王啟慶 李文平 李小琴 孫如華

(中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221008)

采場上覆整體移動帶堅(jiān)硬巖層破斷規(guī)律研究

王啟慶 李文平 李小琴 孫如華

(中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221008)

為了防治采場上覆堅(jiān)硬巖層突然破斷給礦井造成的離層水(瓦斯)突涌等嚴(yán)重次生災(zāi)害，對某煤礦工作面連續(xù)大面積開采上覆整體移動帶內(nèi)堅(jiān)硬巖層的破斷規(guī)律進(jìn)行了研究。以該煤礦首采區(qū)覆巖空間賦存、巖體結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)及地應(yīng)力等地質(zhì)工程條件為基礎(chǔ)，采用薄板理論計(jì)算、數(shù)值模擬等方法，對采區(qū)首采面及后續(xù)工作面開采上覆整體移動帶堅(jiān)硬火成巖巖床初次破斷及周期破斷距進(jìn)行了理論計(jì)算和過程模擬分析。結(jié)果顯示，首采面開采過程中堅(jiān)硬火成巖初次破斷約300 m，周期破斷約130 m；后續(xù)工作面開采時(shí)受鄰近采空區(qū)影響，火成巖初次破斷約260 m，周期破斷約120 m；結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析相一致。研究成果對堅(jiān)硬覆巖下煤層開采離層水、離層瓦斯突出等地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測及防治具有重要意義。

堅(jiān)硬巖層 薄板理論 數(shù)值分析 初次破斷 周期破斷

煤層上覆巖層間巖性存在差異。當(dāng)厚硬巖層與下伏巖層工程地質(zhì)特征存在巨大差異時(shí)，覆巖受采動影響后，巖層移動過程中會產(chǎn)生變形不協(xié)調(diào)、不同步的現(xiàn)象，從而產(chǎn)生規(guī)模較大的離層空間[1-5]。當(dāng)被周圍地下水、瓦斯充填時(shí)，會形成封閉的離層水體、離層瓦斯或離層水-瓦斯混合體[6-7]。隨著工作面的回采，厚硬巖層形成懸空的板(梁)結(jié)構(gòu)，懸空達(dá)到極限平衡程度時(shí)，厚硬覆巖會發(fā)生破斷，使其產(chǎn)生動力沖擊失衡，突然破斷錯(cuò)動擊拍離層積水(瓦斯)，瞬間產(chǎn)生超靜水(氣)壓力，突破離層水體與冒裂帶間隔水(氣)層，形成爆發(fā)性水氣突涌災(zāi)害[8-10]。主要特點(diǎn)表現(xiàn)為水氣突涌無明顯的預(yù)兆、突涌迅猛、最大水氣突涌量衰減快等[11]。楊柳煤礦10414首采工作面于2011年7月17日至18日，工作面回采一定距離后，上覆移動帶堅(jiān)硬火成巖發(fā)生破斷，導(dǎo)致離層內(nèi)水-瓦斯混合體從鉆孔噴涌出地面，形成水柱(帶瓦斯)現(xiàn)象，地面累計(jì)抽采、噴出瓦斯166 383 m3，期間井下工作面涌水增加7 845.6 m3；雖未造成井下事故，但潛在威脅巨大。因此，研究厚硬覆巖受采動影響變形破斷規(guī)律對防治煤層開采相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害具有重要意義。本研究以楊柳煤礦首采區(qū)的10414、10416工作面為例，分析研究工作面回采上覆堅(jiān)硬巖層采動破斷規(guī)律，可為本礦井及我國類似條件和深部開采煤礦水害和瓦斯防治提供依據(jù)。

1 地質(zhì)工程條件

1.1 采區(qū)地質(zhì)及構(gòu)造

104采區(qū)為楊柳煤礦首采區(qū)，位于礦井東南部，西至工廣煤柱，北到戴廟斷層，南以小沈家斷層為界。地表為新生界松散層覆蓋，下伏地層自上而下分別為二疊系的上石盒子組、下石盒子組和山西組，石炭系太原組。其中太原組10煤為礦井主要可采煤層，煤層平均厚為3.3 m，傾角平均4°。104采區(qū)總體上為一背斜構(gòu)造，地層傾角4°～12°；區(qū)內(nèi)斷層較為發(fā)育，已查出斷層11條，均為正斷層；落差大于30 m的斷層有2條，5～30 m的斷層為3條，小于5 m的斷層為6條。10414、10416工作面為104采區(qū)首采面及鄰近工作面，工作面標(biāo)高-564.7～-598.3 m，上覆兩層厚硬火成巖，上位火成巖平均厚25.9 m，局部缺失，下位火成巖連續(xù)分布，距10煤約109.8 m，平均厚約47 m，如圖1所示。

圖1 部分綜合柱狀圖Fig.1 Part of comprehensive histogram

1.2 采區(qū)地應(yīng)力測量

用聲發(fā)射法測定地應(yīng)力是據(jù)凱塞效應(yīng)，對定向試件進(jìn)行單軸壓縮，同時(shí)接收其聲發(fā)射信號，當(dāng)作用力達(dá)到某一臨界值時(shí)，聲發(fā)射活動會突然增多，此臨界應(yīng)力值即為巖芯試件先前所受的應(yīng)力。本次對采區(qū)內(nèi)鉆孔R414-1取定向巖樣并進(jìn)行測量。由于實(shí)測點(diǎn)較少，不能完全反應(yīng)采區(qū)應(yīng)力場分布特征，部分值引用鄰近礦井地應(yīng)力實(shí)測結(jié)果。各測點(diǎn)應(yīng)力大小和水平最大主應(yīng)力方向見表1。

表1 地應(yīng)力實(shí)測結(jié)果Table 1 The results of in-situ stress measurement

注：鄰礦為鄰近海孜煤礦。

根據(jù)測量結(jié)果可以看出火成巖內(nèi)有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，地質(zhì)異常區(qū)應(yīng)力變化比較明顯。最大主應(yīng)力方位角為94.66°～115.45°，近東西向。垂向應(yīng)力為中間主應(yīng)力，采區(qū)地應(yīng)力場型為構(gòu)造應(yīng)力場類型。

1.3 采區(qū)巖石力學(xué)參數(shù)

覆巖采動破壞規(guī)律受巖土體的力學(xué)性質(zhì)影響，離層的發(fā)育層位規(guī)模與巖層間力學(xué)性質(zhì)的差異性密切相關(guān)，本次通過對采區(qū)內(nèi)已施工的補(bǔ)充勘探鉆孔R414-1、R414-2及R414-3取樣、室內(nèi)試驗(yàn)測得采區(qū)覆巖力學(xué)參數(shù)并取其平均值，測量結(jié)果見表2。

2 堅(jiān)硬巖層破斷薄板理論分析

根據(jù)彈性薄板理論[12-13]對104采區(qū)首采面10414工作面開采頂板堅(jiān)硬巖層破斷進(jìn)行力學(xué)分析，計(jì)算堅(jiān)硬巖層破斷距。

2.1 力學(xué)模型建立

由于10414工作面為首采面，根據(jù)其邊界和開采條件，可將采場上覆堅(jiān)硬頂板初次破斷前簡化為四邊固支矩形彈性薄板結(jié)構(gòu)；之后破斷簡化為一邊簡支，三邊固支薄板結(jié)構(gòu)。如圖2所示，其中a為上覆堅(jiān)硬頂板沿走向方向懸露的長度，b為工作面傾向長度，板面作用有均布載荷q。由于采場地應(yīng)力屬構(gòu)造應(yīng)力場型，其最大主應(yīng)力為水平構(gòu)造應(yīng)力，假設(shè)厚硬火成巖內(nèi)水平構(gòu)造應(yīng)力為σT，平行于薄板中面，其方向如圖2。

表2 覆巖力學(xué)參數(shù)Table 2 The mechanics parameters of overlying rock

圖2 力學(xué)模型Fig.2 Schematic diagram of mechanical model

2.2 力學(xué)分析及計(jì)算

依據(jù)薄板理論，采用瑞利-里茲法，分析得均勻荷載作用下四邊固支巖板所受的最大彎矩為

(1)

將彈性巖板正應(yīng)力與彎矩的關(guān)系式

代入式(1)得最大正應(yīng)力表達(dá)式

(2)

由于巖板不僅受橫向均布載荷作用，還受縱向構(gòu)造應(yīng)力影響，考慮構(gòu)造應(yīng)力影響時(shí)，巖板所受最大正應(yīng)力表達(dá)式為

(3)

式中，σxT|max為作用在垂直于x軸平面上的最大正應(yīng)力，MPa；σyT|max為作用在垂直于y軸平面上的最大正應(yīng)力，MPa；c=a/b，其中a為上覆堅(jiān)硬頂板沿走向方向懸露的長度，m；b為工作面傾向長度，m；h為巖板厚度，m；μ為巖板泊松比；σT為水平構(gòu)造應(yīng)力，MPa；α為構(gòu)造應(yīng)力方向與工作面推進(jìn)方向的夾角，(°)。

由于巖板受水平構(gòu)造應(yīng)力，巖板發(fā)生破斷存在兩種情況：頂部應(yīng)力首先達(dá)到抗壓強(qiáng)度極限值，巖板被壓斷；底部首先達(dá)到拉應(yīng)力極限值，巖板被拉斷。故巖板破斷判據(jù)為

σx,y|x,y=+2/h≥σt或σx,y|x,y=-2/h≥σc,

(4)

式中，σt為厚硬頂板抗拉強(qiáng)度，MPa；σc表示厚硬頂板抗壓強(qiáng)度，MPa。

根據(jù)式(4)判斷厚硬火成巖發(fā)生破斷的對應(yīng)薄板幾何尺寸，求出在構(gòu)造應(yīng)力下厚硬火成巖初次破斷時(shí)的跨距l(xiāng)0T，相應(yīng)工作面推進(jìn)的距離可由下式近似計(jì)算：

L0T=l0T+2Hcotφ,

(5)

式中，L0T為火成巖破斷時(shí)工作面推進(jìn)距離，m；H為火成巖距煤層的距離，m；φ為巖層斷裂角，(°)。

如圖4所示，余甘果果肉添加量分別為0.5 g、1.0 g、1.5 g、2.0 g時(shí)，經(jīng)過10 h的作用后，乙醛的含量呈逐漸降低的趨勢，與對照組（只含有乙醛和乙醛脫氫酶）相比，乙醛含量均有不同程度的降低，說明在乙醛脫氫酶和余甘果果肉的共同作用下乙醛降解。余甘果果肉添加量為1.5 g時(shí)，乙醛含量為14.67%，其轉(zhuǎn)化率為56.70%。當(dāng)果肉量繼續(xù)增加到2.0 g時(shí)，乙醛含量變化不大，說明添加余甘果1.5 g/5 mL 40%乙醛（即0.3 g/mL 40%乙醛）時(shí)是最恰當(dāng)?shù)摹?/p>

采用上述同樣方法可求解三邊固支一邊簡支邊界條件且受水平構(gòu)造應(yīng)力影響，巖板所受最大正應(yīng)力

(6)

根據(jù)巖層控制關(guān)鍵層理論[14]，分析得下位火成巖為10煤開采的主關(guān)鍵層，上位火成巖為亞關(guān)鍵層之一，上、下位火成巖會發(fā)生同步破斷，由于火成巖地應(yīng)力實(shí)測位于上位火成巖，因此，本次用上位火成巖計(jì)算破斷距。根據(jù)AE法地應(yīng)力實(shí)測結(jié)果(見表1)，火成巖最大水平主應(yīng)力為21.54 MPa，由此可確定構(gòu)造應(yīng)力σT為21.54 MPa；由于火成巖內(nèi)水平最大主應(yīng)力方向取104.54°，可得構(gòu)造應(yīng)力方向與工作面推進(jìn)方向的夾角α約為35°；火成巖頂面的埋深為355.81 m，計(jì)算其頂面所受上覆巖層重力q約為8.21 MPa；該火成巖巖層厚度h為25.86 m，其底面距10煤頂板距離H為229.33 m，最大抗拉強(qiáng)度σt為8.23 MPa，泊松比μ為0.17；火成巖巖層的破斷角φ參考類似礦井的取值(取為80°)。將上述參數(shù)代入式(3)、(4)中可解出火成巖巖板破斷跨距l(xiāng)0T為187 m；利用式(5)確定火成巖破斷時(shí)工作面推進(jìn)距離L0T為268 m。利用式(6)、(4)、(5)計(jì)算火成巖板周期破斷時(shí)工作面推進(jìn)距離約為130 m。

3 堅(jiān)硬巖層破斷數(shù)值分析

3.1 模型建立

根據(jù)礦井地質(zhì)資料，對楊柳煤礦104采區(qū)的10414、10416工作面在推進(jìn)過程中其上覆火成巖的破斷進(jìn)行三維數(shù)值分析。兩工作面的走向長度1 080 m，傾向長180 m；工作面之間有5 m的煤巖柱。為了消除邊界約束的影響，考慮到模型計(jì)算容量所限，取結(jié)構(gòu)模型尺寸為長×寬×高=1 580 m×665 m× 313 m。工作面范圍內(nèi)斷層較發(fā)育，由于斷層在三維模型建立過程中較復(fù)雜，本次模擬僅考慮對破斷有較大影響、落差大于10 m的斷層。依據(jù)工作面剖面及鉆孔柱狀，將模型分為19個(gè)工程地質(zhì)巖組，各巖層力學(xué)參數(shù)見表2。模型上邊界施加上部巖層和表土層的厚度相應(yīng)的載荷。根據(jù)地應(yīng)力測量結(jié)果在模型側(cè)面施加了相應(yīng)的水平應(yīng)力，以符合實(shí)際。計(jì)算模型由39 933個(gè)單元和43 288個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，如圖3所示。

圖3 地質(zhì)體數(shù)值模型Fig.3 Geological numerical model

3.2 模擬方案設(shè)計(jì)

為反應(yīng)巖層移動變形的動態(tài)演化過程，對工作面煤層采用分步開挖，根據(jù)10煤直接頂?shù)目迓洳骄?、基本頂初次和周期來壓步距，并結(jié)合計(jì)算模型的尺寸，確定10煤每步工作面進(jìn)尺25 m，并對工作面每開挖一步進(jìn)行一次運(yùn)算，達(dá)到平衡后，進(jìn)入下一步開采。首先對模型中10414工作面開采，全部開采完后進(jìn)行10416工作面開采。

3.3 模擬結(jié)果分析

模型計(jì)算完成后，分別取2個(gè)工作面傾向方向中間剖面計(jì)算結(jié)果分析，通過分析剖面中塑性破壞區(qū)判斷火成巖破斷。分析得出如下結(jié)果。

(1)10414工作面推進(jìn)275 m時(shí)，10煤上覆火成巖底出現(xiàn)塑性破壞區(qū)，說明隨著工作面推進(jìn)巖梁懸露面積增大，巖層在自身重力作用下出現(xiàn)彎曲、開裂、離層，當(dāng)工作面推進(jìn)300 m處時(shí)，火成巖下部巖層塑性破壞區(qū)范圍擴(kuò)大的同時(shí)火成巖內(nèi)出現(xiàn)明顯的剪切拉張破壞(如圖4(a))，認(rèn)為火成巖已發(fā)生破斷，即火成巖發(fā)生初次破斷為275～300 m。

(3)10416工作面火成巖破斷規(guī)律與10414工作面類似，但由于受鄰近工作面開采影響工作面推進(jìn)275 m時(shí)，上覆火成巖開始出現(xiàn)塑性破壞區(qū)(如圖4(c))，認(rèn)為火成巖第一次破斷距離為275 m；此后工作面每推進(jìn)125 m，火成巖發(fā)生一次破斷，由此確定10416工作面火成巖初次破斷為250～275 m，周期破斷為100～125 m。

圖4 數(shù)值分析結(jié)果Fig.4 The results of numerical analysis

4 沉降觀測厚硬火成巖破斷分析

4.1 沉降觀測點(diǎn)的布設(shè)

本次沉降觀測在10414、10416工作面地表布置觀測點(diǎn)共計(jì)17個(gè)，具體位置見圖5所示。

圖5 地表沉降觀測點(diǎn)布置Fig.5 The layout chart of ground settlement observation

4.2 沉降觀測數(shù)據(jù)分析

觀測時(shí)間為2012年7月11日到2013年3月5日，根據(jù)觀測數(shù)據(jù)繪制時(shí)間與沉降關(guān)系曲線(如圖6)，其中B20、B21、B22、B23、B24、1號孔和2號孔沒有觀測到11月22日和25日兩天的沉降數(shù)值，而28日觀測數(shù)據(jù)反映出：B20、B21和1號孔3個(gè)觀測點(diǎn)沉降陡然增加，尤其是B21沉降值從168 mm激增到508 mm，地表沉降明顯增加。

圖6 各觀測點(diǎn)地表沉降隨時(shí)間變化曲線Fig.6 Curves of settlement vs time at the surface of each observation places■—B6；●—4號孔；△—3號孔；▼—3-1號孔；?—2號孔； ?—B24；◆—B23；?—B22；◇—B20；×—B21；+—1號孔； □—補(bǔ)2；○—墻4；▲—墻3；▽—416-1號；?—A36；?—416-3

結(jié)合地表沉降觀測點(diǎn)布置圖分析：墻4觀測點(diǎn)靠近10416工作面，走向上距離11月24日10416工作面推進(jìn)位置約68 m；墻3觀測點(diǎn)距離10416工作面推進(jìn)位置182 m，其位置約在10416工作面中間，由圖5可以看出11月22日之后墻4和墻3的沉降曲線增加明顯，尤其是靠近10416工作面推進(jìn)位置的墻4沉降變化曲率最大，11月22日補(bǔ)充的沉降觀測點(diǎn)416-3的沉降變化增長非常快，這與其位置密切相關(guān)；而除了3號孔、4號孔及A36觀測點(diǎn)離10416工作面距離比較遠(yuǎn)，煤柱附近沉降值變化極小外，其他觀測點(diǎn)11月22—25日前后的沉降曲線的曲率均具有明顯變化，沉降值明顯增大。根據(jù)上述分析，10416工作面在推進(jìn)到距離切面260 m附近(11月24日左右)，工作面上覆火成巖極有可能發(fā)生破斷，從而導(dǎo)致地面沉降明顯增大。因此，確定10416工作面開采火成巖初次破斷約為260 m，其值與理論分析、數(shù)值計(jì)算結(jié)果一致。

5 結(jié) 論

(1)采用薄板理論對10414工作面開采堅(jiān)硬巖層破斷進(jìn)行了力學(xué)分析，確定堅(jiān)硬火成巖初次破斷為286 m，周期破斷約為130 m。

(2)利用數(shù)值分析法分析，確定10414工作面開采堅(jiān)硬火成巖初次破斷為275～300 m，周期破斷為125～150 m；10416工作面初次破斷為250～275 m，周期破斷為100～125 m。

(3)根據(jù)對10416工作面開采地表沉降觀測數(shù)據(jù)分析，確定其工作面發(fā)生初次破斷約為260 m。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Study on Hard Strata Rupture Law of Overlying Integrated Moving Belt at Stope

Wang Qiqing Li Wenping Li Xiaoqin Sun Ruhua

(SchoolofResourcesandEarthScience，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221008，China)

In order to control water (gas) outburst and other serious secondary disasters caused by the overlying hard strata sudden rupture at stope，the hard strata rupture law of overlying integrated moving belt in a coal mining face with continuous and large mining was studied.Based on study of the geological engineering conditions in a first coal mining face，such as overlying strata spatial occurrence，rock mass structure，mechanical properties and in-situ ground stress etc，the initial rupture and cycle rupture distances of the hard igneous bedrock at stope overlying integrated moving belt at first and subsequent working face were calculated and simulated by using thin plate theory and numerical simulation methods.The results showed that the initial rupture distance of hard igneous rock at first working face was about 300 m and the cycle rupture distance was about 130 m.Because the subsequent work mining was affected by the goaf of adjacent mining face，its initial rupture distance was about 260 m and cycle rupture distance was about 120 m.The results are in accordance with the field data analysis.Research results have important significance to predict and control water inrush and gas outburst in bed separation and other geological disasters resulted from coal mining under hard strata.

Hard roof，Thin plate theory，Numerical analysis，Initial rupture，Cycle rupture

2013-12-04

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號：41172290，40572160)。

王啟慶(1989—)，男，碩士研究生。通訊作者：李文平(1965—)，男，教授，博士研究生導(dǎo)師，博士。

TD327

A

1001-1250(2014)-03-015-06