原富珍 ，馬 克 ，唐春安 ，王蘇健 ，郭涵宇

(1.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024；2. 大連理工大學(xué) 巖石破裂與失穩(wěn)研究中心，遼寧 大連 116024；3.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710070；4.陜煤化工集團(tuán)銅川礦業(yè)有限公司 下石節(jié)煤礦，陜西 銅川 727000)

0 引 言

由于不同層位頂板破斷特征及其礦壓作用機(jī)制差異較大，使得煤巖應(yīng)力分布復(fù)雜，回采時巷道常出現(xiàn)變形、冒頂、片幫等現(xiàn)象[1-4]。研究采動應(yīng)力變化規(guī)律對于巷道支護(hù)措施及采場安全高效生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義，對此國內(nèi)外諸多學(xué)者進(jìn)行了大量研究。

高明忠等[5]進(jìn)行了特厚煤層采動應(yīng)力演化規(guī)律原位實測研究，研究指出工作面前方支承應(yīng)力分為劇烈擾動區(qū)域、強(qiáng)擾動區(qū)域和弱擾動區(qū)域，并提出了針對性的分區(qū)支護(hù)措施建議。任艷芳等[6]利用數(shù)值模擬等方法研究了淺埋煤層超前支承壓力變化特征，揭示了淺埋煤層覆巖切落地表后超前支承應(yīng)力變化特征。黃慶享等[7]采用UDEC 軟件研究了神東礦區(qū)基本頂“高位斜臺階巖梁”結(jié)構(gòu)下超前支承應(yīng)力特征，提出超前支承壓力峰值距煤壁的距離近似為釆高的2倍。金珠海等[8]通過煤巖力學(xué)分析、FLAC3D數(shù)值模擬分析了采高、埋深對于大采高工作面支承壓力的影響，指出超前支承壓力的分布規(guī)律主要取決于工作面采高和頂板巖層組成結(jié)構(gòu)。

劉金海等[9]建立了關(guān)鍵層影響下支承應(yīng)力計算模型，并分析了支承壓力分布特征與地層結(jié)構(gòu)、頂板關(guān)鍵層位置關(guān)系。郭杰凱[10]將平均絕對離差作為主關(guān)鍵層對超前支承應(yīng)力影響程度的評價指標(biāo)，分析了主關(guān)鍵層對支承壓力的影響隨其層位、厚度的變化規(guī)律。王鈺博[11]建立了采空區(qū)端部覆巖運動模型，對采空區(qū)穩(wěn)定前后端部結(jié)構(gòu)特征及側(cè)向支承壓力演化規(guī)律進(jìn)行研究。張少華等[12]研究了典型關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)下方覆巖移動特征，分析了關(guān)鍵層位置、厚度對覆巖采動應(yīng)力分布特征的影響。

煤層頂板硬厚關(guān)鍵層破斷引起采掘空間巖層運動，下方煤巖體應(yīng)力分布隨之發(fā)生變化[13-14]，然而，以往的研究大多集中在靜態(tài)支承應(yīng)力，即覆巖充分采動后其維持恒定狀態(tài)或變化很小，忽略了覆巖關(guān)鍵層變形-破斷-失穩(wěn)過程中支承應(yīng)力的響應(yīng)特征。

董家河煤礦22517工作面煤厚1.15～4.10 m，煤層厚度變化大，在頂板多關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)控制作用下覆巖關(guān)鍵層破斷及采動應(yīng)力特征存在明顯差異。運用RFPA-Strata數(shù)值模擬方法研究了不同采高頂板多關(guān)鍵層破斷及結(jié)構(gòu)特征，分析了不同層位關(guān)鍵層破斷過程中超前支承應(yīng)力響應(yīng)特征，為現(xiàn)場工作面超前支護(hù)和圍巖控制提供一定的理論參考。

1 煤層開采數(shù)值模型建立

董家河礦22517工作面走向長度1 217 m，傾向長185 m，主采山西組5號煤層，煤厚2.5～4.1 m，平均厚度3.3 m，且在距離運輸平巷入口540～765 m存在一薄煤帶，煤厚1.15～2.2 m。煤層傾角約3°，屬近水平煤層。煤層直接頂為厚度0.65～1.66 m的深灰色粗粉砂巖，含少量白云母，含黃鐵礦結(jié)核及少量植物化石?；卷敒楹穸?.70～11.77 m的灰色中、細(xì)粒砂巖，成分以石英為主，暗色石巖屑次之，含較多的云母片，泥硅質(zhì)膠結(jié)，含黃鐵礦結(jié)核?；陉P(guān)鍵層理論[15-16]對斷裂帶發(fā)育范圍內(nèi)覆巖關(guān)鍵層進(jìn)行判別，共有高、中、低位3層關(guān)鍵層影響上覆巖層移動，巖層屬性及物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 模型巖層的巖石物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Each layer of rock physical and mechanical parameters in model

根據(jù)工作面工程地質(zhì)條件，建立RFPA數(shù)值模型。模型長度為250 m，高度為125 m。模型劃分為500×250=125 000個單元。模型頂部為厚10 m的等效層，用來等效上覆巖層載荷。計算沿走向距離左側(cè)邊界50 m處開開切眼，從第2步開始開挖，每一步開挖進(jìn)尺5 m。模型兩端水平位移約束，頂部邊界自由，底端固定，如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型Fig.1 Numerical model

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 關(guān)鍵層運動對支承應(yīng)力影響規(guī)律

根據(jù)許家林等[17-20]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)關(guān)鍵層與開采煤層距離較近并小于某一臨界距離時發(fā)生貫通破壞，且其控制的上覆巖層隨之發(fā)生貫通破斷。這一臨界距離hm主要與煤層采高、頂板碎脹壓實特性、關(guān)鍵層破斷塊度等因素有關(guān)。

hm=(m-LKm/s)/(kp-1)

(1)

式中，m為煤層采高，m；L為關(guān)鍵層破斷塊體長度，m；Km為關(guān)鍵層破斷裂隙張開度，m；s為關(guān)鍵層厚度，m；kp為關(guān)鍵層下部巖層殘余碎脹系數(shù)。

由于巖石類材料其破斷裂隙張開度一般只要達(dá)到幾毫米即可發(fā)生貫通破壞，式(1)中LKm/s項的數(shù)值遠(yuǎn)小于煤層采厚m，砂巖類殘余碎脹系數(shù)kp一般可取1.10～1.15，則關(guān)鍵層是否發(fā)生破斷的鄰近高度7～10倍采高。結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果將頂板充分采動后不同采高關(guān)鍵層破斷情況分為以下2類：采高小于2.5 m時僅低位關(guān)鍵層破斷，中位關(guān)鍵層對上層覆巖起有效支撐作用；采高大于3 m時低、中位關(guān)鍵層破斷，高位關(guān)鍵層對上層覆巖起有效支撐作用。

以采高1.5 m為例對頂板僅低位關(guān)鍵層破斷前后覆巖移動及支承壓力分布特征進(jìn)行分析。頂板充分采動后，隨工作面推進(jìn)低位關(guān)鍵層采空區(qū)達(dá)到極限跨距發(fā)生周期性破斷并與采空區(qū)斷裂的巖塊之間相互鉸接形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，破斷距離19～22 m，平均約20 m。發(fā)生破斷后其上方軟巖均隨之發(fā)生斷裂，與中位關(guān)鍵層之間產(chǎn)生離層。

承載特征：煤壁上方未完全破斷的巖塊A與采空區(qū)已斷裂的巖塊B承載自身及其上方至中位關(guān)鍵層軟巖重力，煤體僅需承載低位關(guān)鍵層下方軟巖重量及附加載荷。

為研究關(guān)鍵層破斷過程中支承應(yīng)力演化特征，分別取工作面前方低位關(guān)鍵層破斷前后煤層支承應(yīng)力曲線。如圖2b所示，低位關(guān)鍵層破斷前其下方頂板隨工作面推進(jìn)垮落，此時工作面超前支承應(yīng)力峰值為33 MPa，距離煤壁2.5 m。如圖2c所示，隨工作面繼續(xù)推進(jìn)巖塊A完全發(fā)生破斷，且其至中位關(guān)鍵層間巖層發(fā)生同步破壞并向采空區(qū)回轉(zhuǎn)下沉，工作面超前支承應(yīng)力峰值為28 MPa，距離煤壁1.5 m。低位關(guān)鍵層破斷后支承應(yīng)力峰值大小及其距煤壁距離均減小。

圖2 采高1.5 m關(guān)鍵層破斷及支承應(yīng)力分布特征Fig.2 Fracture of key layer and advancing abutment stress distribution characteristics with 1.5 m seam

煤層開采后上覆巖層關(guān)鍵層破斷、下沉對超前支承應(yīng)力峰值大小及其距煤壁距離有顯著的影響，取煤壁前方低位關(guān)鍵層位移曲線，如圖3所示，位移向下為負(fù)。低位關(guān)鍵層破斷前未完全破斷的巖塊A與已破斷的巖塊B鉸接，鉸接曲線下凹，煤壁前方83.5 m范圍內(nèi)低位關(guān)鍵層彎曲下沉，其中煤壁處最大下沉位移為42 mm，并隨著遠(yuǎn)離煤壁下沉量逐漸減小，對下方巖層及煤體施加荷載產(chǎn)生超前支承應(yīng)力。低位關(guān)鍵層破斷后，中位關(guān)鍵層失去下方巖層承載作用繼續(xù)向下彎曲下沉但并未發(fā)生破壞，而低位關(guān)鍵層巖塊A完全發(fā)生破斷后斷裂的塊體同下方承載的軟巖向采空區(qū)回轉(zhuǎn)下沉，工作面前方10.5 m范圍內(nèi)位移回彈，其中0～1.5 m由于中位關(guān)鍵層彎曲下沉回彈量降低，此時由于工作面前方低位關(guān)鍵層回彈作用于煤體的附加荷載部分釋放，超前支承應(yīng)力峰值大小降低并向煤壁靠近。

圖3 采高1.5 m煤壁前方低位關(guān)鍵層位移Fig.3 Displacement of low key layer in front of coal wall with 1.5 m seam

以采高3 m為例對頂板中位、低位關(guān)鍵層破斷前后覆巖移動及支承壓力分布特征進(jìn)行分析。如圖4a所示，頂板充分采動后，隨工作面推進(jìn)低位、中位關(guān)鍵層先后達(dá)到極限跨距發(fā)生周期性破斷。采高增加后采空區(qū)巖層暴露面積增加，低位關(guān)鍵層斷裂的塊體隨下方軟巖回轉(zhuǎn)下沉，與前方巖層間隙增大且失去水平力作用，無法與煤壁上方未破斷的關(guān)鍵層形成砌體梁鉸接結(jié)構(gòu)，低位關(guān)鍵層形成懸臂梁結(jié)構(gòu)。中位關(guān)鍵層煤壁前方未完全破斷的巖塊C與已斷裂的巖塊D形成相互鉸接的砌體梁結(jié)構(gòu)，破斷距離26～29 m，平均27 m。其上方軟巖隨之瞬間發(fā)生斷裂，與高位關(guān)鍵層之間產(chǎn)生離層。

承載特征：煤壁上方未完全破壞的中位關(guān)鍵層巖塊C與采空區(qū)已斷裂的巖塊D承載自身及其上方至高位關(guān)鍵層軟巖重量。由于煤壁上方低位關(guān)鍵層呈懸臂梁結(jié)構(gòu)，煤體需承載煤體上方至中位關(guān)鍵層下方全部巖層重量及附加載荷。

如圖4b所示，低位關(guān)鍵層破斷前其下方頂板隨工作面推進(jìn)發(fā)生垮落，此時超前支承應(yīng)力峰值為35 MPa，距離煤壁6 m；如圖4c所示，隨工作面繼續(xù)推進(jìn)低位關(guān)鍵層發(fā)生破斷，且其至中位關(guān)鍵層間巖層發(fā)生同步破壞，超前支承應(yīng)力峰值為33 MPa，距離煤壁3.5 m，支承應(yīng)力峰值大小及其距煤壁距離均減小，與僅低位關(guān)鍵層破斷相比，超前支承應(yīng)力峰值大小均減小，這是由于采高大于2.5 m后，巖層暴露面積增大，斷裂的低位關(guān)鍵層塊體下沉量增大，未能形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，煤體需承載中位關(guān)鍵層下方全部軟巖重量，煤體發(fā)生大量剪切破壞導(dǎo)致承載力降低，超前支承應(yīng)力峰值反而降低。如圖4d所示，中位關(guān)鍵層破斷后其上方至高位關(guān)鍵層間巖層隨之發(fā)生破壞，超前支承應(yīng)力峰值為27 MPa，距離煤壁3 m。中位關(guān)鍵層破斷后支承應(yīng)力峰值大小及其距煤壁距離均進(jìn)一步減小。

圖4 采高3 m關(guān)鍵層破斷結(jié)構(gòu)及支承應(yīng)力分布特征Fig.4 Fracture of key layer and advancing abutment stress distribution characteristics with 3 m seam

分別取低位、中位關(guān)鍵層破斷前后關(guān)鍵層位移曲線，如圖5所示。低位關(guān)鍵層未能與采空區(qū)斷裂的巖塊鉸接形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)，破斷前以懸臂梁結(jié)構(gòu)承載上層覆巖載荷，懸臂梁彎曲下沉對下方煤巖層施加載荷，煤壁處最大下沉量為61 mm，并隨著遠(yuǎn)離煤壁下沉量逐漸減小。低位關(guān)鍵層破斷后其懸臂長度瞬間減小，煤壁前方14.5 m范圍內(nèi)下沉位移量減小發(fā)生回彈，但由于其未能與斷裂巖塊形成鉸接結(jié)構(gòu)且仍處于煤壁前方中位關(guān)鍵層彎曲下沉覆巖載荷區(qū)域，煤壁處下沉位移最大值仍有46 mm，回彈量較小。中位關(guān)鍵層破斷后煤壁前方12 m范圍內(nèi)低位關(guān)鍵層下沉位移值再次減小，其中距煤壁4 m處降幅最大，這是由于煤壁上方中位關(guān)鍵層破斷后關(guān)鍵塊C下沉量減小，對其下方巖層附加載荷降低。

圖5 采高3 m煤壁前方低位關(guān)鍵層位移量Fig.5 Displacement of low key layer in front of coal wall with 3 m seam

2.2 不同采高對支承應(yīng)力影響規(guī)律

根據(jù)工作面煤層厚度變化特征，低位關(guān)鍵層破斷時分別選取采高1.5、2和2.5 m，中位關(guān)鍵層破斷時分別選取采高3、3.5和4 m工作面支承應(yīng)力特征進(jìn)行分析，覆巖充分采動后對工作面超前支承應(yīng)力峰值及超前距離進(jìn)行統(tǒng)計。

采高小于2.5 m時支承應(yīng)力峰值及其距煤壁的距離，如圖6所示。低位關(guān)鍵層發(fā)生破斷前采高1.5、2和2.5 m超前支承應(yīng)力峰值分別為33、35和36 MPa，峰值點距煤壁距離分別為2.5、3和4 m，支承應(yīng)力峰值大小及其距煤壁距離均隨采高增加逐漸增大。低位關(guān)鍵層發(fā)生破斷后采高1.5、2和2.5 m超前支承應(yīng)力峰值分別為27、29和30 MPa，峰值點距煤壁距離分別為1.5、2.5和3.5 m。對比同一采高低位關(guān)鍵層發(fā)生破斷前后超前支承應(yīng)力峰值大小均降低，且峰值點均遠(yuǎn)離煤壁。對比不同采高低位關(guān)鍵層發(fā)生破斷前后超前支承應(yīng)力峰值均隨采高增加而增大并逐漸遠(yuǎn)離煤壁。

圖6 采高小于2.5 m不同采高支承應(yīng)力分布Fig.6 Distribution of advancing abutment stress with different mining heights(≤2.5 m)

低位關(guān)鍵層是距離煤層最近的硬厚巖層，其破斷及回轉(zhuǎn)下沉直接影響工作面支承應(yīng)力分布特征，取不同采高(小于2.5 m)低位關(guān)鍵層破斷前后工作面前方低位關(guān)鍵層位移曲線，如圖7所示。低位關(guān)鍵層破斷前，采高1.5、2和2.5 m低位關(guān)鍵層煤壁處最大下沉量分別為42、55和62 mm，且隨遠(yuǎn)離煤壁逐漸降低，煤壁上方低位關(guān)鍵層能夠與采空區(qū)已破斷塊體鉸接，形成穩(wěn)定的“砌體梁”結(jié)構(gòu)，煤體僅需承載低位關(guān)鍵層下方巖層重量，煤體受載荷小較為完整，具有較好的承載力，隨采高增加工作面前方低位關(guān)鍵層下沉量增大，超前支承應(yīng)力峰值增大并逐漸遠(yuǎn)離煤壁；低位關(guān)鍵層破斷后，采高1.5、2和2.5 m低位關(guān)鍵層分別在煤壁前方10.5、11.5和13 m范圍內(nèi)下沉位移量減小發(fā)生回彈，且隨采高增加工作面前方低位關(guān)鍵層下沉量增大，超前支承應(yīng)力峰值增大并逐漸遠(yuǎn)離煤壁。

圖7 采高小于2.5 m低位關(guān)鍵層位移量Fig.7 Displacement of low key layer in front of coal wall in different mining heights(≤2.5 m)

采高大于3 m時支承應(yīng)力峰值及其距煤壁的距離，如圖8所示。低位關(guān)鍵層發(fā)生破斷前，采高3、3.5和4 m超前支承應(yīng)力峰值分別為35、32和31 MPa，峰值點距煤壁距離分別為6、7和8 m；低位關(guān)鍵層發(fā)生破斷后，采高3、3.5和4 m超前支承應(yīng)力峰值分別為33、31和30 MPa，峰值點距煤壁距離分別為3.5、5和5.5 m；中位關(guān)鍵層發(fā)生破斷后，采高3、3.5和4 m支承應(yīng)力峰值分別為27、25和25 MPa，峰值點距煤壁距離分別為3、4.5和5 m。對比同一采高不同層位關(guān)鍵層破斷前后超前支承應(yīng)力變化特征可以發(fā)現(xiàn)，支承應(yīng)力峰值距煤壁距離減小主要發(fā)生在低位關(guān)鍵層破斷后，峰值大小降低主要發(fā)生在中位關(guān)鍵層破斷后。對比不同采高關(guān)鍵層破斷超前支承應(yīng)力分布特征可以發(fā)現(xiàn)，隨采高增加覆巖活動更劇烈，煤壁前方煤巖體發(fā)生大量剪切破壞，煤巖體承載力降低，隨采高增加支承應(yīng)力峰值大小反而減小，峰值點逐漸遠(yuǎn)離煤壁。

圖8 采高大于3 m不同采高支承應(yīng)力分布Fig.8 Distribution of advancing abutment stress with different mining heights(≥3 m)

取不同采高(大于3 m)低位、中位關(guān)鍵層破斷后工作面前方低位關(guān)鍵層位移曲線，如圖9所示。低位關(guān)鍵層發(fā)生破斷后，隨采高增加工作面前方低位關(guān)鍵層下沉量增大，采高3、3.5和4 m低位關(guān)鍵層煤壁處最大下沉量分別為53、72和100 mm，采空區(qū)已斷裂的塊體無法與煤壁前方未破斷的關(guān)鍵層之間形成鉸接結(jié)構(gòu)，煤體需承載煤層上方至中位關(guān)鍵層下方全部巖層重量及附加載荷，煤壁前方煤巖體發(fā)生大量剪切破壞，煤巖體承載力降低，隨采高增加工作面前方低位關(guān)鍵層下沉量增大，煤巖體剪切破壞加劇，超前支承應(yīng)力峰值大小反而減小，峰值點逐漸遠(yuǎn)離煤壁。中位關(guān)鍵層破斷后，采高3、3.5和4 m分別在煤壁前方12、24.5和27.5 m范圍內(nèi)位移再次降低，在這一范圍內(nèi)隨采高增加低位關(guān)鍵層回彈位移量及其范圍均增加，隨采高增大超前支承應(yīng)力峰值大小降低并遠(yuǎn)離煤壁。

3 結(jié) 論

1)22517工作面頂板關(guān)鍵層破斷情況分為2類，采高小于2.5 m時僅低位關(guān)鍵層破斷且能夠形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)；采高大于3 m時中位、低位關(guān)鍵層均破斷，中位關(guān)鍵層破斷后形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，低位關(guān)鍵層呈懸臂梁結(jié)構(gòu)。

2)支承應(yīng)力峰值大小與關(guān)鍵層運動及煤巖體承載力2方面因素有關(guān)。采高小于2.5 m時煤體僅承載其上方至低位關(guān)鍵層下方軟巖重力及附加應(yīng)力，煤巖體承載力較好，支承應(yīng)力峰值隨采高增加逐漸增大；采高大于3 m時煤體需承載其上方至中位關(guān)鍵層下方全部巖層重力及附加應(yīng)力，超前段煤巖體發(fā)生大量剪切破壞導(dǎo)致承載力降低，支承應(yīng)力峰值隨采高增加逐漸減小。

3)關(guān)鍵層完全破斷后煤壁前方低位關(guān)鍵層下沉位移量減小，超前支承應(yīng)力峰值大小及其距煤壁的距離隨關(guān)鍵層破斷均減小。