王延生，張　勛，徐慶生

(1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2. 喜馬塘煤礦有限公司，云南 昭通 657206)

0　引言

神東礦區(qū)淺埋及近淺埋煤層地表地形復(fù)雜，常見(jiàn)低山丘陵地形。工程實(shí)踐證明，曾有多個(gè)工作面在過(guò)山丘地形時(shí)發(fā)生過(guò)煤壁片幫、架前漏頂?shù)炔煌潭鹊牡V壓顯現(xiàn)。目前關(guān)于山丘地形及近淺埋工作面礦壓顯現(xiàn)的相關(guān)研究有：黃慶享[1]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析得出淺埋煤層頂板破斷的主要特征為切落式破斷和臺(tái)階下沉；朱衛(wèi)兵[2]建立了淺埋工作面關(guān)鍵層破斷塊體結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，得出滑落失穩(wěn)是砌體梁結(jié)構(gòu)的主要失穩(wěn)形式；范鋼偉、張東升等[3]采用模擬實(shí)驗(yàn)得到淺埋煤層開(kāi)采時(shí)，工作面覆巖將與地表同步垮落；任艷芳、齊慶新等[4]利用相似模擬實(shí)驗(yàn)研究得到淺埋工作面關(guān)鍵層周期性破斷后裂隙貫通地表是工作面來(lái)壓的主要原因；劉國(guó)磊、樊克恭等[5]通過(guò)理論分析指出山地淺埋煤層開(kāi)采時(shí)，覆巖產(chǎn)生較大水平位移導(dǎo)致關(guān)鍵層巖塊滑落失穩(wěn)是工作面發(fā)生強(qiáng)礦壓的原因；鄭磊[6]根據(jù)物理模擬得出山地地形工作面覆巖活動(dòng)異常區(qū)裂隙貫通地表并形成多邊鉸接塊，塊體結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)決定工作面礦壓顯現(xiàn)程度；朱恒忠等[7]通過(guò)相似模擬試驗(yàn)指出山地淺埋工作面在向溝推進(jìn)時(shí)礦壓顯現(xiàn)較小，而背溝推進(jìn)時(shí)礦壓顯現(xiàn)劇烈且來(lái)壓步距??；田小松等[8]通過(guò)建立山丘地形采煤面地表變形預(yù)測(cè)模型得到山丘地形工作面地表裂縫寬度值；王延生等[9]指出山丘地形綜采面應(yīng)力增高系數(shù)與山丘高度和采高成正比，與山丘坡角成反比；王旭峰、張東升等[9-10]通過(guò)理論分析得到淺埋工作面在沖溝下回采時(shí)，坡體的回轉(zhuǎn)對(duì)工作面產(chǎn)生附加應(yīng)力，背溝回采比向溝回采時(shí)應(yīng)力增加值小，礦壓顯現(xiàn)較弱；李建偉等[11]通過(guò)理論分析指出溝谷地形淺埋工作面的地表沖溝作用造成關(guān)鍵層部分缺失，部分缺失的關(guān)鍵層失穩(wěn)時(shí)工作面發(fā)生動(dòng)載礦壓。

綜上，關(guān)于山丘地形淺埋工作面礦壓顯現(xiàn)的研究已取得一定成果。但也存在些許不足，如未能揭示山丘靜載傳遞與關(guān)鍵塊體失穩(wěn)動(dòng)載對(duì)近淺埋工作面礦壓顯現(xiàn)的疊加作用，以及山丘坡體內(nèi)不同巖層賦存狀態(tài)的不同礦壓發(fā)生機(jī)制。因此，開(kāi)展山丘地形近淺埋工作面靜動(dòng)載疊加作用下的礦壓發(fā)生機(jī)理研究具有重要意義。

1　工程概況

上灣礦12203工作面和12206工作面采1-2#煤層，地表均為低山丘陵地形，圖1為工作面地質(zhì)剖面圖。由工程實(shí)踐知，兩工作面在過(guò)山丘地形時(shí)均發(fā)生過(guò)不同程度的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)，但強(qiáng)礦壓發(fā)生位置卻不同。12203工作面在山丘上坡段回采過(guò)程中礦壓顯現(xiàn)較緩和，而下坡段強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)頻繁，周期來(lái)壓步距小，平均11.3 m，并常有頂板架后切落現(xiàn)象發(fā)生；12206工作面在山丘上坡初、上坡頂和下坡初動(dòng)載礦壓強(qiáng)烈，而在下坡段后期礦壓顯現(xiàn)緩和。表1為12203工作面和12206工作面地質(zhì)及開(kāi)采技術(shù)參數(shù)與來(lái)壓特征統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

圖1　沿工作面走向中心線工作面地質(zhì)剖面Fig.1　The geological profiles of the working faces along the center of the faces

表1　工作面地質(zhì)及開(kāi)采技術(shù)參數(shù)與來(lái)壓特征

由表1和圖1知，兩工作面開(kāi)采技術(shù)參數(shù)及地表山丘形態(tài)基本相同，但工作面地表松散層厚度差異較大，且工作面礦壓顯現(xiàn)情況差異較大。

通過(guò)對(duì)兩工作面地質(zhì)鉆孔分析及關(guān)鍵層位置判別得知，12203工作面上覆山丘坡體中表土層厚29.1 m，深部為膠結(jié)沙土，坡體中無(wú)關(guān)鍵層；而12206工作面山丘表土層薄，僅6.5 m，深部為膠結(jié)土石，在山丘坡體中存在砂巖，為山丘段工作面的主關(guān)鍵層。兩工作面山丘坡體下方煤巖層巖性參數(shù)基本相同。煤層直接頂為厚約4.3 m的泥巖和粗砂巖，基本頂為厚約8.9 m細(xì)粒砂巖?；卷斏霞s40 m處有一厚約10 m的細(xì)粒砂巖，為高位關(guān)鍵層。

根據(jù)兩工作面山丘坡體的地質(zhì)巖性參數(shù)不同，將12203和12206工作面分別定義為沙土型山丘工作面和土石型山丘工作面。巖層的不同賦存狀態(tài)導(dǎo)致了工作面礦壓顯現(xiàn)程度及作用機(jī)理的差異性。圖2為沿工作面走向作剖面，工作面關(guān)鍵層賦存情況及強(qiáng)礦壓發(fā)生位置示意圖。

圖2　不同巖層賦存山丘地形及工作面強(qiáng)礦壓發(fā)生位置Fig.2　Hilly terrain of different strata occurrence and locations of panel high pressure

2　山丘地形靜載應(yīng)力傳遞規(guī)律

根據(jù)地質(zhì)資料，12203和12206工作面地表山丘形態(tài)大致相同，山丘垂高約65 m，坡角23°～35°，山丘頂部平直部分長(zhǎng)約20 m，山丘沿工作面走向長(zhǎng)約220 m。根據(jù)工作面上覆山丘地形特征，將山丘簡(jiǎn)化為棱臺(tái)模型，沿工作面走向作坡體剖面，得到山丘靜載應(yīng)力傳遞力學(xué)模型如圖3所示。

圖3　山丘靜載力學(xué)模型Fig.3　Mechanics model of hill static load

由土力學(xué)原理知，在地基表面作用有集中壓力P時(shí)，P對(duì)平面內(nèi)任意點(diǎn)產(chǎn)生的垂直應(yīng)力σy，水平應(yīng)力σx和剪切應(yīng)力τx y分別為:

(1)

(2)

(3)

式中:r=x2+y2；x為任意點(diǎn)距P的水平距離，m；y為任意點(diǎn)距P的垂直距離，m。

由上述3式及圖3，當(dāng)下部煤巖體承受變集度分布力時(shí)，由dp=qdx，通過(guò)疊加原理可得山丘靜載向下部煤巖體傳遞的應(yīng)力情況。AB，BC，CD段載荷在M點(diǎn)產(chǎn)生的垂直應(yīng)力總和為:

(4)

其中:

同理，M點(diǎn)的水平應(yīng)力和剪切應(yīng)力分別為：

(5)

(6)

根據(jù)工作面上覆山丘地形參數(shù)，經(jīng)式(4)～(6)計(jì)算得山丘載荷向煤層傳遞的應(yīng)力如圖4所示。由圖得：山丘靜載向煤層傳遞的垂直應(yīng)力呈鐘形分布，位于山丘中心正下方的煤層承受的垂直應(yīng)力最大，為0.93 MPa，是原巖垂直應(yīng)力的19.6%，山丘中心兩側(cè)180 m范圍內(nèi)受到的傳遞應(yīng)力均大于平均值0.49 MPa。傳遞的水平應(yīng)力和剪切應(yīng)力均較小，最大值分別為0.26和0.29 MPa。

圖4　山丘靜載傳遞到工作面的集中應(yīng)力Fig.4　Centralized stress of working face transmitted by hill

3　工作面靜動(dòng)載疊加礦壓顯現(xiàn)特征

3.1　沙土型山丘靜動(dòng)載疊加礦壓顯現(xiàn)特征

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)顯示，12203沙土型山丘工作面在過(guò)山丘下坡段比上坡段礦壓顯現(xiàn)更為強(qiáng)烈，工作面主關(guān)鍵層破斷后裂隙直通地表。由于山丘坡體臨空面的存在，坡體斷裂塊受重力作用，具有沿坡面下傾的趨勢(shì)。斷裂塊在山丘上坡段和下坡段不同的傾斜回轉(zhuǎn)方向是造成兩者礦壓顯現(xiàn)差異性的主要原因。

當(dāng)工作面在山丘上坡段回采時(shí)，坡體斷裂塊逆上坡面向工作面采空區(qū)方向傾斜倒轉(zhuǎn)，上覆載荷主要作用在支架后方的采空區(qū)內(nèi)，礦壓顯現(xiàn)緩和。但由于在上坡頂山丘靜載應(yīng)力達(dá)到最大值0.93 MPa，高靜載與動(dòng)載疊加，工作面礦壓顯現(xiàn)仍較強(qiáng)烈。

當(dāng)工作面在山丘下坡段回采時(shí)(圖5)，坡體斷裂塊順下坡面向工作面煤壁方向傾斜滑移，將載荷直接作用在煤壁和支架上，造成嚴(yán)重的煤壁片幫、架前漏頂，動(dòng)載礦壓強(qiáng)烈。尤其在下坡初受山丘高靜載作用，礦壓顯現(xiàn)尤為劇烈。

圖5　下坡段巖層運(yùn)動(dòng)形態(tài)Fig.5　Movement shape of the rock in downhill section

為分析沙土型山丘工作面強(qiáng)礦壓發(fā)生機(jī)制，建立圖6所示的下坡段基本頂關(guān)鍵塊體結(jié)構(gòu)力學(xué)模型。圖中q0，q1，q2為坡體載荷；hi為塊體埋深；W1，W2為塊體B和C的下沉量，W1=l1sinθ1，W2=l1sinθ1+l2sinθ2；θ1，θ2為塊體B和C的回轉(zhuǎn)角；a=0.5(h-l1sinθ1)為巖塊鉸接點(diǎn)距其端點(diǎn)的距離；T為巖塊所受的水平推力，可取T在B塊和C塊的作用點(diǎn)位置均為0.5a處，分別記為點(diǎn)B和點(diǎn)C；Q1，Q2分別為鉸接點(diǎn)B和C處的剪力；R2為C塊體下部巖層對(duì)其的支撐力；B塊和C塊在O點(diǎn)鉸接；h為關(guān)鍵層厚度；l1，l2分別為巖塊B和C的長(zhǎng)度。

圖6　下坡段基本頂破斷結(jié)構(gòu)模型Fig.6　Broken structure model of key stratum in downhill section

對(duì)圖6中的B點(diǎn)取矩，由∑MB=0得：

(7)

由∑Mo=0得：

(8)

由∑Y=0得：

(9)

取C塊下部支撐力等于其上覆載荷，有：

(10)

聯(lián)立式(7)～(10)，并取關(guān)鍵塊體長(zhǎng)度相等，可得:

(11)

設(shè)山丘坡角為α，關(guān)鍵層覆巖容重為γ，則

q1=q0+γltanα，q2=q0+2γltanα

(12)

(13)

(14)

由式(9)、(10)和(14)得：

(15)

由工程實(shí)踐知，山丘地形淺埋工作面回采過(guò)程中頂板易發(fā)生架后切落而造成工作面動(dòng)載礦壓顯現(xiàn)，即關(guān)鍵塊體B易滑落失穩(wěn)。為保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定而不發(fā)生滑落失穩(wěn)，B塊受力應(yīng)滿足:

Ttanφ≥Q1

(16)

式中：tanφ為關(guān)鍵塊體間的摩擦系數(shù)。將式(13)和(15)代入式(16)得：

上式即為塊體B不發(fā)生滑落失穩(wěn)的力學(xué)條件。式中可取tanφ為0.3，γ=23 kN/m3，θ1為3°左右；由12203工作面下坡段來(lái)壓步距知，l為6.8～17 m；隨工作面在山丘下坡段的推進(jìn)位置不同和不同的山丘坡角α，關(guān)鍵塊體B上覆載荷q0的取值不同。

經(jīng)計(jì)算，防止工作面下坡段結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的塊體斷裂度應(yīng)滿足：i≤0.22。但根據(jù)地質(zhì)資料知h=8.9 m，且l為6.8～17 m，則實(shí)際塊體斷裂度i′=(0.52～1.31)>0.22，顯然巖塊結(jié)構(gòu)難以保持穩(wěn)定，若無(wú)合理的支護(hù)控制措施，必然發(fā)生滑落失穩(wěn)，造成工作面動(dòng)載礦壓顯現(xiàn)。

3.2　土石型山丘工作面靜動(dòng)載疊加礦壓顯現(xiàn)特征

3.2.1上坡初動(dòng)載礦壓顯現(xiàn)特征

當(dāng)工作面回采至山丘上坡初時(shí)，未破斷的山丘段主關(guān)鍵層可簡(jiǎn)化為如圖7(a)所示的懸臂梁結(jié)構(gòu)。主關(guān)鍵層初次破斷后，由于山丘坡體臨空面的存在，導(dǎo)致初次破斷的巖塊缺少側(cè)向擠壓力的作用而滑落失穩(wěn)，并在斷裂面處產(chǎn)生較大豎向錯(cuò)斷位移。失穩(wěn)的主關(guān)鍵層破斷塊體結(jié)構(gòu)將其承載載荷傳遞于下部煤巖層，造成下位關(guān)鍵層塊體結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)，進(jìn)而導(dǎo)致工作面動(dòng)載礦壓顯現(xiàn)。圖7(b)為上坡初主關(guān)鍵層初次破斷后巖層的運(yùn)動(dòng)形態(tài)。

圖7　上坡初巖層結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型Fig.7　Strata structure movement model of uphill beginning

由于關(guān)鍵層先、后破斷的巖塊承受的山丘靜載應(yīng)力始終處于不均衡狀態(tài)，促使關(guān)鍵塊體間的豎向錯(cuò)斷距增大，塊體間僅形成弱鉸接結(jié)構(gòu)。

3.2.2上坡頂靜動(dòng)載疊加礦壓發(fā)生機(jī)制

當(dāng)工作面在山丘上坡頂下方回采時(shí)，山丘靜載達(dá)到最大值0.93 MPa。當(dāng)弱鉸接的關(guān)鍵塊體結(jié)構(gòu)達(dá)到其臨界承載能力時(shí)，極易發(fā)生滑落失穩(wěn)，進(jìn)而導(dǎo)致工作面發(fā)生由靜載激發(fā)的動(dòng)載礦壓顯現(xiàn)，這也是12206工作面回采至上坡頂下方時(shí)再次發(fā)生強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的根本原因。為分析工作面回采至山丘上坡頂時(shí)的礦壓發(fā)生機(jī)制，建立如圖8所示的基本頂“砌體梁”結(jié)構(gòu)力學(xué)模型。

圖8　基本頂破斷塊體結(jié)構(gòu)力學(xué)模型Fig.8　Structure mechanic model of basic roof broken block

在平衡條件下，由結(jié)構(gòu)中受力關(guān)系可得：

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，非山丘地形的工作面基本頂破斷后，兩相鄰巖塊的斜率近似相等。則要求“砌體梁”結(jié)構(gòu)平衡時(shí)所需的水平推力為：

然而，對(duì)于土石型山丘地形工作面，山丘坡體中主關(guān)鍵層在上坡初初次破斷后的動(dòng)載礦壓使得關(guān)鍵塊體間豎向錯(cuò)斷位移較大，即有η4>η3>η2>η1，故(η1-η2)+(η3-η4)<0。則要求結(jié)構(gòu)平衡時(shí)所需的水平推力為:

顯然T′>T，即山丘地形工作面基本頂砌體梁結(jié)構(gòu)更易失穩(wěn)。

3.2.3下坡段工作面礦壓顯現(xiàn)分析

當(dāng)工作面推進(jìn)至下坡初時(shí)，呈弱咬合的關(guān)鍵層破斷塊體結(jié)構(gòu)受到山丘高靜載作用，使工作面再次發(fā)生由靜載激發(fā)的動(dòng)載礦壓顯現(xiàn)。在之后的下坡段回采過(guò)程中，山丘靜載作用逐漸減小，巖塊間咬合作用不斷加強(qiáng)，豎向錯(cuò)斷距逐步得到修正，故一般不再發(fā)生強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)。

4　山丘地形礦壓演化規(guī)律數(shù)值模擬

采用FLAC3D進(jìn)行山丘地形礦壓演化規(guī)律數(shù)值計(jì)算。根據(jù)12203和12206工作面地質(zhì)及開(kāi)采條件等確定模型尺寸，模型長(zhǎng)480 m，寬400 m，高233 m。模型寬度方向?yàn)楣ぷ髅骈L(zhǎng)度方向，模型長(zhǎng)度方向?yàn)楣ぷ髅孀呦?。模擬12203工作面長(zhǎng)300 m，12206工作面長(zhǎng)310 m，兩工作面采高均為6 m，推進(jìn)長(zhǎng)度均為380 m。由于煤層傾角較小，本模型按水平煤層計(jì)算，山丘簡(jiǎn)化為規(guī)則的棱臺(tái)模型。在模型側(cè)面設(shè)置水平位移約束，底面設(shè)置垂直位移約束，模型上部為自由面。按地質(zhì)資料對(duì)煤巖層參數(shù)賦值，表2為各主要巖層及其物理力學(xué)參數(shù)。由于模型上部已達(dá)地表，故不再施加外載荷。

表2　各主要巖層及其物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)模擬結(jié)果，沿工作面走向中心線作剖面得工作面在不同推進(jìn)位置的垂直應(yīng)力云圖，其中圖9為12206工作面在上坡頂和12203工作面在下坡初的垂直應(yīng)力云圖，圖10為兩工作面在不同推進(jìn)位置的超前支承壓力應(yīng)力增高系數(shù)變化曲線。

圖9　山丘地形沿工作面走向垂直應(yīng)力云圖Fig.9　Distribution of vertical stress along the panel trend under the hill

圖10　工作面不同回采位置的應(yīng)力增高系數(shù)Fig.10　Stress increasing coefficient of different locations

由圖10知：當(dāng)工作面地表為平直地形時(shí)，應(yīng)力增高系數(shù)較小，基本穩(wěn)定在2.3左右；當(dāng)工作面在上坡段推進(jìn)過(guò)程中，土石型山丘工作面應(yīng)力增高系數(shù)大于沙土型山丘工作面，尤其是在上坡初和上坡頂位置，其中在上坡頂達(dá)到最大值3.17，可見(jiàn)在山丘上坡段土石型山丘工作面礦壓顯現(xiàn)更為強(qiáng)烈；當(dāng)工作面在下坡段回采時(shí)，沙土型山丘工作面應(yīng)力增高系數(shù)明顯大于土石型山丘工作面，尤其是在下坡初階段，其中在下坡初達(dá)到最大值3.4，可見(jiàn)在山丘下坡段沙土型山丘工作面礦壓顯現(xiàn)更為強(qiáng)烈。

5　結(jié)論

1)根據(jù)神東礦區(qū)淺埋煤層地表山丘地形的巖層賦存狀態(tài)，可將山丘地形可分為坡體中無(wú)關(guān)鍵層的沙土型山丘和有關(guān)鍵層的土石型山丘。山丘靜載向工作面?zhèn)鬟f的垂直應(yīng)力呈鐘形分布，山丘高靜載易激發(fā)呈弱鉸接結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵塊體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。山丘地形工作面在山丘坡體中的覆巖巖性及組成結(jié)構(gòu)的不同是導(dǎo)致沙土型山丘工作面和土石型山丘工作面礦壓顯現(xiàn)差異的主要原因。

2)山丘坡體的傾斜回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是沙土型山丘工作面發(fā)生強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的主導(dǎo)因素，坡體傾斜回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向與工作面推進(jìn)方向之間的關(guān)系決定了工作面在上、下坡段礦壓顯現(xiàn)的程度。在上坡段，山丘坡體逆工作面推進(jìn)方向向采空區(qū)傾斜倒轉(zhuǎn)，礦壓顯現(xiàn)較弱；在下坡段，山丘坡體順工作面推進(jìn)方向向煤壁傾斜滑移，工作面動(dòng)載礦壓強(qiáng)烈。

3)土石型山丘工作面的礦壓顯現(xiàn)主要受坡體中關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制。坡體臨空面的存在導(dǎo)致關(guān)鍵層初次斷裂的巖塊缺少側(cè)向擠壓力的作用而滑落失穩(wěn)是工作面在上坡初動(dòng)載礦壓的發(fā)生機(jī)制。山丘高靜載應(yīng)力與上坡初動(dòng)載后效的疊加作用是上坡頂和下坡初發(fā)生強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的根本原因。

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