余龍哲，劉勇，韓連昌，王沉，康向濤，田燚

(貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

貴州省煤炭資源豐富且賦存形式多樣，偏多數(shù)煤炭資源以煤層群形式存在。為統(tǒng)籌好開采技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益兩方面，針對部分近距離煤層采取下保護(hù)層開采方案。由于下保護(hù)層開采采用非常規(guī)開采順序，導(dǎo)致上覆煤層頂板空間結(jié)構(gòu)及原生應(yīng)力遭到破壞，增加了上覆煤層開采支護(hù)難度，對煤礦的安全生產(chǎn)形成了較大的威脅[1?2]。

近年來，我國眾多學(xué)者針對不同條件下煤礦開采頂板破斷規(guī)律展開了研究?？导t普等[3]分析了大量煤礦開采地應(yīng)力數(shù)據(jù)，總結(jié)了頂板應(yīng)力演化規(guī)律及分布特征；王云廣等[4]采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)測等手段，得到了高強度開采下頂板破斷特征及運移規(guī)律；劉泉聲等[5]應(yīng)用離散元軟件分析了工作面頂板大變形原因，并給出了相應(yīng)控制措施；李云鵬等[6]針對急斜特厚煤層綜放開采，得到頂板在空間上產(chǎn)生“擠壓-滑移-回轉(zhuǎn)”交替運動規(guī)律；馮國瑞、王成等[7?8]分別模擬了煤層上行開采過程，得到了上行開采下頂板破斷關(guān)鍵因素及時空演化規(guī)律；鞠文君等[9]通過現(xiàn)場原巖應(yīng)力場測量以及頂板巖層結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析，對誘發(fā)頂板來壓破斷機理進(jìn)行了闡述；呂兆海、秦凱、崔峰等[10?12]分析了近距離煤層開采時頂板變形破壞特征與失穩(wěn)破壞機理，揭示了回采過程中頂板運移場、應(yīng)力場、塑性破壞區(qū)的演化規(guī)律。

上述學(xué)者圍繞不同條件下頂板破斷規(guī)律展開研究并取得了豐碩科研成果，但針對下保護(hù)層開采上覆煤層頂板破斷規(guī)律的研究較少。因此，本文以貴州某礦為工程背景，通過建立力學(xué)分析模型，推導(dǎo)頂板破斷的極限條件及破斷步距，構(gòu)建物理相似模型反演下保護(hù)層開采上覆煤層頂板破斷垮落過程，并加以現(xiàn)場實踐驗證，最終得到了下保護(hù)層開采上覆煤層頂板破斷規(guī)律，為類似條件的頂板治理提供了有效理論依托。

1 礦井基本概況

某煤礦的110507工作面處于5#煤層，5#煤層埋深為517.5m，平均厚度為2.1m，平均傾角為6°，局部采段有瓦斯涌出；110907工作面處于9#煤層，9#煤層埋深為545.2m，平均厚度為2.2m，平均傾角為6°，位于5#煤層下方25.6m處，煤層柱狀圖如圖1所示?；?10507工作面有瓦斯涌出，110907工作面開采完畢后有利于110507工作面瓦斯的釋放，故將110907工作面作為110507工作面的下保護(hù)層進(jìn)行開采。

圖1 煤層柱狀圖

2 理論分析

2.1 基本頂載荷計算

如圖2所示，在110507工作面推進(jìn)過程中其基本頂載荷來自于自身重力及上部巖層載荷，為便于分析計算，設(shè)定上部巖層載荷均勻分布，繼而計算其基本頂載荷q的大小[13]。

圖2 基本頂載荷計算模型

結(jié)合表1，根據(jù)組合梁原理，可運用式（1）進(jìn)行計算[14]：

式中，(qn)1為第n層巖層對第1層（基本頂）的作用載荷，MPa；En為第n層巖層的彈性模量；hn為第n層巖層的厚度，m；γn為第n層巖層的體積力，MN·m?3。

當(dāng)計算出現(xiàn)(qn)1＞(qn+1)1時，表明第n+1層巖層不影響第1層（基本頂）載荷大小，判定基本頂載荷為(qn)1。

計算出第1層（基本頂）自身載荷為：

考慮第2層（粉砂巖）對基本頂?shù)淖饔茫藭r基本頂載荷為：

得到(q2)1＜q1。因此，110507工作面基本頂載荷為159.5 kPa。

表1 110507工作面基本頂及其上部巖層力學(xué)參數(shù)

2.2 初次破斷機理分析

基于5#煤層地質(zhì)及開采條件，取110507工作面堅硬頂板（即基本頂，設(shè)其厚度為h）為研究對象，推進(jìn)過程中基本頂發(fā)生初次破斷時形成一種類固支梁結(jié)構(gòu)，其力學(xué)分析模型如圖3所示[15]。

圖3 初次破斷力學(xué)分析模型

應(yīng)力分量表達(dá)式為：

對式（4）進(jìn)行對稱性分析，得到模型中部切應(yīng)力為零，其橫向截面上的正應(yīng)力（即拉應(yīng)力σ1）在[0，h/2]位置時處于最大值，則：

依據(jù)材料最大拉應(yīng)力強度準(zhǔn)則，運用公式（6）可計算出基本頂?shù)臉O限破斷步距：

即基本頂?shù)某醮纹茢嗖骄郘公式為：

根據(jù)110507工作面基本頂巖石物理力學(xué)參數(shù)，計算得到基本頂?shù)某醮纹茢嗖骄酁?9.4m。

2.3 周期破斷機理分析

當(dāng)110507工作面推進(jìn)過程中基本頂發(fā)生周期破斷時，懸露基本頂一端固定，另一端懸空，形成一種類懸臂梁結(jié)構(gòu)，其力學(xué)分析模型如圖4所示。

圖4 周期破斷力學(xué)分析模型

應(yīng)力分量表達(dá)式為：由于直接頂破斷垮落位置處所承載的豎直作用力相對較小，可令Tf=0，得到：

聯(lián)立式（11）與式（12），得到基本頂周期破斷應(yīng)力分量表達(dá)式為：

選取基本頂周期破斷截面中心為坐標(biāo)軸，即周期破斷面上（x=0處），通過函數(shù)的單調(diào)性獲得拉斷條件下基本頂周期破斷步距滿足關(guān)系式：

因為開采產(chǎn)生的頂板破斷塊體與采空區(qū)賦存矸石之間無水平推力，可令T=0，得到基本頂周期破斷步距Lp公式為：

根據(jù)110507工作面基本頂巖石物理力學(xué)參數(shù)，計算得到基本頂周期破斷步距為9.9m。

3 物理相似模擬試驗

3.1 試驗?zāi)Ｐ徒?/h3>

模型試驗架尺寸為2m×0.3m×1.8m（長×寬×高）的長方體，試驗?zāi)Ｐ团c實體的幾何相似比為1∶100，應(yīng)力強度相似比為1∶150，容重相似比為1∶1.6。依據(jù)煤層及各巖層物理力學(xué)參數(shù)（表2），每層選取不同比例的河砂、石灰、石膏并加入清水混合攪勻鋪入模型試驗架，繼而在表面鋪設(shè)一層薄云母碎片，待其平整穩(wěn)定后進(jìn)行下一層鋪設(shè)。物理相似模擬實驗系統(tǒng)如圖5所示，其中包括相似模擬實驗平臺、載荷補償裝置、高速攝像機及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖5 物理相似模擬實驗系統(tǒng)

模型設(shè)計與位移監(jiān)測點布置如圖6所示，模型兩端各留設(shè)30 cm邊界煤柱，開切眼位于距離模型右邊界30 cm處。先行開采9#煤層，向右推進(jìn)100 cm停止，待9#煤層開采完畢上覆巖層自然垮落穩(wěn)定后，再進(jìn)行5#煤層開采，向右推進(jìn)100 cm停止。為觀測5#煤層開采過程中頂板下沉量，在模型上共鋪設(shè)8排、11列位移監(jiān)測點，兩相鄰監(jiān)測點豎直間距為10 cm，水平間距為10 cm。

圖6 模型設(shè)計及位移監(jiān)測點布置

表2 各煤層及巖層力學(xué)參數(shù)

3.2 試驗結(jié)果分析

當(dāng)5#煤層工作面推進(jìn)20 cm時，如圖7所示。9#煤層開采完畢，其上覆巖層已自然坍塌垮落形成穩(wěn)定構(gòu)造；5#煤層處于9#煤層上覆巖層裂隙帶范圍內(nèi)，直接頂隨采隨冒；懸露基本頂與上部巖層間形成離層，中部及兩端出現(xiàn)破裂，整體彎曲下沉由中部向下垮落；因基本頂巖性較硬，并未形成完全垮落，此時基本頂形成初次來壓破斷。

當(dāng)5#煤層工作面推進(jìn)30 cm時，如圖8所示。當(dāng)推進(jìn)剛過20 cm破斷關(guān)鍵面時，懸露基本頂極限跨度突破臨界值，中段及鄰近采空區(qū)端部巖塊產(chǎn)生大量拉伸破壞，發(fā)生初次垮落下沉，初次破斷步距為20 cm；繼續(xù)推進(jìn)時，基本頂懸空端在重力及載荷作用下逐漸下沉，懸露基本頂與上部巖層離隙呈“三角狀”逐漸增大，繼而固定端產(chǎn)生強烈拉伸破壞，最終在30 cm處發(fā)生二次破斷垮落，形成二次來壓破斷。

圖7 5#煤層工作面推進(jìn)20 cm頂板破斷特征

圖8 5#煤層工作面推進(jìn)30 cm頂板破斷特征

當(dāng)5#煤層工作面推進(jìn)90 cm時，如圖9所示?；卷敵手芷谛云茢嗫迓湎鲁?，周期破斷步距為10 cm左右，破斷形式以拉伸破壞為主；破斷垮落的巖體間通過彼此壓迫形成一種新的穩(wěn)固構(gòu)造，基本頂依次經(jīng)歷“失穩(wěn)-穩(wěn)定-再失穩(wěn)”的循環(huán)變化。

圖9 5#煤層工作面推進(jìn)90 cm頂板破斷特征

當(dāng)5#煤層工作面推進(jìn)100 cm時，如圖10所示。基本頂及其上部巖層破斷垮落下沉把采空區(qū)充填壓實，破斷角在55°～65°之間；上覆巖層塑性破壞區(qū)呈“梯形”結(jié)構(gòu)，并趨于平衡穩(wěn)定；推進(jìn)過程中基本頂在空間上依次經(jīng)歷“離層-破斷-垮落”有規(guī)律交替運動。

圖10 5#煤層工作面推進(jìn)100 cm頂板破斷特征

在5#煤層推進(jìn)過程中，觀測其上方頂板同一水平線不同監(jiān)測點的位移下沉量，分別為監(jiān)測點4（距開切眼30 cm）、監(jiān)測點5（距開切眼40 cm）、監(jiān)測點6（距開切眼50 cm）、監(jiān)測點7（距開切眼60 cm）。由圖11可知，頂板下沉?xí)r依次經(jīng)歷“穩(wěn)定-加劇-飽和”3個階段：下沉穩(wěn)定階段，工作面尚未推進(jìn)至監(jiān)測點監(jiān)測范圍內(nèi)，頂板結(jié)構(gòu)大致穩(wěn)定，下沉特征不明顯；下沉加劇階段，工作面推進(jìn)至監(jiān)測點監(jiān)測范圍內(nèi)，頂板開始下沉，隨著工作面推進(jìn)過監(jiān)測點，頂板下沉值呈指數(shù)上升，下沉范圍逐步擴大，當(dāng)工作面推進(jìn)過監(jiān)測點20 cm時，頂板大幅度下沉，表明監(jiān)測點處頂板已劇烈破斷垮落；下沉飽和階段，下沉幅度逐步趨于平緩，破斷垮落巖體間形成新的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。頂板最大下沉量為21mm，同一水平位置頂板下沉?xí)r呈“邊坡”狀分布。

圖11 頂板下沉曲線

4 現(xiàn)場礦壓監(jiān)測

4.1 監(jiān)測方案布置

如圖12所示，針對110507工作面進(jìn)行現(xiàn)場礦壓監(jiān)測，該工作面共配備110臺液壓支架，選取工作面端部及中間部位布置應(yīng)力監(jiān)測點，分別位于1#液壓支架和50#液壓支架處，從開切眼至推進(jìn)100m處進(jìn)行監(jiān)測。

圖12 液壓支架監(jiān)測點布置圖

4.2 監(jiān)測結(jié)果分析

如圖13所示，110507工作面從開切眼至推進(jìn)100m整個過程中，1#與50#監(jiān)測點測得數(shù)據(jù)相差不大。當(dāng)工作面推進(jìn)17.9m與22.1m時，液壓支架監(jiān)測點應(yīng)力陡然激增，繼續(xù)推進(jìn)應(yīng)力大幅度下降，基本頂形成初次來壓破斷。當(dāng)工作面推進(jìn)29.2m和33.9m時，液壓支架監(jiān)測點應(yīng)力又一次激增，達(dá)到第二次峰值，繼續(xù)推進(jìn)應(yīng)力大幅度下降，基本頂形成二次來壓破斷。隨后每推進(jìn)約9.3m時，液壓支架監(jiān)測點應(yīng)力激增，繼續(xù)推進(jìn)應(yīng)力大幅度下降，基本頂形成周期來壓破斷。1#監(jiān)測點測得初次來壓破斷步距17.9m、周期來壓破斷步距8.4m；50#監(jiān)測點測得初次來壓破斷步距22.1m、周期來壓破斷步距10.2m，監(jiān)測結(jié)果與理論分析、物理相似模擬結(jié)果基本吻合。因此，在工作面來壓期間，需適當(dāng)加快工作面推進(jìn)速度，避免發(fā)生壓架事故。

圖13 1#、50#監(jiān)測點應(yīng)力變化曲線

5 結(jié)論

（1）建立某礦110507工作面推進(jìn)時基本頂破斷不同時期頂板力學(xué)分析模型。得到上覆煤層基本頂載荷、破斷臨界條件、初次及周期破斷步距計算公式。

（2）構(gòu)建物理相似模型，反演110507工作面推進(jìn)頂板破斷歷程。上覆煤層直接頂隨采隨冒，基本頂初次破斷步距20 cm、周期破斷步距10 cm，破斷角在55°～65°之間，采空區(qū)上覆巖層塑性破壞區(qū)呈“梯形”結(jié)構(gòu)；基本頂在空間上依次經(jīng)歷“離層-破斷-垮落”有規(guī)律的交替運動。

（3）監(jiān)測相似模擬110507工作面推進(jìn)過程中頂板下沉量。頂板下沉?xí)r依次經(jīng)歷“穩(wěn)定-加劇-飽和”3個階段，最大下沉量為21mm；同一水平位置頂板下沉?xí)r呈“邊坡”狀分布。

（4）對110507工作面進(jìn)行現(xiàn)場礦壓監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果與理論分析、物理相似模擬結(jié)果基本吻合。工作面來壓期間需適當(dāng)加快工作面推進(jìn)速度，以避免發(fā)生壓架事故。