郭文兵，趙高博，白二虎

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000; 2.煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000)

煤礦開(kāi)采是一次對(duì)礦區(qū)地層的擾動(dòng)，必然引起上覆巖層的破壞和應(yīng)力場(chǎng)與裂隙場(chǎng)的改變，其中引起的覆巖破壞高度(也稱(chēng)“導(dǎo)水裂隙帶高度”，即垮落帶與裂縫帶高度的總和)對(duì)水體下采煤、保水開(kāi)采、瓦斯治理的解放層開(kāi)采等均具有重要意義[1-3]。

錢(qián)鳴高等[4]提出的關(guān)鍵層理論對(duì)采場(chǎng)上覆巖層活動(dòng)及其結(jié)構(gòu)形態(tài)提供了一種重要的思想和方法;許家林等[5-6]在此基礎(chǔ)上結(jié)合工程探測(cè)的方法，研究了關(guān)鍵層位置對(duì)覆巖破壞高度的影響，并提出了一種基于關(guān)鍵層位置預(yù)計(jì)覆巖破壞高度的方法;郭文兵等[7-8]研究了覆巖破壞傳遞的過(guò)程，并將覆巖破壞劃分為兩個(gè)階段:覆巖破壞非充分采動(dòng)階段和覆巖破壞充分采動(dòng)，基于此提出了一種基于覆巖破壞傳遞的覆巖破壞高度預(yù)計(jì)方法;高延法等[9-10]研究了覆巖裂縫與巖層拉伸變形之間的關(guān)系，并提出了一種考慮覆巖組合結(jié)構(gòu)與巖層拉伸變形的覆巖破壞高度預(yù)計(jì)方法。

上述研究針對(duì)預(yù)計(jì)覆巖破壞高度的方法取得了較大的進(jìn)展，但關(guān)于如何控制覆巖破壞高度的研究較少。其中關(guān)于近水體下安全采煤的技術(shù)措施之一是:縮短工作面開(kāi)采尺寸[11]，但具體將工作面尺寸縮短為多少時(shí)可以控制覆巖破壞高度尚不明確。

因此，筆者基于覆巖破壞充分采動(dòng)的定義，分析了其特征及影響因素，采用理論分析、數(shù)值模擬，研究給出了高強(qiáng)度開(kāi)采覆巖破壞充分采動(dòng)的判據(jù)。

1 覆巖破壞充分采動(dòng)特征及影響因素

根據(jù)文獻(xiàn)[8]，覆巖破壞充分程度可劃分為:覆巖破壞非充分采動(dòng)和覆巖破壞充分采動(dòng)，并將覆巖破壞充分采動(dòng)定義為某一工作面開(kāi)采引起的覆巖破壞高度達(dá)到其采礦地質(zhì)條件下的最大值，且隨開(kāi)采尺寸的增加，其高度不再增加的階段。

為分析覆巖破壞非充分采動(dòng)與充分采動(dòng)的特征及影響覆巖破壞充分采動(dòng)的因素，給出了覆巖破壞過(guò)程及覆巖破壞非充分采動(dòng)、充分采動(dòng)的示意圖(圖1)。

由圖1可知，當(dāng)工作面推進(jìn)距離為L(zhǎng)S1時(shí)，僅形成垮落帶(圖1(a));隨著推進(jìn)距離的增加覆巖破壞向上發(fā)育，裂縫帶形成(圖1(b))，且與未破壞巖層之間存在較大的離層裂縫(空間);若推進(jìn)距離繼續(xù)增加，覆巖破壞高度增加且離層裂縫(空間)減小，這處于覆巖破壞非充分采動(dòng)階段。

當(dāng)推進(jìn)距離為L(zhǎng)′S，裂縫帶的巖塊與彎曲下沉帶的巖層將存在點(diǎn)與面、線(xiàn)與面以及面與面的接觸且相互作用，這時(shí)離層將趨于閉合，覆巖破壞高度發(fā)育到最大值，達(dá)到覆巖破壞充分采動(dòng)。因此，覆巖破壞充分采動(dòng)的特征為:① 裂縫帶與彎曲下沉帶之間的離層裂縫趨于閉合;② 覆巖破壞高度隨著推進(jìn)距離的增加不再增加;③ 覆巖破壞高度達(dá)到最大值。

基于上述分析可知，直接影響覆巖破壞充分采動(dòng)的因素主要有推進(jìn)距離(LS)、離層高度(Δ)、以及覆巖破壞最大高度(Hmax)。另外，離層高度與開(kāi)采厚度(M)、各巖層厚度(hi)、覆巖碎脹系數(shù)(K)有關(guān)[12-13];《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》中計(jì)算覆巖破壞高度的經(jīng)驗(yàn)公式表明其與采煤方法、覆巖巖性及開(kāi)采厚度有關(guān)[15];根據(jù)文獻(xiàn)[8]提出的臨界工作面傾向長(zhǎng)度公式及文獻(xiàn)[16]可知，覆巖充分采動(dòng)的影響因素有開(kāi)采尺寸、開(kāi)采厚度、開(kāi)采深度、覆巖巖性。因此，綜合分析可知影響覆巖破壞充分采動(dòng)的因素主要有工作面開(kāi)采尺寸(走向、傾向長(zhǎng)度)、開(kāi)采厚度、開(kāi)采深度、覆巖巖性。

2 覆巖破壞充分采動(dòng)理論

為定性分析上述因素對(duì)覆巖破壞充分采動(dòng)的影響，從二維平面及三維空間的角度對(duì)覆巖破壞充分采動(dòng)進(jìn)行理論分析。

圖1 覆巖破壞過(guò)程及覆巖破壞非充分采動(dòng)、充分采動(dòng)Fig.1 Overburden failure process and overburden failure of subcritical and critical

2.1 二維覆巖破壞充分采動(dòng)理論

覆巖破壞主要是由于工作面推進(jìn)距離增加引起的，且覆巖運(yùn)移最終傳遞至地表形成下沉盆地。簡(jiǎn)言之，二維平面下采空區(qū)面積的增加引起了覆巖破壞面積與地表下沉面積的增加。根據(jù)覆巖破壞傳遞的過(guò)程[7]，覆巖破壞后的形態(tài)由于覆巖巖層懸伸距的存在將呈現(xiàn)為“梯形”，基于此將覆巖預(yù)破壞面積簡(jiǎn)化為梯形的面積(與工作面推進(jìn)距離、覆巖破斷角及覆巖破壞高度有關(guān))，采空區(qū)面積簡(jiǎn)化為矩形的面積(與工作面推進(jìn)距離和開(kāi)采厚度)，如圖2所示。

圖2 二維覆巖破壞充分采動(dòng)“梯形-面積”分析示意Fig.2 Overburden critical failure analysis based on the area of trapezoid from two-dimensional perspective

由圖2可知，工作面推進(jìn)至位置1時(shí)，采空區(qū)矩形面積為SG1，上覆巖層預(yù)破壞梯形面積為SO1，覆巖破壞后的面積由于破壞巖層碎脹系數(shù)增長(zhǎng)至SO1K1，且地表下沉面積為SS1，這時(shí)覆巖破壞高度為H1，失穩(wěn)巖層與未失穩(wěn)巖層的離層高度為Δ1，地表下沉值為W1。當(dāng)工作面推進(jìn)至位置2時(shí)，覆巖破壞高度增大至H2，離層高度減小為Δ2，地表下沉值為W2。工作面推進(jìn)至位置1和位置2時(shí)均處于覆巖破壞非充分采動(dòng)，采空區(qū)矩形面積(SG)與上覆巖層預(yù)破壞梯形面積(SO)的總和>覆巖破壞后的面積(SOK)與地表下沉面積的總和(SS)，即

SG+SO>SOK+SS

(1)

式中，K為覆巖破壞后的碎脹系數(shù)。

當(dāng)工作面推進(jìn)至位置3時(shí)，覆巖破壞發(fā)育至最大高度，達(dá)到覆巖破壞充分采動(dòng)階段，即:理論上失穩(wěn)巖層與未失穩(wěn)巖層的離層高度減小至Δ3=0，且采空區(qū)矩形面積與上覆巖層預(yù)破壞梯形面積被覆巖破壞后的面積與地表下沉面積完全替換。這時(shí)，采空區(qū)矩形面積、上覆巖層預(yù)破壞梯形面積、上覆巖層破壞后的面積、地表下沉面積的關(guān)系為

SG+SO=SOK+SS

(2)

SG=MLS

(3)

(4)

(5)

式中，Hi為工作面推進(jìn)至位置i時(shí)的覆巖破壞高度，m;α為覆巖破斷角均值，(°);r為主要影響半徑，為開(kāi)采深度(H)與主要影響角正切(tanβ)的比值，m;W(x)為走向主斷面內(nèi)的半無(wú)限開(kāi)采地表下沉曲線(xiàn)公式。

聯(lián)合式(2)～(5)可得

式中，L′S為二維平面覆巖破壞充分采動(dòng)時(shí)的工作面推進(jìn)距離，m。

解式(6)得

(7)

因此，得到了二維平面下覆巖破壞充分采動(dòng)時(shí)覆巖破壞最大高度(Hmax)的理論計(jì)算公式。

當(dāng)工作面推進(jìn)至位置3時(shí)，雖然覆巖破壞處于充分采動(dòng)階段(覆巖破壞高度達(dá)到最大)，但失穩(wěn)垮落巖塊間的空隙、空間比較發(fā)育，失穩(wěn)巖層間的離層裂縫仍未完全閉合，覆巖彎曲變形尚未完全傳遞至地表，因此，此時(shí)的地表下沉值為W3,尚未達(dá)到最大，處于地表非充分采動(dòng)階段。當(dāng)工作面推進(jìn)至位置4時(shí)，覆巖破壞高度不再增加，處于覆巖破壞超充分階段，這時(shí)地表下沉值將達(dá)到最大值Wmax，進(jìn)入地表充分采動(dòng)階段。

另外，根據(jù)上述分析，可得到覆巖“兩帶”破壞模式(垮落帶和裂縫帶)的判別式為

Hmax+HC+Wmax>H

(8)

式中，HC為地表裂縫的深度，m;Wmax為地表下沉最大值，m。

2.2 三維覆巖破壞充分采動(dòng)理論

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作面的回采處于三維的空間，為進(jìn)一步分析現(xiàn)場(chǎng)的覆巖破壞充分采動(dòng)，將上述二維平面覆巖破壞“梯形-面積”轉(zhuǎn)化為三維空間覆巖破壞，則需要考慮工作面傾向長(zhǎng)度(LD)，如圖3所示。

圖3 三維覆巖破壞充分采動(dòng)“四棱臺(tái)-體積”分析示意Fig.3 Overburden critical failure analysis based on the volume of four prism from three-dimensional perspective

與上述二維平面覆巖破壞理論分析類(lèi)似，將“梯形-面積”轉(zhuǎn)化為“四棱臺(tái)-體積”，因此當(dāng)覆巖破壞處于非充分采動(dòng)，有

VG+VO>VOK+VS

(9)

式中,VG為采空區(qū)長(zhǎng)方體體積，m3;VO為上覆巖層預(yù)破壞四棱臺(tái)體積，m3;VS為地表下沉體積，m3。

當(dāng)達(dá)到覆巖破壞充分采動(dòng)時(shí)，有

VG+VO=VOK+VS

(10)

其中，

VG=MLSLD

(11)

(12)

(13)

式中，W(y)為傾向主斷面內(nèi)的半無(wú)限開(kāi)采地表下沉曲線(xiàn)公式[10]。

聯(lián)合式(10)～(13)得

(14)

式中，L′S為三維空間覆巖破壞充分采動(dòng)時(shí)的工作面推進(jìn)距離，m。

解式(14)得

(15)

因此，得到三維空間下覆巖破壞充分采動(dòng)時(shí)覆巖破壞高度(Hmax)理論計(jì)算公式。

綜合式(7)，(15)可知，覆巖破壞充分采動(dòng)時(shí)的覆巖破壞最大高度與開(kāi)采厚度、開(kāi)采尺寸、開(kāi)采深度、覆巖破壞后的碎脹系數(shù)以及覆巖破斷角有關(guān)，且與開(kāi)采厚度、工作面推進(jìn)距離、覆巖破斷角成正相關(guān)關(guān)系，與覆巖破壞后的碎脹系數(shù)、地表下沉面積、體積成負(fù)相關(guān)關(guān)系。

根據(jù)上述分析，創(chuàng)新性的將長(zhǎng)壁開(kāi)采三維覆巖破壞及地表下沉簡(jiǎn)化為4類(lèi)采動(dòng)影響體積(采空區(qū)長(zhǎng)方體體積、上覆巖層預(yù)破壞四棱臺(tái)體積、覆巖破壞后的體積與地表下沉體積)之間的關(guān)系，較為直觀(guān)的體現(xiàn)了長(zhǎng)壁開(kāi)采導(dǎo)致的覆巖破壞與地表下沉，并將采動(dòng)覆巖破壞與地表沉陷的準(zhǔn)靜態(tài)建立了聯(lián)系。

3 覆巖破壞充分采動(dòng)數(shù)值模擬

根據(jù)上述覆巖破壞充分采動(dòng)理論分析，得到了二維平面及三維空間下覆巖破壞充分采動(dòng)時(shí)覆巖破壞高度理論表達(dá)式，可用于定性分析各個(gè)影響因素之間的關(guān)系，但因其形式復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用困難，因此有必要對(duì)覆巖破壞充分采動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

3.1 數(shù)值模擬方案

3.1.1高強(qiáng)度開(kāi)采工作面概況

選取神東沙吉海煤礦B1003W01工作面為研究對(duì)象，該工作面平均采深約280 m，走向長(zhǎng)度1 930 m，工作面傾斜寬度210 m，推進(jìn)速度為5.8 m/d，煤層傾角平均13°，開(kāi)采厚度平均為6.5 m，綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采，符合高強(qiáng)度開(kāi)采工作面的定義及特征[17-18]。根據(jù)實(shí)測(cè)資料[19]，該礦最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力的比值介于1.79～1.91，平均1.85;最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值介于1.47～1.54，平均1.50。根據(jù)地應(yīng)力測(cè)量，沙吉海煤礦最大水平主應(yīng)力與工作面推進(jìn)方向的夾角<20°，取18°，工作面上覆巖層巖性屬于軟弱。綜合相關(guān)鉆孔，工作面上覆巖層180 m范圍內(nèi)的覆巖柱狀如圖4所示。

3.1.2數(shù)值模擬方案及模型建立

根據(jù)上述分析的覆巖破壞充分采動(dòng)影響因素，借助3DEC離散元數(shù)值模擬軟件分別模擬開(kāi)采不同厚度(3.5，6.5，9.5，12.5，15.5 m)、不同傾向長(zhǎng)度(180，210，240，270，300 m)、不同開(kāi)采深度(180，280，380，480，580 m)時(shí)覆巖達(dá)到充分采動(dòng)程度的工作面推進(jìn)距離。

圖4 覆巖柱狀Fig.4 Overburden strata structure

另外，如圖5所示，模擬沙吉海煤礦B1003W01高強(qiáng)度開(kāi)采工作面與最大主應(yīng)力的夾角為18°，走向長(zhǎng)度為300 m，每15 m開(kāi)挖1次，共開(kāi)挖20步。為去除邊界效應(yīng)，邊界煤柱為100～193 m。模擬工作面上覆巖層范圍為180 m，并在模型上方施加未模擬的100 m巖層載荷2.5 MPa;工作面底板巖層總厚度為40 m。三維數(shù)值模型尺寸為:550 m×511 m×226.5 m(長(zhǎng)×寬×高)。

3.1.3數(shù)值模擬模型校核基于沙吉海B1003W01高強(qiáng)度開(kāi)采工作面原采礦地質(zhì)條件，考慮最大、最小水平主應(yīng)力的比值、最大水平主應(yīng)力與豎直應(yīng)力的比值，模擬開(kāi)采厚度6.5 m，工作面傾向長(zhǎng)度210 m，開(kāi)采深度280 m時(shí)的覆巖破壞情況，并對(duì)模型進(jìn)行校核，其中覆巖各巖層及其節(jié)理的模擬力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖5 數(shù)值模擬模型尺寸及工作面布置Fig.5 Size of numerical simulation model and panel layout

以節(jié)理法向位移判斷覆巖裂隙發(fā)育情況，進(jìn)而得到覆巖破壞高度，沙吉海B1003W01工作面部分覆巖破壞高度發(fā)育過(guò)程中的節(jié)理法向位移圖如圖6所示。

表1 覆巖各巖層及節(jié)理模擬力學(xué)參數(shù)Table 1 Parameters of mining strata and block contact face

圖6 沙吉海B1003W01工作面覆巖破壞法向節(jié)理位移Fig.6 Joint normal displacement of overburden failure of No.B1003W01 panel in shajihai coal mine

由圖6可知，當(dāng)工作面推進(jìn)至180 m時(shí)覆巖破壞最大高度為89 m，達(dá)到覆巖破壞充分采動(dòng)，其覆巖破壞發(fā)育過(guò)程及三維覆巖破壞充分采動(dòng)節(jié)理法向位移圖如圖7，8所示。

圖7 沙吉海B1003W01工作面覆巖破壞高度發(fā)育曲線(xiàn)Fig.7 Curve of overburden failure of No.B1003W01 panel in shajihai coal mine

由數(shù)值模擬可知，覆巖破壞最大高度(89 m)和初次來(lái)壓步距(30 m)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的76～82 m,28～35 m相近[20]，數(shù)值模擬模型合理，可用于不同開(kāi)采厚度、傾向長(zhǎng)度及深度的數(shù)值模擬分析。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果

3.2.1不同開(kāi)采厚度對(duì)覆巖破壞充分采動(dòng)的影響

不同開(kāi)采厚度的覆巖破壞高度發(fā)育過(guò)程及達(dá)到覆巖破壞充分采動(dòng)時(shí)的推進(jìn)距離曲線(xiàn)如圖9所示。

圖8 沙吉海B1003W01工作面覆巖破壞充分采動(dòng)時(shí)的三維節(jié)理法向位移Fig.8 Joint normal displacement of overburden critical failure of No.B1003W01 panel from 3D perspective

圖9 開(kāi)采厚度對(duì)覆巖破壞充分采動(dòng)的影響分析Fig.9 Influence of the mining height on overburden critical failure in shajihai coal mine

由圖9可知，開(kāi)采厚度越大，覆巖破壞達(dá)到充分采動(dòng)的推進(jìn)距離越大。開(kāi)采厚度(M)與覆巖破壞充分采動(dòng)時(shí)的推進(jìn)距離(L′S)關(guān)系式為

L′S=102.1lnM-16.324,R2=0.981

(16)

3.2.2不同傾向長(zhǎng)度對(duì)覆巖破壞充分采動(dòng)的影響

不同傾向長(zhǎng)度的覆巖破壞高度發(fā)育過(guò)程及達(dá)到覆巖破壞充分采動(dòng)時(shí)的推進(jìn)距離曲線(xiàn)如圖10所示。

由圖10可知，傾向長(zhǎng)度越大，覆巖破壞達(dá)到充分采動(dòng)的推進(jìn)距離越小。傾向長(zhǎng)度(LD)與覆巖破壞充分采動(dòng)時(shí)的推進(jìn)距離(L′S)關(guān)系式為

L′S=-0.5LD+285,R2=1

(17)

3.2.3不同開(kāi)采深度對(duì)覆巖破壞充分采動(dòng)的影響

不同開(kāi)采深度的覆巖破壞高度發(fā)育過(guò)程及達(dá)到覆巖破壞充分采動(dòng)時(shí)的推進(jìn)距離曲線(xiàn)如圖11所示。

由圖11可知，開(kāi)采深度越大，覆巖破壞達(dá)到充分采動(dòng)的推進(jìn)距離越小。開(kāi)采深度(H)與覆巖破壞充分采動(dòng)時(shí)的推進(jìn)距離(L′S)關(guān)系式為

L′S=-0.27H+246.6,R2=0.976

(18)

根據(jù)上述分析可知，覆巖破壞充分采動(dòng)時(shí)的推進(jìn)距離與開(kāi)采厚度成正相關(guān)，與傾向長(zhǎng)度、開(kāi)采深度成負(fù)相關(guān)。

圖10 傾向長(zhǎng)度對(duì)覆巖破壞充分采動(dòng)的影響分析Fig.10 Influence of the panel dip length on overburden critical failure

圖11 開(kāi)采深度對(duì)覆巖破壞充分采動(dòng)的影響分析Fig.11 Influence of the mining depth on overburden critical failure

另外，就沙吉海礦地質(zhì)采礦條件而言，通過(guò)上述數(shù)值模擬結(jié)果分析可得:

(1)覆巖破壞高度隨高強(qiáng)度開(kāi)采工作面推進(jìn)距離的增加而增加，且與開(kāi)采厚度成明顯的正相關(guān)關(guān)系(圖9)，與上述式(7)，(15)的覆巖破壞最大高度公式理論分析結(jié)果相吻合。

(2)當(dāng)高強(qiáng)度開(kāi)采工作面的傾向長(zhǎng)度大于180 m時(shí)，覆巖破壞高度不再隨工作面傾向長(zhǎng)度的增加而增加(圖10)。

(3)覆巖破壞高度與開(kāi)采深度(180～580 m)成一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

4 高強(qiáng)度開(kāi)采覆巖破壞充分采動(dòng)判據(jù)

4.1 覆巖破壞充分采動(dòng)模擬結(jié)果

為進(jìn)一步分析高強(qiáng)度開(kāi)采覆巖破壞充分采動(dòng)，對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行匯總，見(jiàn)表2。

表2 中硬或軟弱覆巖破壞充分采動(dòng)模擬結(jié)果匯總Table 2 Summary of simulation results of overburden critical failure m

據(jù)表2，深厚比(H/M)與覆巖破壞充分采動(dòng)時(shí)的推進(jìn)距離(L′S)的關(guān)系曲線(xiàn)如圖12所示。由圖12可知，深厚比與覆巖破壞達(dá)到充分采動(dòng)的推進(jìn)距離成負(fù)相關(guān)，關(guān)系式為

(18)

4.2 高強(qiáng)度開(kāi)采覆巖破壞充分采動(dòng)判據(jù)

根據(jù)上述分析，覆巖破壞充分采動(dòng)時(shí)推進(jìn)距離(L′S)與工作面傾向長(zhǎng)度(LD)、深厚比(H/M)成反比。綜合分析得到工作面傾向長(zhǎng)度與深厚比的乘積對(duì)覆巖破壞充分采動(dòng)時(shí)推進(jìn)距離的影響曲線(xiàn)，如圖13所示。

圖12 深厚比與覆巖破壞充分采動(dòng)時(shí)的推進(jìn)距離的關(guān)系Fig.12 Ratio of mining depth and mining height vs.advanced distance at overburden critical failure stage

圖13 傾向長(zhǎng)度與深厚比的乘積與覆巖破壞充分采動(dòng)時(shí)的推進(jìn)距離的關(guān)系Fig.13 Product of dip length and ratio of mining depth and mining height vs.advanced distance at overburden critical failure stage

由圖13得到高強(qiáng)度開(kāi)采工作面覆巖破壞充分采動(dòng)的判定公式:

(19)

式中，覆巖巖性為中硬或軟弱;開(kāi)采厚度為3.5～15.5 m;傾向長(zhǎng)度為180～300 m;開(kāi)采深度為180～580 m。

4.3 工程實(shí)例驗(yàn)證

選取了8個(gè)高強(qiáng)度開(kāi)采工作面，應(yīng)用式(19)進(jìn)行核算，驗(yàn)證判據(jù)公式的合理性，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

根據(jù)上述結(jié)果，得到高強(qiáng)度開(kāi)采工作面達(dá)到覆巖破壞充分時(shí)推進(jìn)距離均小于其開(kāi)采深度，說(shuō)明覆巖破壞達(dá)到充分采動(dòng)提前于地表達(dá)到充分采動(dòng)(需要達(dá)到1.2H～1.4H)。另外，根據(jù)高強(qiáng)度開(kāi)采覆巖破壞充分采動(dòng)判據(jù)，將工作面推進(jìn)距離縮短至小于臨界推進(jìn)距離時(shí)可控制覆巖破壞高度。

另外，目前覆巖破壞高度現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較多，但這些實(shí)測(cè)結(jié)果尚不能確定其是否在覆巖破壞充分采動(dòng)階段測(cè)得的最大值，根據(jù)本文提出的覆巖破壞充分采動(dòng)判據(jù)式(19)，可計(jì)算得到高強(qiáng)度開(kāi)采工作面達(dá)到覆巖破壞充分采動(dòng)時(shí)所需的推進(jìn)距離，當(dāng)高強(qiáng)度開(kāi)采工作面推進(jìn)距離滿(mǎn)足覆巖破壞充分采動(dòng)時(shí)，可在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)出覆巖破壞最大高度。

表3 高強(qiáng)度開(kāi)采工作面覆巖破壞充分采動(dòng)推進(jìn)距離Table 3 Advanced distances at overburden critical failure stage with some high-intensity mining panel

5 結(jié) 論

(1)分析了覆巖破壞充分采動(dòng)的特征及其影響因素，提出了一種覆巖破壞充分采動(dòng)的理論判別方法，將長(zhǎng)壁開(kāi)采三維覆巖破壞及地表下沉簡(jiǎn)化為4類(lèi)采動(dòng)影響體積之間的關(guān)系，得出了覆巖破壞充分采動(dòng)時(shí)覆巖破壞高度理論表達(dá)式與覆巖“兩帶”破壞模式的判別式。

(2)以某高強(qiáng)度開(kāi)采工作面為原型，建立并校核了考慮現(xiàn)場(chǎng)最大、最小水平主應(yīng)力方向與工作面推進(jìn)方向夾角的三維數(shù)值模型，通過(guò)數(shù)值模擬分析了不同開(kāi)采厚度、開(kāi)采尺寸及開(kāi)采深度對(duì)高強(qiáng)度開(kāi)采覆巖破壞充分采動(dòng)的影響。結(jié)果表明:工作面達(dá)到覆巖破壞充分采動(dòng)時(shí)的推進(jìn)距離與工作面傾向長(zhǎng)度、深厚比成反比。

(3)研究給出了高強(qiáng)度開(kāi)采覆巖破壞充分采動(dòng)的判據(jù)及其適用條件，并進(jìn)行了工程實(shí)例驗(yàn)證。