劉書賢，魏曉剛，麻鳳海，王 偉，王泓懿

（1.遼寧工程技術(shù)大學土木與交通學院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧工程技術(shù)大學建筑工程學院，遼寧 阜新 123000；3.大連大學建筑工程學院，遼寧 大連 116622；4.阜新宇城建筑設(shè)計有限公司，遼寧 阜新 123000）

煤炭作為我國的主體能源，在一次性能源結(jié)構(gòu)中占70%左右，隨著社會經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，對煤炭資源的需求量日益增加。由于淺部資源的逐漸減少枯竭，需要不斷加強開采強度，國內(nèi)許多的礦山都進入了深部煤炭資源的開采狀態(tài)［1～2］。

隨著開采深度的增加，礦區(qū)的深部地質(zhì)環(huán)境更加惡劣復(fù)雜，存在巖體破碎增多、涌水量增大、地應(yīng)力加大等一系列問題。深部采場的圍巖主體為煤系地層，由于地質(zhì)構(gòu)造的特殊性和開采擾動的影響，使得深部礦山巖體的結(jié)構(gòu)特性和移動變形等力學特性更加復(fù)雜。國內(nèi)的專家學者對深部采動覆巖的移動規(guī)律和控制開采開展了大量研究工作［3～6］:王志國等［3］運用分形幾何學理論對深部采場的上覆巖層的移動變形規(guī)律進行了分析，重點研究了隨著開采寬度、采場礦山壓力、巖層沉降的變化，采動巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)分形維數(shù)的動態(tài)演化過程；常聚才等［4］根據(jù)礦區(qū)實例，對由于深部煤炭開采所產(chǎn)生的地表移動變形和沉陷問題進行了力學分析，認為隨著深部開采工作面的推進，采場覆巖破壞呈現(xiàn)出整體壓縮、移動變形均勻等特點，并且所導(dǎo)致的地表移動變形是長周期的緩慢連續(xù)變化的。

本文針對趙各莊煤礦深部開采的實際問題，采用理論分析、相似材料模擬試驗相結(jié)合的方法，通過監(jiān)測相似材料模擬深部煤炭開采過程中引起覆巖位移和應(yīng)力變化情況，研究覆巖裂隙和離層的時空演化過程和分布特征，分析采動覆巖破裂移動變形規(guī)律。

1 采場覆巖移動變形的理論分析

由于高的地應(yīng)力作用，深部煤炭開采過程中深部巖體呈現(xiàn)出由脆性向延性轉(zhuǎn)化的特性［1］，即當應(yīng)力超過其彈性極限強度后，隨著應(yīng)變的增加覆巖的承載能力降低，其塑性軟化特性明顯，故利用彈塑性理論分析深部采場的覆巖移動變形更為合理。

由于巖石的抗壓強度遠遠高于其抗拉強度，所以煤礦采動區(qū)覆巖的主要破壞形式是張拉破壞。

在地下煤炭的開采過程中，初期采場上覆各巖層均可視為兩端固支梁；基于錢鳴高的采場砌體梁結(jié)構(gòu)力學模型的基礎(chǔ)［7］，采場巖層的力學模型見圖1～2。

分析圖1～2可得:

聯(lián)立式(1)、(2)可得:

圖1 采場巖層力學分析模型Fig.1 Mechanical analysis model of stope rock

圖2 巖梁橫截面應(yīng)力分布模型Fig.2 Stress distribution model of the cross section of rock

彈性極限彎矩

當M＞Me時，采場巖層的拉伸區(qū)域出現(xiàn)塑性區(qū)(0≤y≤ζ)，壓縮區(qū)域仍保持為彈性變形狀態(tài)(ζ≤y≤ht)；在彈性區(qū)與塑性區(qū)的交界處σtm=Eκξ。

由N=0，

式中:t=ht/h，χ=ξ/h，m=Mh/(2σtmI)。

采場巖梁的塑性極限彎矩Ms=σtmh2/6，Mimax=qi12；li為第i層巖梁的跨度，qi為上覆巖層壓力。

在地下煤層的開采過程中，采空區(qū)跨度l0不斷增加，當M1max=/12與塑性極限彎矩Ms1=/6相等時，上覆巖層發(fā)生第一次垮落，由M1max=Ms1，得到第一次垮落步距

當采空區(qū)跨度l0隨著采煤工作面的不斷推進而持續(xù)增加時，采場上覆各巖層則發(fā)展成懸臂梁，并且進行應(yīng)力重分布，此時作用在上覆巖層的載荷q11呈現(xiàn)增大的趨勢(q11＞q1)，且不再是均勻分布的荷載。

設(shè)l11為懸臂梁的長度M11max=/2。

當M11max=Ms1時，可以得到上覆巖層的周期垮落步距

在直接頂初次垮落時，第2層巖梁的固端彎矩M2max=，塑性極限彎矩Ms2=。

M2max≥Ms2時，q2≥，則此層與直接頂同時垮落；M2max＜Ms2時，q2＜，則此層不垮落；其他巖層的移動情況可類推。

在深部煤炭開采過程中，可以根據(jù)采場覆巖移動變形理論中的上覆巖層發(fā)生垮落的極限彎矩和垮落步距，觀測模型試驗中深部煤炭在模擬開采中深部采場覆巖的斷裂破壞、彎曲和移動變形的過程，為分析采場上覆各巖層的移動變形提供理論判據(jù)，同時也為確定采場上覆巖層的移動變形致災(zāi)機理提供理論支持。

2 采場覆巖移動變形的相似材料試驗

2.1 相似材料模型設(shè)計

以典型礦井開灤趙各莊礦為例。開灤趙各莊礦采煤工作面的可采走向長度為1066m，傾斜平均寬217m。工作面煤層厚度一般為 3.9～4.7m，平均4.2m，煤層傾角 8°～12°，平均 10°，煤層埋深為 630.5～750.2m，賦存整體穩(wěn)定。該礦的采煤工作面從基本頂、直接頂(底)、老底的巖層依次為細砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖及砂質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖，各巖層的基本物理力學參數(shù)見表1。

表1 礦區(qū)各巖層物理力學性質(zhì)Table 1 Physical mechanical properties of mining strata

根據(jù)采煤工作面巖石物理力學性質(zhì)、其他地質(zhì)采礦資料(工作面的可采走向長度為1066m，傾斜平均寬217m)以及模型框架系統(tǒng)的幾何尺寸(5m×1m)確定相似材料模型幾何相似比為αL=LH/LM=1066/5≈200；強度相似比則根據(jù)各巖層的抗壓強度和抗拉強度與試驗室中所用模型骨料(主要是以石英砂、云母和重晶石為主)的強度比來確定，合理的強度相似比為ασ=σH/σM=350；其容重比為 1∶1.8，開采時間相似比則根據(jù)與幾何相似比的關(guān)系確定為:αt=tH/tM=≈15，此時每隔 1.6h(實際 24h)割煤高度約為2m。

2.2 相似材料模型試驗開采方案及監(jiān)測

趙各莊礦區(qū)煤層的開采分為三步開采，在開采過程中需要適時觀測分析采動區(qū)的應(yīng)力分布和傳播情況，在工作面距煤層底板2cm處設(shè)置觀測點45個(間距為2cm)；在分析應(yīng)力變化的同時，還需要監(jiān)測采動區(qū)上覆巖層的移動變化趨勢，沿著煤層的傾斜方向設(shè)置位移監(jiān)測點，在煤層模型上每排設(shè)置30個監(jiān)測點(共設(shè)置6層)，其間距為15cm×15cm，其中第一排距離煤層為8cm。

2.3 開采試驗結(jié)果與分析

趙各莊煤礦的傾斜煤層開采的推進速度為每天開采1.6 m，為了盡量減小模型開采試驗與實際煤炭開采過程的誤差，模型開采試驗為每小時開采1cm，整個模型分為三步開采，待第一步開采完畢，上覆巖層垮落穩(wěn)定后，再進行第二步開采直至完成整個試驗。開采過程中上覆巖層的變化過程見圖3。

圖3 采動覆巖移動變化Fig.3 Movement of mining strata

通過分析在開采過程中采空區(qū)上覆巖層的垮落過程可知:在完成第三步開采后所形成的采空區(qū)與前兩步開采所形成的采空區(qū)形成一個整體，此時上覆巖層發(fā)生大范圍的移動變形，由此所產(chǎn)生的斷裂破壞最為嚴重，并不斷增加覆巖的斷裂破壞高度；隨著破壞面積的擴大，前兩步開采過程所形成的采空區(qū)的裂隙(主要由巖層斷裂所形成的)被重新壓實，這主要是由于上覆巖層所承受的應(yīng)力過大造成的；當進行第三步開采時，其上覆巖層與前兩步采空區(qū)的上覆巖層的重量幾乎全部轉(zhuǎn)移到孤島采煤工作面兩側(cè)的煤柱上，在巨大的載荷作用下煤柱發(fā)生沖擊破壞的可能性非常大，此時上覆巖層所產(chǎn)生的移動變形最為嚴重。

3 試驗位移和應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 位移監(jiān)測點數(shù)據(jù)分析

上覆巖層的移動變化過程中的應(yīng)力和位移情況見圖4。

圖4 前兩步開采后采動覆巖位移變化Fig.4 Displacement change of mining strata after the two steps mining

當完成第二步煤層開采后，各個測點的測線在垂直方向上的離層量分布相對比較均勻，并且上覆巖層的破壞范圍距離采空區(qū)為60m，上覆離層的破壞發(fā)育達到工作面頂板的60m處。

完成第二步煤層開采后，由于尚有第三步煤層沒有開采，采動覆巖下沉曲線的形狀與圖4的工作面上覆巖層破壞范圍類似。

圖5 第三步開采后采動覆巖位移變化Fig.5 Displacement change of mining strata after the third step mining

完成第三步開采后，分析各個測點的下沉量曲線(圖5)可知:其采動覆巖垮落形成的新采空區(qū)與兩側(cè)的采空區(qū)連通形成整體，此時各個巖層整體下沉，并且采動覆巖斷裂高度擴散到整個模型邊界。第一條測線的下沉量在4.7m左右，第二、第三條、第四條大致在3.5～4.0m之間，其余的下沉量在3.0～3.5m之間，并且各個巖層的下沉量比較均勻。從整體上分析采動覆巖的裂隙分布可知:在新形成的采空區(qū)兩側(cè)巖層斷裂線是裂隙的主要分布區(qū)域，而前兩步采空區(qū)內(nèi)部所形成的離層裂隙和破斷裂隙此時基本上被壓實。

3.2 應(yīng)力測點數(shù)據(jù)分析

通過分析圖6可知:在煤炭的開采過程中，在采煤工作面形成了應(yīng)力升高區(qū)、應(yīng)力降低區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)。應(yīng)力升高區(qū)一般分布在煤壁的10～50m區(qū)域內(nèi)，其應(yīng)力集中系數(shù)先迅速增加到峰值然后緩慢減小到1.0，其應(yīng)力峰值位置在距煤壁15～20m區(qū)域內(nèi)，其大小為2.56；應(yīng)力降低區(qū)分布在距離煤壁的0～10m的區(qū)域內(nèi)，而50m之外的距離煤巖體的應(yīng)力集中系數(shù)為1.0為原巖應(yīng)力區(qū)，此時采動應(yīng)力尚未影響到該區(qū)域。

圖6 第一步開采后應(yīng)力集中系數(shù)變化Fig.6 Change in stress concentration coefficient after first step mining

隨著采煤工作面的不斷推進，采動覆巖的活動范圍逐漸擴大，此時在傾斜煤層的60～70m區(qū)域，應(yīng)力集中系數(shù)增大為2.68，并且逐漸向煤巖體內(nèi)部移動。充分采動后，應(yīng)力集中系數(shù)整體上增加。由此可知在充分采動后，采空區(qū)側(cè)壁的覆巖移動變形較大，此時容易發(fā)生各種采動動力災(zāi)害。

由圖7可知，第二步開采完成后，應(yīng)力峰值為2.78，其采動應(yīng)力影響略大于第一步開采的采動影響程度。這主要是因為該煤層為急傾斜煤層，開采過程中在重力的作用下采煤工作面不斷有巖石向下塌落，在開采擾動的影響下導(dǎo)致煤層壁上的應(yīng)力增大；尚未進行第三步開采時，由于中間煤層的存在，第一步開采工作面和第二步的工作面在煤炭開采過程中的開采擾動影響是彼此獨立的。

圖7 開采后應(yīng)力集中系數(shù)變化Fig.7 Change in stress concentration coefficient after mining

進行第三步開采的過程中，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在應(yīng)力升高區(qū)的邊緣；其應(yīng)力集中系數(shù)峰值分別為3.11、3.62，在應(yīng)力集中程度比較高的情況下，采動覆巖處于失穩(wěn)狀態(tài)，極容易導(dǎo)致上覆巖層發(fā)生大規(guī)模的移動變形，此時所產(chǎn)生的沖擊能量極大，該區(qū)域有可能發(fā)生采動覆巖的坍塌跨落。

3.3 應(yīng)力影響范圍分析

為了進一步明確地下煤炭開采過程中采動覆巖的移動變形，需要對采動應(yīng)力的影響范圍進行研究分析(圖8)。由圖8可知:

圖8 采動應(yīng)力影響范圍Fig.8 Influence of mining stress area

(1)在第一步開采初期，隨采寬增加采動應(yīng)力的影響范圍逐漸增大；當采寬L＞225 m，采動應(yīng)力影響范圍出現(xiàn)降低的趨勢，并逐漸趨于穩(wěn)定；這主要是由于采空區(qū)的承載能力隨著采寬的增加而逐漸增強造成的。

(2)在第二步開采過程中，采動應(yīng)力影響范圍迅速增加，之后逐漸趨于穩(wěn)定，并略有降低的趨勢；此時的采動應(yīng)力影響范圍約為第一步開采的2倍，說明在充分采動后采動應(yīng)力的影響不斷擴大，采空區(qū)側(cè)壁的覆巖發(fā)生移動變形。

(3)進行第三步開采時，在采動過程中采動應(yīng)力對上覆巖層的影響范圍迅速增大，最大可達319m，采動應(yīng)力穩(wěn)定后期影響范圍穩(wěn)定在300m左右；結(jié)合應(yīng)力集中系數(shù)變化曲線可知在采動應(yīng)力影響范圍較大時，采動覆巖極易處于失穩(wěn)狀態(tài)，三個工作面采空區(qū)上覆破斷巖層連通，此時采動覆巖層容易發(fā)生大規(guī)模的移動變形。

4 結(jié)論

(1)深部傾斜煤層開采過程中，沿著采煤工作面形成了應(yīng)力升高區(qū)、應(yīng)力降低區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)。應(yīng)該根據(jù)應(yīng)力分布和應(yīng)力集中的程度來判斷采空區(qū)段煤柱是否處于失穩(wěn)的臨界狀態(tài)，盡可能避免因主關(guān)鍵層斷裂后上覆巖層大面積運動產(chǎn)生巨大能量，導(dǎo)致煤柱發(fā)生瞬時沖擊破壞。

(2)分析采動應(yīng)力的影響區(qū)域可知:深部煤層開采對孤島工作面進行開采時，新舊采空區(qū)容易因上覆巖層的垮落塌陷連通成整體，導(dǎo)致采動覆巖的斷裂高度不斷擴大至整個邊界，引起各個巖層整體下沉，極易發(fā)生各種礦井動力災(zāi)害。因此采煤孤島工作面上覆巖層的破斷運動，直接影響著兩側(cè)采空區(qū)上覆巖層的運動形式與破斷范圍。

(3)根據(jù)采動應(yīng)力分布規(guī)律和影響區(qū)域曲線可知:在傾斜煤層方向上孤島工作面的采動應(yīng)力影響范圍極大，并且孤島工作面位于采動應(yīng)力升高區(qū)的邊緣，在煤炭開采過程中容易形成高應(yīng)力集中導(dǎo)致礦井各種動力災(zāi)害的發(fā)生；布置該區(qū)域的巷道位置時應(yīng)該考慮布置在采空區(qū)的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，并且煤柱寬度不應(yīng)大于10～12m，最佳選擇為6～8m。該區(qū)域內(nèi)的煤層雖然也出現(xiàn)了采動應(yīng)力的擾動和松動破壞，但是其壓力基本已經(jīng)釋放，出現(xiàn)采動應(yīng)力集中和動力災(zāi)害現(xiàn)象的概率較低，并且有利于巷道的維修加固。

［1］何滿潮，錢七虎.深部巖體力學基礎(chǔ)［M］.北京:科學出版社，2010.［HE M C，QIAN Q H.The Basis of Deep Rock Mechanics［M］.Beijing:Science Press，2010.(in Chinese)］

［2］謝和平.礦山巖體力學及工程的研究進展與展望［J］.中國工程科學，2003，5(3):31-38.［XIE H P.Review and prospect of mechanics of jointed rock masses and its applications［J］.Engineering Science，2003，5(3):31 －38.(in Chinese)］

［3］王志國，周宏偉，謝和平.深部開采上覆巖層采動裂隙網(wǎng)絡(luò)演化的分形特征研究［J］.巖土力學，2009，30(8):2403 － 2408.［WANG Z G，ZHOU H W，XIE H P.Research on fractal characterization of mined crack network evolution in overburden rock stratum under deep mining［J］.Rock and Soil Mechanics，2009，30(8):2403 － 2408. (in Chinese)］

［4］常聚才，謝廣祥.深部巷道圍巖力學特征及其穩(wěn)定性控制［J］.煤炭學報，2009，34(7):881－886.［CHANG J C，XIE G X.Mechanical characteristics and stability control of rock roadway surrounding rock in deep mine［J］.Journal of China Coal Society，2009，34(7):881 －886.(in Chinese)］

［5］李喜林，王來貴，苑輝，等.大面積采動礦區(qū)水環(huán)境災(zāi)害特征及防治措施［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學報，2012，23(1):88 － 93.［LI X L，WANG L G，YUAN H， etal. Characteristic analysis and prevention measures of water environment disasters in large area mining stratum［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2012，23(1):88 －93.(in Chinese)］

［6］王旭春，岳著文，管曉明.深部走向長壁開采地表移動數(shù)值模擬［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2012，39(6):108－113.［WANG X C，YUE Z W，GUAN X M.Numerical simulation of surface movement under long － wall mining condition in deep areas［J］.Hydrogeology＆ Engineering Geology，2012，39(6):108－113.(in Chinese)］

［7］錢鳴高，繆協(xié)興.采場上覆巖層結(jié)構(gòu)的形態(tài)與受力分析［J］.巖石力學與工程學報，1995，14(2):97－106［QIAN M G，MIAO X X.The oretical analysis on the structural form and stability of overlying strata in long wall mining［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1995，14(2):97 － 106.(in Chinese)］