于健洋, 荊洪迪, 柳小波, 單 川

(1. 東北大學(xué) 深部金屬礦山安全開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 沈陽(yáng) 110819; 2. 中國(guó)科學(xué)院 沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所, 遼寧 沈陽(yáng) 110169; 3. 中煤科工能源科技發(fā)展有限公司, 北京 100013)

煤礦開(kāi)采誘發(fā)地表大范圍沉陷,引起地表水土流失,造成植被破壞,影響工礦區(qū)域生態(tài)環(huán)境,同時(shí)地表沉陷區(qū)域產(chǎn)生的地裂縫加快建筑物損壞,造成工況區(qū)域內(nèi)的安全隱患,例如鐵路、公路、房屋建筑物的沉降開(kāi)裂等,因此地表沉陷對(duì)環(huán)境、安全的影響已成為制約工礦區(qū)域城鎮(zhèn)可持續(xù)發(fā)展的重要因素.工況區(qū)域沉陷范圍的預(yù)測(cè),沉陷區(qū)對(duì)環(huán)境、安全的影響評(píng)價(jià),準(zhǔn)確及時(shí)預(yù)測(cè)地面沉陷及其發(fā)展過(guò)程是工礦區(qū)面臨的重要任務(wù)[1-4].因此,迫切需要對(duì)沉陷范圍擴(kuò)展機(jī)理進(jìn)行深入研究.

沉陷預(yù)測(cè)理論方法主要分為3種:基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)法、理論模擬法及影響函數(shù)法.基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)法工作量大、成本高,不宜經(jīng)常使用.理論模擬法和影響函數(shù)法中的數(shù)學(xué)模型對(duì)沉陷研究區(qū)域進(jìn)行了簡(jiǎn)化,導(dǎo)致其預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性降低[5].煤礦采場(chǎng)上部巖層數(shù)量多、巖性特征復(fù)雜,不同區(qū)域的沉陷發(fā)展過(guò)程各不相同,因此沉陷預(yù)測(cè)理論的關(guān)鍵在于解析煤礦上覆巖層的垮落特征.以組合巖層結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),將復(fù)雜的地表沉陷問(wèn)題轉(zhuǎn)化為多個(gè)組合巖層結(jié)構(gòu)垮落問(wèn)題的組合.組合巖層結(jié)構(gòu)的垮落均是從全梁階段開(kāi)始,隨采動(dòng)范圍的擴(kuò)大,垮落向上部結(jié)構(gòu)發(fā)展擴(kuò)大至地表形成沉陷區(qū),沉陷區(qū)最終大小與采空區(qū)大小存在差異,其主因在于組合巖層結(jié)構(gòu)垮落會(huì)呈現(xiàn)收斂或擴(kuò)展的趨勢(shì)[6-8].通過(guò)研究組合巖層結(jié)構(gòu)平衡到失穩(wěn)的過(guò)程,從結(jié)構(gòu)后部支撐體破壞入手,討論全梁結(jié)構(gòu)后部支撐體與結(jié)構(gòu)梁體破壞時(shí)序?qū)迓涮卣鞯挠绊?進(jìn)而判斷覆巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)過(guò)程的擴(kuò)展及收斂特征.以理論研究為指導(dǎo),推演計(jì)算覆巖垮落擴(kuò)展過(guò)程,預(yù)測(cè)地表沉陷區(qū)域范圍.

1 地表沉陷擴(kuò)展機(jī)理

1.1 地表沉陷區(qū)形成過(guò)程

地表沉陷區(qū)的形成是煤礦開(kāi)采誘發(fā)上覆巖層垮落至地表的結(jié)果.在回采過(guò)程中,當(dāng)頂板達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí)發(fā)生破壞,部分巖層隨之垮落.冒落的采空區(qū)沒(méi)有被碎脹的石塊填滿(mǎn)時(shí),上覆巖層仍存在垮落空間.當(dāng)上覆巖層強(qiáng)度可以支撐其跨距時(shí),暫不垮落,但隨工作面的繼續(xù)推進(jìn),未垮落巖層的跨距增大,到達(dá)極限強(qiáng)度時(shí),垮落繼續(xù)進(jìn)行.上覆未垮落的巖層將重復(fù)以上過(guò)程,直到垮落空間不足,形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu),上部巖層呈彎曲下沉狀態(tài),這種形態(tài)影響至地表,形成了地表沉陷區(qū).

1.2 地表沉陷擴(kuò)展與組合巖層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)特征的內(nèi)聯(lián)性分析

在沉陷區(qū)形成過(guò)程中,涉及多組組合巖層結(jié)構(gòu)垮落.組合巖層結(jié)構(gòu)中梁體結(jié)構(gòu)起承載作用的巖層多為強(qiáng)度較大的砂巖,而變形受控的巖層多為較軟的泥巖或煤層.由于組合巖層結(jié)構(gòu)梁體下部的巖體強(qiáng)度大于上部,當(dāng)結(jié)構(gòu)垮落時(shí),強(qiáng)度大的巖層會(huì)充填在采空區(qū)底部,使上部組合巖層結(jié)構(gòu)支撐體部分是強(qiáng)度較小的煤巖體,因此,必然會(huì)存在兩幫起支撐作用的支撐煤壁發(fā)生破碎充填進(jìn)入采空區(qū),使每一次巖層垮落的跨距大于實(shí)際井下回采的距離.回采過(guò)程是造成地表沉陷區(qū)擴(kuò)展的根本原因,而研究這一過(guò)程的關(guān)鍵是將上覆巖層組合進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)劃分,分步分析支撐體破碎擴(kuò)展情況,將所有的擴(kuò)展過(guò)程疊加在一起,便是地表沉陷范圍的擴(kuò)展結(jié)果.

基于以上分析,根據(jù)巖層強(qiáng)度和剛度指標(biāo)可將工作面頂板至地表的巖層劃分成若干組組合巖層結(jié)構(gòu)[9],組合巖層結(jié)構(gòu)至下而上垮落到地表形成沉陷區(qū).沉陷擴(kuò)展是組合巖層結(jié)構(gòu)垮落特征的顯現(xiàn),通過(guò)對(duì)組合巖層結(jié)構(gòu)垮落特征的分析,解析地表沉陷擴(kuò)展機(jī)理.組合巖層結(jié)構(gòu)由兩部分組成:第一部分為梁體,由變形受控層和承壓層兩部分構(gòu)成,關(guān)鍵層和老頂是巖層中剛度和強(qiáng)度較大的巖層,因此二者均為所在結(jié)構(gòu)梁體部分的承壓層;第二部分為支撐體,支撐體由前部支撐體和后部支撐體構(gòu)成,如圖1所示.地表沉陷范圍擴(kuò)展歸根到底是組合巖層結(jié)構(gòu)全梁階段垮落時(shí),后部支撐體破壞進(jìn)入采空區(qū)造成的,經(jīng)歷若干次結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞后趨于穩(wěn)定[10-14].根據(jù)組合巖層結(jié)構(gòu)垮落對(duì)地表沉陷擴(kuò)展的影響,將組合巖層結(jié)構(gòu)垮落特征分為三種類(lèi)型:第一種是結(jié)構(gòu)梁體比后部支撐體先垮落,此時(shí)支撐體未破壞,但上部巖層已經(jīng)垮落,因此,沉陷區(qū)不擴(kuò)展,如圖2所示;第二種是梁體在后部支撐體破壞后,結(jié)構(gòu)垮落,起支撐作用的煤壁(即后部支撐體)先破壞失穩(wěn)滑入采空區(qū),采空區(qū)的邊界變大,因此,沉陷區(qū)擴(kuò)展,如圖3所示;第三種是梁體與后部支撐體同時(shí)垮落破壞,此時(shí),擴(kuò)展程度很小.如此下去,直到垮落帶完全穩(wěn)定,工作面回采造成的地表沉陷區(qū)域不再發(fā)生擴(kuò)展.

圖1 采場(chǎng)上部組合巖層結(jié)構(gòu)劃分

圖2 梁體失穩(wěn)時(shí)后部支撐煤壁未破壞

圖3 梁體失穩(wěn)前后支撐煤體發(fā)生破壞滑入采空區(qū)

2 組合巖層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)特征分析

2.1 組合巖層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)判定

以組合巖層結(jié)構(gòu)首次擴(kuò)展為例,對(duì)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)進(jìn)行判定.根據(jù)全梁初次斷裂時(shí)的跨距,考慮實(shí)際煤壁的下沉特點(diǎn),將結(jié)構(gòu)視為簡(jiǎn)支梁計(jì)算,分別采用兩個(gè)判別公式進(jìn)行極限跨距的確定[15].

計(jì)算時(shí)以最大剪切應(yīng)力為巖層斷裂判定標(biāo)準(zhǔn),斷裂部位在梁兩端位置形成極限跨距Llτ[15]:

Llτ=4hRlτ/3q.

(1)

式中:Llτ為最大剪應(yīng)力計(jì)算出的極限跨距;Rlτ為巖梁極限剪切強(qiáng)度;h為巖梁的厚度;q為巖梁上覆巖層的平均載荷.

以最大拉應(yīng)力作為巖層斷裂依據(jù),根據(jù)全梁的最大彎矩位置,由彎矩所產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力推導(dǎo)出的極限跨距LlT為[15]

(2)

式中:LlT最大彎矩法計(jì)算出的極限跨距;RlT為巖梁極限抗拉強(qiáng)度.

最終判定出頂板初次垮落時(shí)的理論跨距為

(3)

以上為組合巖層結(jié)構(gòu)初次垮落的判別計(jì)算過(guò)程,當(dāng)組合巖層結(jié)構(gòu)繼續(xù)向上發(fā)展時(shí),組合巖層結(jié)構(gòu)的極限跨距仍然可用以上過(guò)程進(jìn)行判斷.由于結(jié)構(gòu)的后部支撐體破壞,造成工作面推進(jìn)距離與上部組合巖層結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度有一定差別,這個(gè)差別可以理解為支撐體破壞滑入采空區(qū)的寬度.

2.2 組合巖層結(jié)構(gòu)后部支撐體失穩(wěn)分析

當(dāng)老頂懸露距離小于初次來(lái)壓極限跨距Llz時(shí),工作面后方無(wú)支護(hù)保護(hù)的煤壁,受結(jié)構(gòu)壓力的作用會(huì)形成應(yīng)力集中區(qū),進(jìn)而造成部分煤體充填進(jìn)采空區(qū).隨著工作面的推進(jìn),工作面后方支撐壓力區(qū)內(nèi)的煤壁壓力不斷增大,并受到循環(huán)壓力的作用.該區(qū)域內(nèi)的煤體必然會(huì)受到損傷從煤壁脫落滑入采空區(qū),隨后支撐壓力區(qū)向后移,后方的煤壁也逐漸進(jìn)入塑性狀態(tài),直至破碎充填進(jìn)入采空區(qū).當(dāng)老頂懸露距離接近極限垮落時(shí),最后一部分進(jìn)入塑性狀態(tài)的煤體發(fā)生損傷,隨初次來(lái)壓滑入采空區(qū).初次來(lái)壓后,采空區(qū)不但充填了垮落的上覆巖層,同時(shí)也充填了破碎的支撐煤壁,因此,采空區(qū)沿走向剖面長(zhǎng)度增大,完成組合巖層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的第一次擴(kuò)展.

2.3 結(jié)構(gòu)支撐體塑性軟化特征分析

組合巖層結(jié)構(gòu)的支撐體多為煤壁,煤壁失穩(wěn)是煤巖軟化屈服后強(qiáng)度降低造成的,所以首先討論煤巖體本身的軟化特征及強(qiáng)度準(zhǔn)則.根據(jù)以往學(xué)者的煤樣實(shí)驗(yàn)表明,煤巖體的破壞是一個(gè)復(fù)雜漸進(jìn)的破壞過(guò)程,如圖4所示.根據(jù)理論分析和試驗(yàn)研究結(jié)果可知,在加載作用下,煤樣會(huì)隨加載力的作用發(fā)生變形,當(dāng)加載力達(dá)到試樣的峰值強(qiáng)度時(shí),試樣會(huì)出現(xiàn)明顯的塑性軟化[16].為了方便后續(xù)分析,應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)可簡(jiǎn)化為彈塑性應(yīng)變軟化模型.理想彈塑性應(yīng)變軟化模型如圖5所示,煤樣的變形和屈服將經(jīng)歷3個(gè)不同階段:煤樣的彈性變形階段、煤樣的塑性軟化階段及煤樣的塑性流動(dòng)階段[17].

圖4 煤試樣的完整應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)[16]

圖5 理想彈塑性應(yīng)變軟化模型[16]

3 地表沉陷擴(kuò)展過(guò)程量化方法

3.1 組合巖層結(jié)構(gòu)后部支撐體破壞寬度

將工作面后部起支撐作用的煤壁進(jìn)行分區(qū)討論.根據(jù)煤體變形特點(diǎn)劃分為3個(gè)區(qū)域:破壞區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū).為了便于分析,將上述3個(gè)區(qū)域分別對(duì)應(yīng)煤層變形的3個(gè)不同階段,在煤壁極限平衡分析時(shí)需要作出假設(shè):煤層連續(xù);煤層均質(zhì),具有各向同性;可將其視為應(yīng)變平面模型進(jìn)行分析;當(dāng)煤層處于塑性變形階段時(shí),煤層同頂板和底板的黏接力很小,可忽略黏接力對(duì)變形的影響;煤層、頂板與底板之間的摩擦系數(shù)相同;應(yīng)力連續(xù)傳遞.以上述6個(gè)假設(shè)條件為基礎(chǔ),采用有限元分析方法,取煤壁非彈性區(qū)內(nèi)一微元,設(shè)微分單元的寬度為 dx,該微元在壓力作用下會(huì)向采空區(qū)移動(dòng),但底板和頂板的摩擦力會(huì)阻礙其運(yùn)動(dòng)[18].單元體的受力分析如圖6所示.

由圖6可知該單元體受力平衡方程為[18]:

Mσx-M(σx+dσx)+2σyf·dx+Mγ0f·dx=0 .

(4)

式中:f為煤層與頂?shù)装褰缑嫣幍哪Σ料禂?shù);γ0為煤層的容重;M為煤體厚度.

煤壁的強(qiáng)度公式采用σ1=λσ3+σc表示.由于煤壁的一側(cè)為采空區(qū),所以σy遠(yuǎn)大于σx,σy替代最大主應(yīng)力σ1,σx代替最小主應(yīng)力σ2,所以煤體破壞區(qū)強(qiáng)度可表示為[18-23]

σy=λσx+σr.

(5)

將式(5)代入式(4)可得[15]

(6)

圖6 單元體受力分析[18]

根據(jù)采空區(qū)煤壁邊界實(shí)際情況設(shè)定邊界條件:x=0,σx=0,破壞區(qū)煤體的水平應(yīng)力及垂直應(yīng)力分布式為[18-23]

(7)

(8)

由文獻(xiàn)[16]可知,塑性區(qū)煤體的壓縮變形呈線(xiàn)性變化,表達(dá)式為

(9)

式中:Sg為塑性區(qū)煤體應(yīng)變梯度;x0為非彈性區(qū)的寬度;x為應(yīng)變點(diǎn)至煤壁的距離.依據(jù)破壞區(qū)煤體強(qiáng)度分析,可得到塑性區(qū)內(nèi)的煤體強(qiáng)度[16]:

(10)

假定破壞區(qū)煤體同塑性區(qū)交界處應(yīng)力連續(xù),不會(huì)發(fā)生突變,當(dāng)應(yīng)變點(diǎn)距煤壁x等于破壞區(qū)煤體的寬度x1時(shí),由式(5)和式(10)可得此時(shí)塑性區(qū)的寬度[16]:

(11)

式中:x1為煤體破壞區(qū)寬度;x2為塑性區(qū)寬度.

應(yīng)力區(qū)分布:

(12)

(13)

支撐體的破壞寬度需確定塑性損傷區(qū)的位置,所以煤壁的應(yīng)力集中區(qū)的臨界位置是彈性區(qū)和塑性區(qū)的交界處,垂直應(yīng)力對(duì)應(yīng)等效圍壓下該煤體的3軸抗壓強(qiáng)度,即令x=x0,此時(shí)煤壁上方的應(yīng)力為

σy=P3c.

(14)

此時(shí)的圍壓取值為[15]

(15)

式中,ν為上覆巖層的泊松比.

煤壁后方煤壁非彈性區(qū)范圍為

(16)

極限狀態(tài)下破碎區(qū)的寬度為

(17)

考慮到煤壁受循環(huán)壓力,損傷區(qū)位置將不斷后移,最終的破壞區(qū)將由向后轉(zhuǎn)移的速度及頂板初次來(lái)壓的時(shí)間決定.頂板初次來(lái)壓時(shí),充填進(jìn)入采空區(qū)的煤壁最終寬度(即覆巖垮落第一次擴(kuò)展寬度)xi為

(18)

式中:Llz為頂板初次垮落時(shí)的理論跨距;Lp為形成相對(duì)穩(wěn)定的塑性區(qū)和彈性區(qū)時(shí)頂板的跨距;vc為采煤機(jī)的推進(jìn)速度;k為蠕變修正系數(shù).

3.2 地表沉陷擴(kuò)展判別條件

由以上研究可知,地表沉陷經(jīng)歷若干次組合巖層結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展形成最終沉陷區(qū)域,通過(guò)計(jì)算冒落巖塊與上部結(jié)構(gòu)間距,判斷沉陷擴(kuò)展是否趨于穩(wěn)定.初次來(lái)壓后,沉陷范圍的第一次擴(kuò)展結(jié)束.由于巖體的碎脹作用,采空區(qū)內(nèi)冒落的巖塊與上部承載壓力結(jié)構(gòu)的梁體之間的距離將小于采高,如圖7所示.冒落巖塊與上部承載壓力結(jié)構(gòu)的梁體間的距離為[15]

Δ=M+(1-Kp)∑hi.

(19)

式中:Kp為巖石的殘余碎脹系數(shù);∑hi為垮落巖層總厚度.

當(dāng)采空區(qū)內(nèi)冒落的巖塊與上部承載壓力結(jié)構(gòu)的梁體間的距離足以形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu),即當(dāng)Δmax≥Δ時(shí),不存在結(jié)構(gòu)失穩(wěn)造成支撐煤巖體破壞滑入采空區(qū)的可能,沉陷范圍擴(kuò)展終止.根據(jù)錢(qián)鳴高院士的砌體梁結(jié)構(gòu)模型,形成穩(wěn)定砌體梁結(jié)構(gòu)的極限空隙Δmax[15]:

(20)

式中:h為砌體梁的厚度;q為梁體上覆平均載荷;l為梁體破損的極限跨距;σc為巖梁的抗壓強(qiáng)度

當(dāng)采空區(qū)內(nèi)冒落的巖塊與上部承載壓力結(jié)構(gòu)的梁體間距離不能形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu),即當(dāng)Δmax<Δ時(shí),仍然有結(jié)構(gòu)失穩(wěn)過(guò)程中支撐區(qū)煤巖體破壞滑入采空區(qū)的可能,造成沉陷區(qū)范圍的進(jìn)一步擴(kuò)展.隨工作面的開(kāi)采,當(dāng)該承壓結(jié)構(gòu)失穩(wěn)后,采空區(qū)破碎帶高度繼續(xù)上移,新的承壓結(jié)構(gòu)又會(huì)在破碎帶上方形成.隨組合巖層結(jié)果垮落周期的出現(xiàn),直到采空區(qū)內(nèi)冒落的巖塊與上部承載壓力結(jié)構(gòu)的梁體間距足以形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)時(shí),即當(dāng)Δmax≥Δ時(shí),不再發(fā)生沉陷區(qū)的擴(kuò)展,此時(shí)垮落帶高度基本穩(wěn)定.組合巖層結(jié)構(gòu)垮落是巖層垮落分步計(jì)算的方法,采場(chǎng)上覆巖層的垮落依舊遵循冒落帶、垮落帶、彎曲下沉帶的規(guī)律,砌體梁結(jié)構(gòu)是組合巖層結(jié)構(gòu)中的承壓層斷裂鉸接形成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu),是判斷地表擴(kuò)展終止的重要依據(jù).

圖7 冒落巖塊與上部承載壓力結(jié)構(gòu)的梁體間隙

4 工程實(shí)例計(jì)算

以鐵法煤業(yè)集團(tuán)曉南煤礦SW4102和SW4103工作面實(shí)際情況為例,應(yīng)用沉陷區(qū)擴(kuò)展量化方法進(jìn)行理論計(jì)算.SW4102和SW4103工作面位于井田二水平南翼采區(qū)西北部.

SW4102工作面標(biāo)高為-398～426 m,走向長(zhǎng)度為1 053 m,寬度為220 m,面積為212 410 m2.煤層走向N190°～N204°之間,傾向N280°～N294°之間,煤層傾角一般在4°～8°之間,平均為6°.煤層厚度為2.9～4.26 m,平均厚度為3 m.工作面煤層頂板由偽頂、直接頂與老頂組成.偽頂由碳質(zhì)泥巖組成,厚度為0.04～0.70 m,平均0.29 m.直接頂主要由中砂巖組成,厚度為1.2～3.4 m,平均厚度2 m.老頂主要由粗砂巖、粉砂巖組成,平均厚度為10 m,如圖8所示.工作面初次來(lái)壓步距為32 m,周期來(lái)壓步距為29 m,地表實(shí)測(cè)的沉陷擴(kuò)展距離為3.8 m.

SW4103工作面走向長(zhǎng)度為1 076 m,寬度為230 m,面積為247 480 m2.煤層走向N190°～N204°之間,傾向N280°～N294°之間,煤層傾角一般在4°～8°之間,平均為5°.煤層厚度為2.8～4.12 m,平均厚度為3.1 m.工作面煤層頂板由偽頂、直接頂與老頂組成.偽頂由碳質(zhì)泥巖組成,厚度為0.03～0.60 m,平均0.31 m.直接頂主要由中砂巖組成,厚度為1.3～3.3 m,平均厚度1.5 m.老頂主要由粗砂巖、粉砂巖組成,平均厚度為9.5 m.工作面初次來(lái)壓步距為33 m,周期來(lái)壓步距為30 m,地表實(shí)測(cè)的沉陷擴(kuò)展距離為3.9 m.

圖8 SW4102工作面巖性分布圖

為獲取理論計(jì)算所需的煤巖物理力學(xué)參數(shù),在鐵法曉楠礦井下進(jìn)行采樣,如圖9所示.煤塊及巖塊試樣分別取自鐵法曉楠煤礦二水平SW4102工作面回風(fēng)順槽和SW4103工作面及運(yùn)輸巷道.在SW4102工作面取煤15塊,取頂板(粉砂巖和粗砂巖)巖塊各20塊,在SW4103工作面取煤15塊,取頂板(泥巖)10塊,取底板巖(細(xì)砂巖)塊10塊;所取試樣尺寸不小于200 mm×200 mm×200 mm.將所取試樣立即用保鮮膜密封包裝,用膠帶進(jìn)行固定,并標(biāo)注煤巖樣地點(diǎn).開(kāi)展了全面的室內(nèi)巖石力學(xué)測(cè)試工作,其中包括:單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)(30塊煤巖樣)、巴西劈裂實(shí)驗(yàn)(25塊巖樣)、巖石直剪實(shí)驗(yàn)(25塊巖樣)、常規(guī)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)(15塊煤樣)等,以便獲得典型煤巖基本力學(xué)參數(shù)(彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等)及煤樣應(yīng)變軟化理論中的基本參數(shù)(煤體彈性階段的單軸抗壓強(qiáng)度,煤體應(yīng)變軟化階段殘余強(qiáng)度,應(yīng)變軟化模量).試件加工與試驗(yàn)過(guò)程均在東北大學(xué)深部金屬礦山安全開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成,如圖10所示.

圖9 現(xiàn)場(chǎng)采集加工的部分煤樣

圖10 Rockman 207巖石三軸試驗(yàn)機(jī)

實(shí)驗(yàn)獲取的物理力學(xué)參數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際存在一定差異,主要考慮以下幾點(diǎn)因素:巖層的連續(xù)性、地質(zhì)構(gòu)造裂隙發(fā)育、地下水影響、樣品搬運(yùn)和制作過(guò)程的振動(dòng)損傷等,參數(shù)的選取在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上需要結(jié)合井下具體條件綜合考慮,實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量參數(shù)見(jiàn)表1,表2.

表1 實(shí)驗(yàn)獲取的理論計(jì)算參數(shù)

表2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)參數(shù)和理論計(jì)算結(jié)果

SW4102工作面老頂和直接頂?shù)目偤穸葹?2 m,巖石的殘余碎脹系數(shù)Kp為1.25,根據(jù)式(19)和式(20)計(jì)算冒落巖塊與上部承載壓力結(jié)構(gòu)的梁體間的距離,即Δ的結(jié)果為0,上覆巖層充填進(jìn)入采空區(qū)就會(huì)形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu),因此以老頂為承壓層的第一組組合巖層結(jié)構(gòu)垮落是上覆巖層“三帶”形成過(guò)程中最大的一次沉陷擴(kuò)展.根據(jù)實(shí)驗(yàn)室獲得的參數(shù)(見(jiàn)表1)計(jì)算破碎區(qū)的寬度x1等于2.48 m.由表2中現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量參數(shù)計(jì)算SW4102頂板初次來(lái)壓時(shí)充填進(jìn)入采空區(qū)的煤壁的最終寬度(即沉陷區(qū)擴(kuò)展寬度)為3.57 m,與現(xiàn)場(chǎng)地表實(shí)測(cè)擴(kuò)展范圍3.8 m相差約0.23 m.

SW4103老頂和直接頂?shù)目偤穸葹?1 m,巖石的殘余碎脹系數(shù)Kp取1.25,根據(jù)式(19)和式(20)計(jì)算冒落巖塊與上部承載壓力結(jié)構(gòu)的梁體間的距離,即Δ的結(jié)果為0.35 m,根據(jù)式(20)獲取的Δmax為0.375,滿(mǎn)足Δmax≥Δ,上覆巖層充填進(jìn)入采空區(qū)可形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu),因此以老頂為承壓層的第一組組合巖層結(jié)構(gòu)垮落是上覆巖層“三帶”形成過(guò)程中最大的一次沉陷擴(kuò)展.根據(jù)實(shí)驗(yàn)室獲得的參數(shù)(詳見(jiàn)表1)計(jì)算破碎區(qū)的寬度x1等于2.32 m.通過(guò)表2中現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量參數(shù)計(jì)算SW4103頂板初次來(lái)壓時(shí)充填進(jìn)入采空區(qū)的煤壁最終寬度(即沉陷區(qū)擴(kuò)展寬度)為3.76 m,與現(xiàn)場(chǎng)地表實(shí)測(cè)擴(kuò)展范圍3.9 m相差約0.14 m.

5 結(jié) 論

1) 組合巖層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)特征與地表沉陷擴(kuò)展存在內(nèi)在聯(lián)系:組合巖層結(jié)構(gòu)梁體中的下層巖體強(qiáng)度大于上層,結(jié)構(gòu)發(fā)生垮落時(shí),支撐壓力使結(jié)構(gòu)支撐體破碎充填進(jìn)入采空區(qū),造成每一次巖層垮落的跨距大于實(shí)際井下回采距離,引起地表沉陷擴(kuò)展.

2) 分析了梁體和后部支撐體的破壞時(shí)序?qū)Φ乇沓料輸U(kuò)展的影響,沉陷區(qū)最終需要經(jīng)過(guò)若干次組合巖層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)特征的疊加,當(dāng)采空區(qū)冒露空間不足時(shí),結(jié)構(gòu)垮落會(huì)形成穩(wěn)定的砌體梁,此時(shí)組合巖層結(jié)構(gòu)破壞的收斂或擴(kuò)展過(guò)程終止.

3) 老頂?shù)娜弘A段失穩(wěn)是沉陷區(qū)第一次重要擴(kuò)展.結(jié)合采空區(qū)內(nèi)冒落巖塊與上部承載壓力結(jié)構(gòu)的梁體之間的距離和砌體梁結(jié)構(gòu)的極限空隙Δmax判斷地表沉陷擴(kuò)展是否終止,當(dāng)Δmax≥Δ時(shí),沉陷區(qū)不再發(fā)生擴(kuò)展.

4) 對(duì)應(yīng)沉陷區(qū)擴(kuò)展范圍進(jìn)行2組實(shí)例計(jì)算,SW4102計(jì)算結(jié)果為沉陷區(qū)邊界向外擴(kuò)展3.57 m,與現(xiàn)場(chǎng)地表實(shí)測(cè)擴(kuò)展范圍3.8 m相差約0.23 m;SW4103計(jì)算結(jié)果為3.76 m,與現(xiàn)場(chǎng)地表實(shí)測(cè)擴(kuò)展范圍3.9 m相差約0.14 m.