褚建偉 張基偉

(1. 呼倫貝爾學(xué)院采礦工程系，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市，021008；2. 北京中煤礦山工程有限公司，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013)

大采高工作面復(fù)合關(guān)鍵層破斷模式與礦壓顯現(xiàn)機(jī)理研究

褚建偉1張基偉2

(1. 呼倫貝爾學(xué)院采礦工程系，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市，021008；2. 北京中煤礦山工程有限公司，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013)

針對(duì)大采高工作面礦壓控制難題，利用相似模擬方法對(duì)覆巖破斷特征與礦壓顯現(xiàn)機(jī)理進(jìn)行研究，分析了覆巖運(yùn)移特征與聲發(fā)射監(jiān)測(cè)信息，提出異步及同步斷裂關(guān)鍵層破斷模式，建立了相應(yīng)的上覆巖層復(fù)合關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)模型和覆巖破斷的力學(xué)條件，總結(jié)上覆巖層移動(dòng)變形和破斷隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律，得出關(guān)鍵層同步斷裂是造成大采高工作面開采礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)的根本原因。

大采高工作面 覆巖破斷特征 相似模擬 礦壓顯現(xiàn)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)厚煤層儲(chǔ)量占煤炭資源總儲(chǔ)量的45%，大采高綜放開采技術(shù)是針對(duì)厚煤層的安全高效回采方法。相比于普通綜放采煤法，該方法具有采出率高、巷道布置優(yōu)化、煤炭資源回收率高等優(yōu)勢(shì)。但是采高的增大與推進(jìn)速度的加快會(huì)導(dǎo)致工作面覆巖垮落方式改變、煤壁片幫嚴(yán)重、支架不穩(wěn)定等問題，制約大采高采煤方法的應(yīng)用，威脅工作面安全高效的回采，阻礙了大采高開采技術(shù)的發(fā)展。一些學(xué)者針對(duì)大采高采場(chǎng)圍巖控制理論進(jìn)行了細(xì)致研究，但是大采高開采過程中覆巖結(jié)構(gòu)時(shí)空運(yùn)移的變異性以及覆巖破斷機(jī)理仍然是目前亟待解決的問題。本文以晉城寺河礦綜采工作面為工程背景，根據(jù)該礦地質(zhì)條件構(gòu)建相似材料模型試驗(yàn)臺(tái)，研究大采高覆巖破斷特征?；陉P(guān)鍵層理論，采用彈性基礎(chǔ)梁理論分析方法，建立復(fù)合關(guān)鍵層在不同斷裂模式下的力學(xué)模型和破斷準(zhǔn)則。借助聲發(fā)射測(cè)試方法對(duì)開采過程中巖層移動(dòng)產(chǎn)生的微小破裂發(fā)出的聲信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，揭示關(guān)鍵層破斷過程中聲發(fā)射信號(hào)的變化規(guī)律，尋找大采高工作面開采過程中強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的根本原因，從而為大采高開采技術(shù)推廣和安全保障提供技術(shù)支撐。

1 工程背景

寺河礦主采煤層為2號(hào)煤，傾角小于11.5°，煤層平均厚度6.2 m，走向長(zhǎng)2811 m，傾向長(zhǎng)276 m，煤層頂板為II類，裂隙較發(fā)育?；卷斢纱稚皫r組成，厚度16 m，水平層理，較堅(jiān)硬。上覆巖層由中粒砂巖和粉砂巖組成，厚度為35.4 m，泥質(zhì)膠結(jié)，巖石堅(jiān)硬，穩(wěn)定性較好。在走向長(zhǎng)壁回采過程中，往往會(huì)出現(xiàn)礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度大、冒頂、片幫等現(xiàn)象。

2 相似模擬模型建立

2.1 模型鋪設(shè)

以寺河礦綜采工作面地質(zhì)條件為背景鋪設(shè)相似模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。平面?yīng)變實(shí)驗(yàn)架的尺寸為5.0 m×0.2 m×1.5 m。根據(jù)地層分布情況確定幾何相似比為1∶100，容重相似比為1∶1.61，應(yīng)力相似比為1∶161，時(shí)間相似比為1∶10。經(jīng)計(jì)算得到各分層所需要的材料，如表1所示。

表1 相似模擬材料配比

2.2 監(jiān)測(cè)方案

相似材料模型自左端30 cm處每隔10 cm向右開采至模型右端30 cm處，預(yù)計(jì)共模擬開采430 cm，實(shí)際開采430 m。開采過程中利用經(jīng)緯儀進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)，分析大采高工作面回采期間的覆巖運(yùn)移過程。設(shè)計(jì)模擬ZY10000/28/62D支架，此支架工作阻力10000 kN(39.8 MPa)，初撐力7912 kN(31.5 MPa)，將支架與壓力監(jiān)測(cè)儀連接，監(jiān)測(cè)覆巖運(yùn)移過程中的支架壓力變化規(guī)律。在煤層下面鋪裝有壓力盒，可以監(jiān)測(cè)工作面回采過程中超前支承壓力變化特征。聲發(fā)射測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示，煤層上方埋設(shè)4個(gè)聲發(fā)射傳感器，逆時(shí)針編號(hào)依次為1#、2#、3#、4#，聲發(fā)射裝置安裝共需要挖18個(gè)孔，圖中孔位為聲發(fā)射測(cè)點(diǎn)布置位置，2#～4#測(cè)點(diǎn)觀測(cè)超前100 m范圍內(nèi)基本頂附近的信號(hào)，1#測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)上覆巖層的關(guān)鍵層破斷過程聲信號(hào)變化。隨著工作面的推進(jìn)，傳感器不斷向前轉(zhuǎn)移，保證監(jiān)測(cè)范圍為100 m。

圖1 聲發(fā)射測(cè)點(diǎn)布置圖

3 大采高工作面關(guān)鍵層復(fù)合破斷模式特征

3.1 覆巖運(yùn)移特征

工作面覆巖破壞相似模擬情況如圖2所示。由圖2可以看出，從模型左端30 cm處開始模擬工作面推進(jìn)，當(dāng)模擬工作面推進(jìn)至90 m時(shí)，關(guān)鍵層1出現(xiàn)斷裂，60 m處頂部下沉近3 m。工作面推進(jìn)至150 m時(shí)，層面間出現(xiàn)了明顯的離層，關(guān)鍵層2達(dá)到極限跨距開始破斷。初次垮落之后，隨著工作面的推進(jìn)，兩個(gè)關(guān)鍵層將按各自的周期來壓步距開始垮落，此時(shí)為兩個(gè)關(guān)鍵層復(fù)合破斷的起點(diǎn)。關(guān)鍵層2破斷后，在工作面附近逐漸形成鉸接巖梁，阻礙了關(guān)鍵層1的正?？迓?。支架后部約10 m范圍內(nèi)基本頂懸空，導(dǎo)致工作面推進(jìn)至200 m后關(guān)鍵層1來壓步距離散性較大，兩個(gè)關(guān)鍵層復(fù)合破斷步距離散性大。

試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果顯示，關(guān)鍵層1的周期來壓步距一般為25 m，關(guān)鍵層2來壓步距一般為40 m。當(dāng)工作面推進(jìn)到190 m、250 m、330 m、400 m時(shí)，關(guān)鍵層1和關(guān)鍵層2的垮落位置接近重合，為同步下沉。當(dāng)工作面推進(jìn)到220 m、285 m、300 m、350 m、380 m時(shí)，關(guān)鍵層1和關(guān)鍵層2的垮落位置不同，為異步下沉。

3.2 大采高工作面關(guān)鍵層復(fù)合斷裂模式

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果分析，寺河礦上覆巖層的巖體結(jié)構(gòu)主要是由關(guān)鍵層1和關(guān)鍵層2兩個(gè)堅(jiān)硬巖層組成?？梢詫⑸细矌r層劃分為兩組，每個(gè)分組中的軟巖層可視為堅(jiān)硬巖層上部的荷載，并隨堅(jiān)硬巖層運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。本文提出復(fù)合頂板的同步、異步斷裂模式。

模式1：關(guān)鍵層1斷裂，關(guān)鍵層2未斷裂，兩個(gè)關(guān)鍵層之間產(chǎn)生離層，工作面支架只承受關(guān)鍵層1的荷載，關(guān)鍵層2的荷載將直接作用在工作面煤壁上，如圖3(a)所示。

模式2：兩個(gè)關(guān)鍵層同時(shí)達(dá)到斷步距而同步斷裂，此時(shí)工作面支架承受兩個(gè)關(guān)鍵層垮落頂板的重量，工作面產(chǎn)生明顯來壓，如圖3(b)所示。

圖3 復(fù)合關(guān)鍵層破斷模式

3.2.1 大采高工作面關(guān)鍵層異步斷裂模式

當(dāng)關(guān)鍵層1斷裂時(shí)，關(guān)鍵層1和關(guān)鍵層2之間產(chǎn)生離層，出現(xiàn)異步斷裂，以關(guān)鍵層1的斷裂面和煤壁為邊界，建立力學(xué)模型如圖4所示。以關(guān)鍵層1的斷裂面和煤壁為邊界，建立一端固支、一端簡(jiǎn)支的力學(xué)模型。

圖4 力學(xué)模型1

根據(jù)彎曲梁理論可得到關(guān)鍵層1的撓度曲線為：

(1)

式中：y1——關(guān)鍵層1的撓度，m；

q1——關(guān)鍵層1的上覆巖層荷載，MPa；

x——水平方向取值，m；

E1——關(guān)鍵層1的彈性模量，GPa；

I1——截面慣矩，m；

L1——工作面推進(jìn)距離，m。

因此可以得到關(guān)鍵層1的上覆巖層應(yīng)力為：

(2)

式中：σ1——關(guān)鍵層1的上覆巖層應(yīng)力，MPa；

W1z——關(guān)鍵層1的截面模量，mm3。

3.2.2 大采高工作面關(guān)鍵層同步斷裂模式

當(dāng)關(guān)鍵層2斷裂時(shí)，以關(guān)鍵層2的斷裂面和煤壁處為兩個(gè)邊界，兩層細(xì)砂巖間彈簧連接，彈簧的彈性系數(shù)取Winkler地基彈性系數(shù)，建立力學(xué)模型如圖5所示。

圖5 力學(xué)模型2

根據(jù)彎曲梁理論，可知關(guān)鍵層2的最大應(yīng)力方程為：

(3)

式中：σ2——關(guān)鍵層2的上覆巖層應(yīng)力，MPa；

E2——關(guān)鍵層2的彈性模量，GPa；

I2——關(guān)鍵層2的慣性矩，m4；

E0——地基的彈性模量，GPa；

h0——墊層厚度，m；

c1——常數(shù)；

W2z——關(guān)鍵層2的截面模量，mm3。

常數(shù)c1可由下式計(jì)算：

(5)

式中：L2—同步破斷模式下推進(jìn)步距，m；

q2——同步破斷模式下上覆巖層荷載，MPa。

當(dāng)L1和L2同時(shí)滿足σ2max≥[σ2t]和σ1max≥[σ1t]，兩層關(guān)鍵層將同步斷裂。將=2790 kg/m3，E1=11 GPa，E2=11 GPa，W1z=42.6 mm3，W2z=42.6 mm3，[σ1t]=1.29 MPa，[σ2t]=1.29 MPa，k=20，E0=4.8 GPa帶入式(4)中，可得兩個(gè)關(guān)鍵層將同時(shí)斷裂的周期斷裂步距為79.6 m，與相似材料模擬試驗(yàn)結(jié)果相近。

4 大采高工作面聲發(fā)射信號(hào)特征與災(zāi)變機(jī)理

利用聲發(fā)射對(duì)大采高工作面推進(jìn)過程中覆巖關(guān)鍵層同步、異步破斷過程所產(chǎn)生的彈性波進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)覆巖出現(xiàn)裂隙時(shí)，聲發(fā)射能率較小；當(dāng)覆巖出現(xiàn)破斷的情況時(shí)，聲發(fā)射能率則會(huì)突然增大并且持續(xù)時(shí)間較短。

試驗(yàn)過程中共出現(xiàn)16次周期來壓現(xiàn)象，來壓過程中1#～4#測(cè)點(diǎn)的聲發(fā)射最大能率如圖6所示。由圖6可以看出，工作面初次來壓時(shí)，關(guān)鍵層1發(fā)生第一次斷裂，2#探頭的最大能率達(dá)到5000 mv·μs/s，其他探頭能率值較小，表明基本頂初次來壓的影響范圍靠近斷裂區(qū)域，且能量釋放較大。工作面推進(jìn)至150 m時(shí)，關(guān)鍵層2第一次斷裂，2#探頭的最大能率達(dá)到 2750 mv·μs/s，其他探頭能率值較小，表明關(guān)鍵層2斷裂的影響范圍靠近斷裂區(qū)域，且能量釋放較大。由此可知，異步斷裂的能量釋放影響范圍相對(duì)較小，最大能率值相對(duì)較低。

工作面推進(jìn)至194 m處，關(guān)鍵層1、關(guān)鍵層2同步斷裂，1#～3#探頭的能率值普遍增大，最大可達(dá)4600 mv·μs/s，可見關(guān)鍵層同步斷裂造成工作面來壓顯現(xiàn)影響范圍增大，釋放能量增加。工作面推進(jìn)至250 m、330 m、400 m時(shí)最大能率值普遍較大，超前影響范圍均超過50 m，周期來壓劇烈。由此可知，大采高工作面關(guān)鍵層同步斷裂是造成大采高工作面開采礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)的根本原因。

圖6 來壓期間聲發(fā)射最大能率

5 結(jié)論

本文通過對(duì)晉城寺河礦綜采工作面相似材料模擬，得出以下結(jié)論：

(1)根據(jù)相似材料模擬覆巖運(yùn)移特征，提出關(guān)鍵層同步斷裂與異步斷裂的破斷模式。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)工作面推進(jìn)到190 m、250 m、330 m、400 m時(shí)關(guān)鍵層發(fā)生同步斷裂，其他周期來壓時(shí)發(fā)生關(guān)鍵層異步斷裂。

(2)針對(duì)關(guān)鍵層同步斷裂與異步斷裂的破斷模式，建立兩種復(fù)合頂板的力學(xué)模型。采用彈性基礎(chǔ)梁理論求解出關(guān)鍵層同步、異步斷裂步距的解析解。

(3)結(jié)合理論分析與聲發(fā)射監(jiān)測(cè)得出，當(dāng)兩個(gè)關(guān)鍵層同步斷裂時(shí)造成工作面來壓顯現(xiàn)影響范圍增大，周期來壓劇烈。關(guān)鍵層同步斷裂是造成大采高工作面開采強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的根本原因。

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Studyonfailuremodeandminingpressurebehaviormechanismofcompositekeystratainlargeminingheightworkface

Zhu Jianwei1， Zhang Jiwei2

(1. Department of Mining Engineering， Institute of Hulun Buir， Hulun Buir， Inner Mongolia 021008， China; 2. Beijing China Coal Mine Engineering Co.， Ltd.， Chaoyang， Beijing 100013， China)

Aiming at mining pressure control problem of large mining height work face， the overlying strata failure characteristics and mining pressure mechanism was studied by similarity simulation method. The overlying strata movement characteristics and acoustic emission monitoring information were analyzed. Synchronous and asynchronous key strata breaking mode were proposed， and the corresponding structural model of overlying composite key strata and mechanical condition of overlying rock strata failure were established. The regular pattern of movement deformation and failure of the key strata was obtained varying with time and space. It was concluded that synchronous key strata breaking was the basic cause of strong mining pressure appearance in work face with large mining height.

large mining height work face， overlying strata failure characteristic， similarity simulation， mining pressure appearance

TD353

A

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC0600904)

褚建偉，張基偉. 大采高工作面復(fù)合關(guān)鍵層破斷模式與礦壓顯現(xiàn)機(jī)理研究 [J]. 中國(guó)煤炭，2017，43(11)：55-59.

Zhu Jianwei， Zhang Jiwei. Study on rupture modes of compound key strata and mine pressure mechanism of large height mining work face [J]. China Coal，2017，43(11)：55-59.

褚建偉(1982-)，男，黑龍江甘南人，碩士，講師，主要從事采礦工程、礦壓控制方面的研究。

(責(zé)任編輯 陶 賽)