)生差異：在工作面順斷層傾向推進(jìn)情況下，弱結(jié)構(gòu)面部位兩側(cè)頂板形成變形不連續(xù)；回采工作面揭露斷層后，下盤(pán)頂板沿?cái)鄬用媸ッ后w支撐而形成“懸臂梁”，由此大大降低了頂板的支撐強(qiáng)度，容易發(fā)生因頂板突然斷裂而形成的沖擊壓力，在這種構(gòu)造條件下，厚?巨厚層極堅(jiān)硬頂板易發(fā)生沖擊地壓。

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