王書文 焦 彪

（1.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院，北京市朝陽區(qū)，100013；2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京市朝陽區(qū)，100013；3.陜西彬長胡家河礦業(yè)有限公司生產(chǎn)工程部，陜西省咸陽市，713602）

工作面采空區(qū)見方垮落一般是指當(dāng)工作面的推進(jìn)距離和采空區(qū)寬度大致相等時(shí)，采空區(qū)上覆巖層的初次整體垮落。較為典型的見方垮落現(xiàn)象曾在大同礦區(qū)多個(gè)工作面集中出現(xiàn)，所涉及工作面老頂多為厚度12～30m 的堅(jiān)硬砂 （礫）巖，工作面寬度90～150m，當(dāng)采空區(qū)老頂懸露接近正方形時(shí)，老頂初次斷裂、垮落，礦壓顯現(xiàn)劇烈。但近年來隨著回采工作面寬度的加大，該礦區(qū)見方垮落現(xiàn)象極少出現(xiàn)。在少數(shù)其它礦區(qū)工作面的采空區(qū)見方期間曾出現(xiàn)顯著礦壓異常，并被認(rèn)為是頂板見方垮落所致。

通常認(rèn)為，見方垮落時(shí)頂板運(yùn)動(dòng)劇烈，易導(dǎo)致采掘巷道礦壓顯現(xiàn)異常，甚至誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害。因此，對沖擊地壓工作面進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分時(shí)，往往將見方區(qū)域劃定為潛在危險(xiǎn)區(qū)。但調(diào)研表明，大量工作面在見方期間未出現(xiàn)礦壓顯著異常，而對于那些滿足見方條件的異?，F(xiàn)象，鮮有從實(shí)測的角度證實(shí)其確為某巖層見方垮落所致。

針對工作面采空區(qū)見方垮落及其引起的一系列礦壓異?，F(xiàn)象，有文獻(xiàn)認(rèn)為當(dāng)工作面推進(jìn)到工作面寬度時(shí)，裂隙拱拱高將不再持續(xù)增加，采場周圍內(nèi)外應(yīng)力場范圍分別達(dá)到最大。還有文獻(xiàn)給出了基于薄板模型計(jì)算出的四邊固支條件下采空區(qū)頂板見方垮落所必須滿足的力學(xué)條件。但未應(yīng)用于工作面回采過程中見方垮落條件判別。

綜上所述，見方垮落僅在少數(shù)礦區(qū)或少數(shù)工作面出現(xiàn)過，這表明該現(xiàn)象的發(fā)生必須滿足較為苛刻的條件。然而，這一特殊現(xiàn)象所衍生的見方理論卻被廣泛用于沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域的初步劃分及異常礦壓現(xiàn)象解釋，這顯然放大了其適用范圍。本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合覆巖空間結(jié)構(gòu)理論及薄板結(jié)構(gòu)模型，對見方垮落的類型、空間特征、形成條件進(jìn)行了初步探討，并應(yīng)用于工作面回采過程中見方垮落判別，以期增進(jìn)對這一苛刻條件下特殊礦壓現(xiàn)象的認(rèn)識。

1 見方垮落覆巖空間結(jié)構(gòu)特征

1.1 橫向特征

錢鳴高等利用薄板理論及物理模擬對頂板破斷形式進(jìn)行研究，依據(jù)初次來壓時(shí)工作面寬度b與推進(jìn)距離a 的相對大小關(guān)系，將頂板斷裂形式分為橫O-X （b＞a）破斷、正O-X （b=a）破斷、豎O-X（b＜a）破斷，如圖1所示。

采空區(qū)四周頂板裂縫貫通而呈 “O”形后，板中央的彎矩又將達(dá)到最大值。對于見方期間的頂板而言，巖層在采空區(qū)中心的彎矩分量同時(shí)達(dá)到最大值，易出現(xiàn)中點(diǎn)突破，且破斷后的正O-X 拱需要4塊扇形薄板相互咬合以維持平衡，穩(wěn)定性較差，因此，極易造成巖層的失穩(wěn)垮落現(xiàn)象。

圖1 頂板 “O-X”破斷的3種形式

見方垮落覆巖結(jié)構(gòu)剖面示意圖見圖2。若單個(gè)工作面采空區(qū)尺寸初次滿足見方要求，且僅有該見方采空區(qū)范圍內(nèi)的頂板巖層 （組）發(fā)生整體O-X破斷，則稱之為單工作面見方垮落，如圖2 （a）所示。

同理，若多個(gè)工作面采空區(qū)連同隔離煤柱的整體尺寸初次滿足見方要求，且僅有該見方采空區(qū)范圍內(nèi)的頂板巖層 （組）發(fā)生整體O-X 破斷，則稱之為多工作面見方垮落。根據(jù)所涉及工作面數(shù)量的不同，可為雙工作面見方如圖2 （b）所示、三工作面見方如圖2 （c）所示。

可見，見方垮落時(shí)頂板巖層懸露面積較大且同時(shí)垮落，將對周邊產(chǎn)生強(qiáng)烈動(dòng)載影響，引起應(yīng)力場的劇烈變化，往往成為沖擊地壓的重要誘發(fā)因素。

1.2 縱向特征

由巖層控制的關(guān)鍵層理論可知，在達(dá)到充分采動(dòng)之前，隨著采空區(qū)尺寸 （長度和寬度）的增加，采空區(qū)上覆巖層將由下往上逐層 （組）運(yùn)動(dòng)，起到控制作用的被稱為關(guān)鍵層，關(guān)鍵層的破斷將導(dǎo)致全部或局部上覆巖層的同步破斷。顯然，見方垮落是特殊尺寸條件下某一關(guān)鍵層的初次整體運(yùn)動(dòng)，其控制的上覆軟弱巖層將同步運(yùn)動(dòng)，該關(guān)鍵層可能是低位老頂或上部覆巖中的某一堅(jiān)硬巖層。見方垮落時(shí)的采空區(qū)尺寸越大，表明堅(jiān)硬巖層懸露面積越大，穩(wěn)定性越好。

以圖2所示模型說明不同類型見方垮落覆巖結(jié)構(gòu)特征，該模型覆巖包括3層亞關(guān)鍵層和1層主關(guān)鍵層，共經(jīng)歷3種不同形式的見方垮落。

首采工作面回采期間，將依次出現(xiàn)直接頂初次垮落、老頂初次垮落、老頂周期垮落等現(xiàn)象。只有老頂初次垮落發(fā)生在采空區(qū)見方時(shí)，才可能出現(xiàn)老頂整體運(yùn)動(dòng)的見方垮落。大同礦區(qū)早期的見方垮落現(xiàn)象則是其堅(jiān)硬砂 （礫）巖老頂整體初次破斷引起的。

圖2 見方垮落覆巖結(jié)構(gòu)剖面示意圖

現(xiàn)場實(shí)測表明，多數(shù)回采工作面采空區(qū)低位老頂在見方之前就已完成初次垮落。隨著高產(chǎn)高效工作面寬度的加大，工作面寬度與初次來壓步距的比值往往達(dá)到10倍以上，當(dāng)采空區(qū)尺寸見方時(shí)，低位老頂已發(fā)生初次來壓和多個(gè)周期來壓，如圖2（d）所示。因此，工作面低位老頂?shù)囊姺娇迓湟话汶y以出現(xiàn)。

隨著低位老頂?shù)闹車钥迓?，其上部的?亞關(guān)鍵層懸露面積逐漸增大，若該堅(jiān)硬巖層在懸露尺寸滿足見方時(shí)發(fā)生整體正O-X 破斷，則可稱之為第2亞關(guān)鍵層的單工作面見方垮落。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，低位老頂和第2亞關(guān)鍵層均將發(fā)生周期性破斷，由于其斷裂步距的差異性，工作面周期來壓步距和強(qiáng)度將表現(xiàn)出一大一小的周期性變化現(xiàn)象。

若單個(gè)工作面尺寸較小或覆巖中含有難垮厚硬關(guān)鍵層，單工作面回采完畢后，部分關(guān)鍵層或仍處于懸而未斷的狀態(tài)。鄰近的第2工作面初采期間低位老頂、第2 亞關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)規(guī)律與首采工作面類似，其差異性主要取決于工作面邊界條件的改變情況。若區(qū)段煤柱寬度 （z12）較小，不足以阻止煤柱兩側(cè)采空區(qū)上懸露的第3亞關(guān)鍵層產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)，當(dāng)?shù)?工作面推進(jìn)距離a2與兩個(gè)工作面采空區(qū)總寬度 （含煤柱寬）b1+z12+b2相等時(shí)，第3亞關(guān)鍵層發(fā)生初次整體正O-X 破斷，則可稱之為第3亞關(guān)鍵層的雙工作面見方垮落，如圖2 （e）所示。

同理，若第3工作面推進(jìn)距離a3與3個(gè)工作面采空區(qū)總寬度 （含窄煤柱寬度）b1+z12+b2+z23+b3相等時(shí)，主關(guān)鍵層發(fā)生初次整體正O-X 破斷，則可稱之為主關(guān)鍵層的三工作面見方垮落，如圖2 （f）所示。

需要說明的是現(xiàn)實(shí)中，圖2示意模型中的3種見方垮落形式同時(shí)出現(xiàn)的概率是極微小的，即使出現(xiàn)其中的一種，也需要滿足苛刻的形成條件。

2 見方垮落形成條件

2.1 基本結(jié)構(gòu)條件

2.1.1 巖層的完整性

見方垮落是特殊條件下某堅(jiān)硬巖層的初次整體垮落，顯然，這將要求該堅(jiān)硬巖層必須具備較好的完整性，否則完整性差的區(qū)域或?qū)⑾扔谄渌鼌^(qū)域破斷、垮落，無法滿足整體性垮落這一要求。實(shí)際上，由于經(jīng)歷復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，巖層內(nèi)部一般存在著微裂紋、節(jié)理、斷層等不同程度的缺陷。這些缺陷使得不同區(qū)域的巖層在完整性、穩(wěn)定性等方面存在差異，在其破斷過程中，這些缺陷顯著影響斷裂線的發(fā)育路徑，最終影響巖層破斷形式及工作面來壓特征。工作面礦壓監(jiān)測也表明，一般很難出現(xiàn)整個(gè)工作面整體來壓的情況，更多表現(xiàn)為分區(qū)、分段來壓，尤其在長度大于200m 的工作面。

2.1.2 采空區(qū)間隔離煤柱

相鄰工作面采空區(qū)覆巖能否產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)，主要取決于兩者之間煤柱的隔離作用。由于覆巖的斷裂線位于煤壁內(nèi)側(cè)，若工作面間煤柱寬度較小，如3～6m 窄煤柱，兩相鄰采空區(qū)覆巖斷裂線將會(huì)相連。若采空區(qū)間煤柱發(fā)生 （局部）屈服破壞，對頂板支撐作用全部或部分喪失，其隔離效果將更差，工作面間覆巖將聯(lián)動(dòng)，形成相互作用的空間結(jié)構(gòu)，如圖2 （e）、圖2 （f）所示。反之，若寬度足夠大，且兩側(cè)采空區(qū)后能保持穩(wěn)定，則能夠有效地隔離采空區(qū)覆巖裂隙的聯(lián)系，此時(shí)在工作面寬度不增加的情況下，覆巖運(yùn)動(dòng)的最大高度將與采空區(qū)數(shù)量無關(guān)。顯然，在寬煤柱隔離條件下，將不會(huì)出現(xiàn)多工作面見方垮落現(xiàn)象，而窄煤柱或無煤柱隔離是該現(xiàn)象產(chǎn)生的必要條件。

2.2 巖層見方垮落力學(xué)解析

2.2.1 見方尺寸的確定

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，四周固支條件下堅(jiān)硬巖層初次破斷步距a1計(jì)算式：

式中：a1——初次破斷步距，m；

b——工作面寬度，m；

lm——硬巖層的步距準(zhǔn)數(shù)，m；

h——堅(jiān)硬巖層的厚度，m；

σs——堅(jiān)硬巖層的抗拉強(qiáng)度，MPa；

μ——硬巖層的泊松比，取0.2；

q——堅(jiān)硬巖層自重及其上載荷，Pa。

一邊簡支、三邊固支的斷裂步距a2計(jì)算公式：

鄰邊簡支、鄰邊固支的斷裂步距a3計(jì)算公式：

三邊簡支、一邊固支斷裂步距a4計(jì)算公式：

根據(jù)以上公式，作出工作面寬度b與硬巖層初次斷裂步距a 關(guān)系曲線，如圖3所示。

結(jié)果表明在頂板性質(zhì)一定的情況下，無論開采邊界條件如何變化，斷裂步距總是隨工作面寬度增減而在一條近似 “w”形曲線上變化。圖3中見方輔助線 （a=b）與各曲線的交點(diǎn)即為各邊界條件下的堅(jiān)硬巖層見方垮落條件。由圖3可知：

（1）相同頂板條件下 （相同步距準(zhǔn)數(shù)lm），邊界條件中簡支邊數(shù)量越多，斷裂步距就越小。

圖3 工作面寬度與堅(jiān)硬巖層初次斷裂步距關(guān)系

（2）采空區(qū)頂板見方垮落條件極為苛刻，頂板條件、采空區(qū)邊界條件、工作面寬度、工作面推進(jìn)距離必須滿足唯一的對應(yīng)關(guān)系。

（3）近似計(jì)算表明見方垮落時(shí)，工作面寬度b、推進(jìn)距離a及頂板步距準(zhǔn)數(shù)lm需滿足必要尺寸條件：四周固支條件下a=b=1.414lm；一邊簡支、三邊固支條件下a=b=1.225lm；鄰邊簡支、鄰邊固支條件下a=b=1.154lm；三邊簡支、一邊固支條件下a=b=0.966lm。

（4）若首采工作面 （四邊固支邊界）某堅(jiān)硬巖層出現(xiàn)見方垮落，那么，鄰近同等長度的第2工作面 （一邊簡支、三邊固支邊界）內(nèi)的該巖層將不會(huì)出現(xiàn)見方垮落，且其該頂板初次垮落步距將小于工作面寬度。

（5）若某工作面堅(jiān)硬巖層的初次垮落為見方垮落，那么該巖層周期來壓期間將不會(huì)再次出現(xiàn)見方垮落現(xiàn)象。這是因?yàn)榕c初次來壓相比，周期來壓前懸露頂板的后方邊界條件由簡支或固支變?yōu)樽杂蛇?，其斷裂步距必然?huì)減小。

2.2.2 見方巖層強(qiáng)度特征

式（2）中的堅(jiān)硬巖層自重及其上載荷q 一般通過組合梁原理計(jì)算得出，為便于分析，將q等效為：

式中：γ——堅(jiān)硬巖層容重，取0.025 MN·m-3；

kn——倍數(shù)，計(jì)算到第n+1 層對第1 層堅(jiān)硬巖層形成的載荷。只考慮堅(jiān)硬巖層自重時(shí)，kn=1。

將式 （6）代入式（2）得：

根據(jù)圖3中不同邊界條件下堅(jiān)硬巖層見方垮落的尺寸條件，并結(jié)合式 （7），可得見方垮落發(fā)生時(shí)工作面寬度b與堅(jiān)硬巖層厚度h 及抗拉強(qiáng)度σs的關(guān)系，kn=1時(shí)的關(guān)系曲線如圖4所示。

可見，隨著工作面寬度的增大，見方垮落的巖層必須更加厚硬。當(dāng)工作面寬度大于120 m 時(shí)，巖層所需的厚硬程度增速加大。假設(shè)某硬巖層抗拉強(qiáng)度為8MPa，當(dāng)工作面寬度為200m 時(shí)，該巖層在三邊固支、一邊簡支邊界條件下發(fā)生見方垮落必須滿足的厚度條件約為h=40m?？梢?，寬度越大的工作面越難以出現(xiàn)見方垮落現(xiàn)象。

以大同礦區(qū)四老溝礦2＃煤層8207 工作面為例，該邊界條件為三邊固支、一邊簡支，工作面寬度150 m，其實(shí)際老頂初次來壓步距為159.7 m，屬于典型的老頂見方垮落。該砂礫巖老頂抗拉強(qiáng)度約為4MPa，根據(jù)圖4可得其必須滿足的厚度條件約為46.75m，而實(shí)際該工作面老頂厚度為45m。

圖4 見方垮落時(shí)工作面寬度與巖層厚度及抗拉強(qiáng)度關(guān)系

3 沖擊地壓礦井見方垮落判別應(yīng)用

利用上述研究結(jié)論對華豐煤礦1410回采工作面見方垮落條件進(jìn)行判別及驗(yàn)證，圖5為1410工作面及鄰近已采空工作面布置情況，由于部分工作面巷道布置并不規(guī)則，為便于分析將其取直，工作面寬度取初采區(qū)域平均值。區(qū)段煤柱寬度多為4～6m，局部7～10m，總體均可視為屈服煤柱，不影響采空區(qū)間覆巖的聯(lián)動(dòng)，在計(jì)算時(shí)均采用5 m。各巖層參數(shù)及關(guān)鍵層判斷依據(jù)參考文獻(xiàn)，主關(guān)鍵層下部分布3層亞關(guān)鍵層。利用式 （2）計(jì)算各關(guān)鍵層步距準(zhǔn)數(shù)，由下至上各關(guān)鍵層步距準(zhǔn)數(shù)分別為

58.6m、108.7m、152.7m、302.3m。

為判別1410工作面回采期間頂板是否見方垮落，需從該采區(qū)的首采工作面開始，依次計(jì)算各工作面回采后關(guān)鍵層是否破斷，并得出初次斷裂步距。各關(guān)鍵層初次破斷時(shí)邊界條件為四邊固支，之后破斷均為三邊固支、一邊簡支，因此，計(jì)算時(shí)主要利用式 （1）及式 （3），計(jì)算結(jié)果見表1。

可見，1410工作面開采過程中，上覆關(guān)鍵層均發(fā)生了破斷，各亞關(guān)鍵層由下至上初次斷裂步距依次59m、136m、157m。主關(guān)鍵層在破斷前為不規(guī)則懸露 （1410、1409、2408 西組成刀把形），顯然無法形成見方垮落。

由于第2亞關(guān)鍵層的斷裂步距為136m，與工作面寬度128m 基本一致，因此，可視之為第2亞關(guān)鍵層的單工作面見方垮落?，F(xiàn)場監(jiān)測亦表明，1410工作面推進(jìn)130.7 m 時(shí)，發(fā)生了震級2.0 級的沖擊地壓，破壞巷道170m。在工作面推進(jìn)157 m 時(shí)，雖然發(fā)生了雙工作面 （1410、1409）采空區(qū)上部第3亞關(guān)鍵層的協(xié)同運(yùn)動(dòng)，但其初次斷裂步距與雙工作面寬度差異較大，因此，該工作面將不會(huì)發(fā)生雙工作面見方垮落。

1410工作面后期回采過程中，部分沖擊地壓也發(fā)生在采空區(qū)尺寸滿足多工作面見方期間，但基于本文研究認(rèn)為，該現(xiàn)象可能是某個(gè)或多個(gè)關(guān)鍵層的周期性垮落所致，只不過在位置上剛好與見方區(qū)域重疊而已。

圖5 華豐煤礦1410工作面及周邊開采環(huán)境示意圖

表1 1410工作面開采期間見方垮落判別

4 結(jié)論

（1）采空區(qū)頂板見方垮落是某關(guān)鍵層初次整體垮落，破斷形式呈正O-X，主要影響因素有頂板結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度、區(qū)段煤柱特性、采空區(qū)邊界條件、工作面寬度、工作面推進(jìn)距離等，形成條件極為苛刻。

（2）見方垮落時(shí)，工作面寬度b、推進(jìn)距離a及頂板步距準(zhǔn)數(shù)lm需滿足必要尺寸條件：四周固支條件下a=b=1.414lm，一邊簡支、三邊固支條件下a=b=1.225lm；鄰邊簡支、鄰邊固支條件下a=b=1.154lm；三邊簡支、一邊固支條件下a=b=0.966lm。

（3）對工作面進(jìn)行見方垮落判別時(shí)，需從采區(qū)內(nèi)首采工作面開始，依次計(jì)算各工作面回采后關(guān)鍵層的破斷情況。

（4）見方垮落時(shí)，堅(jiān)硬巖層懸露面積較大且同時(shí)垮落，可成為沖擊地壓災(zāi)害誘發(fā)因素。鑒于其苛刻的形成條件，將工作面見方區(qū)域均劃定為沖擊危險(xiǎn)區(qū)往往偏于保守。

［1］ 何富連，趙計(jì)生，姚志昌.采場巖層控制論 ［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2009

［2］ 王存文，姜福興，孫慶國等.基于覆巖空間結(jié)構(gòu)理論的沖擊地壓預(yù)測技術(shù)及應(yīng)用 ［J］ .煤炭學(xué)報(bào)，2009 （2）

［3］ 孔令海，齊慶新，姜福興等.長壁工作面采空區(qū)見方形成異常來壓的微震監(jiān)測研究 ［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012 （S2）

［4］ 陳本華，張士斌，鄭有雷等.孤島綜放面覆巖空間結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與礦壓顯現(xiàn)特征探討 ［J］ .中國煤炭，2010 （4）

［5］ 鄭友剛.唐山礦深部孤島工作面沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域劃分及實(shí)測研究 ［J］.中國煤炭，2013 （3）

［6］ 宋振騏，盧國志，夏洪春.一種計(jì)算采場支承壓力分布的新算法 ［J］.山東科技大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2006 （1）

［7］ 王作棠，錢鳴高.老頂初次來壓步距的計(jì)算預(yù)測法［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1989 （2）

［8］ 錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制 ［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003

［9］ 劉奎，劉長友，李德文等.超長綜放孤島面礦壓規(guī)律及支架適應(yīng)性研究 ［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2007 （1）

［10］ 竇林名，賀虎.煤礦覆巖空間結(jié)構(gòu)OX-F-T 演化規(guī)律研究 ［J］ .巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012（3）

［11］ 秦偉，許家林.對 “基于薄板理論的采場覆巖關(guān)鍵層的判別方法”的商榷 ［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2010 （2）