康志鵬，趙 靖，段昌瑞

(1.淮河能源控股集團(tuán)有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232001；2.煤炭開采國家工程技術(shù)研究院，安徽 淮南 232001；3.深部煤炭開采與環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001)

煤炭開采過程中，原始應(yīng)力平衡狀態(tài)由于采掘工作而失衡破壞，覆巖采動原生裂隙擴(kuò)裂發(fā)育，采動次生裂隙從微觀裂紋到宏觀裂縫的演變，兩者互相影響并經(jīng)歷一系列的時空演化[1]，共同形成了采動覆巖的破壞。采掘過程中導(dǎo)致的各種工程災(zāi)害及環(huán)境問題與覆巖破壞、裂隙發(fā)育息息相關(guān)[2]。

針對采動覆巖結(jié)構(gòu)破壞及其演化特征，學(xué)者們進(jìn)行了大量的理論和實(shí)踐研究。杜文剛[3]等利用光纖傳感技術(shù)研究覆巖運(yùn)移規(guī)律，提出了“光纖-巖體耦合系數(shù)”指標(biāo)；朱慶偉[4]等從土力學(xué)與材料力學(xué)角度出發(fā)，根據(jù)梁變形理論推算出各階段覆巖結(jié)構(gòu)的變形公式并進(jìn)行了實(shí)測驗(yàn)證；張禮[5]等構(gòu)建了裂隙場滲透率計算模型，通過水力學(xué)相關(guān)求解方法及現(xiàn)場實(shí)測，進(jìn)行了間接求解；孫學(xué)陽[6]、汪長明[7]等采用相似材料模擬試驗(yàn)的方法，分別研究了特厚煤層分層及大傾角厚煤層開采條件下的覆巖運(yùn)移規(guī)律；許永祥[8]等研究了特厚堅(jiān)硬煤層超大采高工作面煤壁破壞形式；樊振立[9]等對軟弱厚黏土層覆巖采動破壞進(jìn)行了研究，得出了其破壞所呈現(xiàn)的泥蓋效應(yīng)；張玉軍[10]等研究了急傾斜特厚煤層分層開采得到覆巖裂隙發(fā)育特征，得出了導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計公式；楊國樞[11]等對近距離煤層群二次采動條件下的覆巖破壞規(guī)律進(jìn)行了研究；韓軍[12]等對巨厚煤層分層開采軟弱覆巖破壞特征進(jìn)行了研究，得出了采厚與覆巖破壞高度正相關(guān)的結(jié)論；楊威[13]等通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場應(yīng)用相結(jié)合的手段，對中厚煤層堅(jiān)硬頂板切頂卸壓自成巷技術(shù)進(jìn)行了研究；張杰[14]、盧少帥[15]等通過相似模擬的方式對淺埋近距離煤層群重復(fù)采動條件下覆巖破壞規(guī)律進(jìn)行了研究；蔚保寧[16]、侯恩科[17]等分別利用鉆孔探測技術(shù)和數(shù)值模擬，對淺埋煤層覆巖“三帶”高度進(jìn)行了模擬和實(shí)測，給出指導(dǎo)現(xiàn)場方案；劉紅威[18]等研究了切頂成巷條件下采空區(qū)覆巖破壞與裂隙發(fā)育特征；張玉軍[19]等總結(jié)并分析了現(xiàn)有的覆巖破壞實(shí)測方法及相關(guān)研究進(jìn)展；疏義國[20]、吳榮新[21]等利用光纖傳感技術(shù)和電法監(jiān)測技術(shù)對覆巖破壞規(guī)律進(jìn)行了研究。但是現(xiàn)有的研究成果對于分層開采厚硬直覆頂板條件下的覆巖破壞討論較少，且厚硬頂板破壞為采動高應(yīng)力卸荷導(dǎo)致的突然應(yīng)力釋放，區(qū)別于以往大多數(shù)軟弱破碎巖層的情況。本文以淮南礦區(qū)顧北礦分層開采厚硬頂板直覆13121上工作面為研究背景，對其結(jié)構(gòu)破壞及移動規(guī)律進(jìn)行研究。

1 工程背景

淮南礦區(qū)主采A組煤，其中顧北礦13121上工作面為A組煤首采面，位于南一1煤采區(qū)。工作面傾向長壁布置，工作面寬205m，可采長度1049.1m，上分層采高4m；1煤平均厚度為7.8m；煤層平均傾角5°；煤層以粒狀、粉末狀為主，煤種的1/3焦煤，普氏系數(shù)為0.43～0.65，是典型軟煤。工作面老頂為細(xì)砂巖，平均厚度11.5m；直接頂為泥巖，平均厚度為0.8m；偽頂缺失；直接底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度2.3m；老底為粉細(xì)砂巖，平均厚度5.4m。

由于A組煤不同區(qū)域厚砂巖頂板直覆，開采后易在采空區(qū)懸而不垮，來壓時步距大，積聚大量彈性能，斷裂后極易產(chǎn)生沖擊地壓，可造成高噸位液壓支架立柱桿體炸裂，同時將采空區(qū)瓦斯氣體瞬時擠出，形成巨大風(fēng)暴，對A組煤安全開采構(gòu)成了巨大威脅。而A組煤是否能夠回采成功，又決定了礦井未來的產(chǎn)量規(guī)模、經(jīng)濟(jì)效益以及服務(wù)年限。因此，迫切需要對分層開采厚砂巖頂板的結(jié)構(gòu)破壞和移動規(guī)律進(jìn)行研究，保證生產(chǎn)安全。

2 覆巖結(jié)構(gòu)破裂形式及特征分析

2.1 覆巖力學(xué)特征

對顧北礦13131上工作面運(yùn)輸巷砂巖直覆區(qū)頂板取芯，所取范圍為煤層上方40m內(nèi)，對巖石試樣進(jìn)行物理力學(xué)性能試驗(yàn)，得出巖石的物理力學(xué)參數(shù)。

單軸壓縮實(shí)驗(yàn)以及巴西劈裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，其中砂巖的平均抗拉強(qiáng)度為4.9MPa，抗壓強(qiáng)度為58.5MPa，泥巖的平均抗壓強(qiáng)度為28.1MPa，抗拉強(qiáng)度為3.4MPa。試樣強(qiáng)度的離散性是由于試件內(nèi)部存在原生裂隙或者節(jié)理，影響了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中，砂巖和泥巖試樣的抗拉強(qiáng)度約為抗壓強(qiáng)度的1/9，表現(xiàn)為明顯的抗壓不抗拉的特性，即巖石硬度大，脆性強(qiáng)。

圖1 巖石力學(xué)性質(zhì)分析

試件的壓縮破壞表現(xiàn)為軸向劈裂為主，如圖2所示，呈現(xiàn)“類Y型”的軸向裂隙破壞形式；試件的巴西劈裂破壞表現(xiàn)為沿徑向斷裂，破裂線平直，破裂斷面平整，產(chǎn)生極少的碎屑，為典型的脆性破壞。

圖2 試件破壞形式及裂隙演變規(guī)律

2.2 覆巖礦物成分分析

針對13121上工作面巖層柱狀，自下而上依次選取泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖、細(xì)砂巖4個礦石樣品，利用衍射儀進(jìn)行分析。

通過衍射分析計算可得，泥巖和砂質(zhì)泥巖中石英(SiO2)和高嶺石(Al2Si2O5(OH)4)的相對百分含量分別為94.67%和5.33%，83.92%和16.08%。砂巖中石英(SiO2)、菱鐵礦(FeCO3)和方解石(CaCO3)的相對百分含量分別為83.71%、1.38%和16.47%；細(xì)砂巖中石英(SiO2)、菱鐵礦(FeCO3)、高嶺石(Al2Si2O5(OH)4)和方解石(CaCO3)的相對百分含量分別為85.86%、1.06%、4.00%和9.08%。

3 采動覆巖移動破壞規(guī)律研究

3.1 采場覆巖移動規(guī)律數(shù)值模擬研究

3.1.1 數(shù)值計算模型及參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場條件建立FLAC3D數(shù)值模型，模型遵循Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，側(cè)邊約束x、y方向位移，底邊約束x、y、z方向位移，側(cè)壓力系數(shù)取0.5，相關(guān)巖層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。按13121上工作面的綜合柱狀建立FLAC3D數(shù)值分析模型，模型長×寬×高=300m×200m×65m，模擬1煤開采厚度4m。模型上邊界未模擬巖層增加13.535MPa垂直應(yīng)力作為補(bǔ)充，每次開挖步距為20m，最大推進(jìn)距離130m。

3.1.2 模擬方案

采用控制變量法，對工作面不同推進(jìn)距離下的工作面應(yīng)力分布及塑性區(qū)破壞深度進(jìn)行分析，進(jìn)而判斷頂板覆巖移動破壞規(guī)律。

3.1.3 模擬結(jié)果分析

隨著工作面推進(jìn)，工作面應(yīng)力及塑性區(qū)分布如圖3—圖5所示。

圖3 工作面垂直應(yīng)力分布

圖4 工作面水平應(yīng)力分布

圖5 工作面塑性區(qū)破壞分布

由圖3—圖5可得：①工作面兩側(cè)煤壁前5～8m出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力集中系數(shù)與推進(jìn)距離呈正相關(guān)，采場兩端煤壁支承影響角為28°；②采場上覆塑性區(qū)發(fā)育高度：推進(jìn)70m時，發(fā)育高度39.2m；推進(jìn)90m時，發(fā)育高度40.5m；推進(jìn)110m時發(fā)育高度46.3m；推進(jìn)130m時發(fā)育高度58.4m并且與上部巖層貫通。工作面推進(jìn)130m塑性破壞分區(qū)：煤層頂板以上17.6m范圍特別嚴(yán)重；17.6～25.5m范圍出現(xiàn)較嚴(yán)重塑性破壞；26.7m以上塑性破壞程度一般；③工作面上覆巖層主要破壞形式為剪切破壞及拉破壞，出現(xiàn)三個剪應(yīng)力集中區(qū)，分別位于采場頂板上0.8m、17.6m、25.5m，從應(yīng)力云圖看各集中區(qū)之間剪應(yīng)力出現(xiàn)分離現(xiàn)象，且隨推進(jìn)距離的不斷增加，該趨勢愈加明顯，結(jié)合垂直應(yīng)力、塑性區(qū)分布說明11.6m及其下部巖層發(fā)生破壞，而其上部巖層在已破壞承載區(qū)下發(fā)生彎曲變形形成整體剪應(yīng)力分布特征，即覆巖冒落高度18.0m左右。

3.2 推進(jìn)速度對采場覆巖破壞影響分析

3.2.1 推進(jìn)速度對周期來壓步距的影響

煤巖體破壞區(qū)以及工作面覆巖應(yīng)力降低區(qū)與推進(jìn)速度成反比，即推進(jìn)速度過快導(dǎo)致卸壓時間短，圍巖未完全卸壓而具有較好的完整性。假設(shè)巖體為完全黏彈性體，形變時間短，總體變形量小。

基本頂?shù)母矌r載荷傳遞具有時間效應(yīng)，即老頂?shù)膶?shí)際抗壓強(qiáng)度在未充分受載和充分受載時不一致，未充分受載時相對抗壓強(qiáng)度高。載荷由于推進(jìn)時間短而無法充分傳遞，實(shí)際作用載荷減小，此時老頂周期來壓步距增大。

式中，L為周期來壓步距，m；h為基本頂巖層厚度，m；Rt為基本頂?shù)目箟簭?qiáng)度，MPa；q為作用在基本頂上的載荷及基本頂自重，MPa。

對于厚硬直覆砂巖頂板條件，工作面回采后圍巖變形破壞時間長，較快的推進(jìn)速度會導(dǎo)致老頂周期來壓步距增大，此時會增大控頂距，造成堅(jiān)硬頂板“懸而不垮”，一旦超過頂板巖層破斷極限，會引發(fā)沖擊地壓等一系列安全問題。

3.2.2 推進(jìn)速度對基本頂下沉量的影響

老頂發(fā)生“斷裂回轉(zhuǎn)-觸矸穩(wěn)定”過程中工作面的推進(jìn)長度即為來壓步距，老頂塊體回轉(zhuǎn)運(yùn)動如圖7所示。頂板載荷由于傳遞時間短，未能均勻分布，此時圍巖內(nèi)裂隙不發(fā)育，圍巖變形不顯著，直接頂垮落不充分，采空區(qū)的充實(shí)率較低，老頂?shù)幕剞D(zhuǎn)空間大，即圖6(b)中ΔS2大于圖6(a)中ΔS1。當(dāng)老頂開始破壞回轉(zhuǎn)下沉?xí)r，工作面來壓。較快推進(jìn)時，老頂下沉量W2大于W1，老頂觸矸穩(wěn)定所需回轉(zhuǎn)量增大，此時來壓持續(xù)長度增大，即圖6(b)中S2大于圖6(a)中S1。

來壓長時高強(qiáng)作用于煤壁會導(dǎo)致煤壁出現(xiàn)應(yīng)力集中，在淺部煤璧發(fā)生片幫等巷道橫向變形破壞，巷道收斂嚴(yán)重，增大工作量。

圖6 不同推進(jìn)速度下老頂塊體回轉(zhuǎn)運(yùn)動

4 厚硬直覆頂板控制技術(shù)

4.1 厚硬直覆頂板控制原理

采用砌體梁理論分析厚硬頂板直覆下的采場礦壓特征，利用深孔預(yù)裂爆破放頂技術(shù)，在采場上方采空區(qū)后方的堅(jiān)硬頂板布置鉆孔并實(shí)施爆破，而后周期來壓作用下將頂板沿預(yù)裂面切垮，減小了關(guān)鍵塊的回轉(zhuǎn)和下沉變形，可以優(yōu)化工作面頂板來壓步距和消除大面積懸頂，其方案原理如圖7所示。

圖7 厚硬直覆頂板控制方案原理

4.2 厚硬直覆頂板控制方案

在精準(zhǔn)探測頂板厚硬變化和優(yōu)選分期預(yù)裂爆破方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合工作面頂板巖層賦存條件，確定了切眼分組遞進(jìn)式大傾角淺孔預(yù)裂炮眼布置、巷幫鉆場集中扇形小傾角中深孔-深孔間隔布置預(yù)裂鉆孔布置形式。

4.2.1 初采期切頂預(yù)裂爆破

工作面安裝之前，在切眼進(jìn)行深孔預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂，共布置4組16個鉆孔，開孔位置距離采空區(qū)1.5m，封孔距離煤層頂板高度5～7m，終孔高度在14.7～18m之間。預(yù)裂孔布置方案見表1。

表1 切眼預(yù)裂爆破孔參數(shù)

4.2.2 回采期切頂預(yù)裂爆破

通過研究臨近工作面同煤層來壓情況，結(jié)合前述研究，設(shè)計運(yùn)輸巷切頂距離為30m、回風(fēng)巷間距為15m的預(yù)裂爆破方式沿工作面兩巷鉆平行超前深孔爆破方式來強(qiáng)制放頂。

膠帶運(yùn)輸巷鉆孔每組布置4個鉆孔，孔間距1m，組間距30m，在巷道肩窩處開孔，終孔高度16m，封孔高度5m，回風(fēng)巷除組間距為15m，其余參數(shù)與運(yùn)輸巷一致。具體布置方案如圖8所示，工作面兩巷爆破孔參數(shù)見表2。

圖8 工作面兩巷爆破孔布置方案

表2 工作面兩巷爆破孔參數(shù)表(A-A剖面)

4.2.3 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果及分析

顧北礦13121工作面的開采實(shí)踐表明：采用該放頂方案后，工作面初次來壓步距由壓裂前的65m降至32.23m，周期來壓步距壓裂前的25m降至壓裂后的10.8m；工作面上、中、下來壓不同步，中部稍早于上部和下部；工作面動載系數(shù)從上到下逐漸減小且離散型不大。通過切頂改變頂板斷裂位置至采空區(qū)側(cè)，使得基本頂及其控制的上覆巖層側(cè)向塊體旋轉(zhuǎn)下沉對巷道頂板的擾動減弱，同時充分發(fā)揮采空區(qū)垮落矸石的碎脹支撐作用，改變了原有的高應(yīng)力環(huán)境，明顯降低了來壓強(qiáng)度和動載影響，有效解決了頂板“懸而不垮”的難題。

5 結(jié) 論

1)以淮南礦區(qū)顧北礦13121上工作面為工程地質(zhì)背景，對其頂板覆巖進(jìn)行巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)與礦物成分分析。其中，砂巖和泥巖試樣的抗拉強(qiáng)度約為抗壓強(qiáng)度的1/9，表現(xiàn)為明顯的抗壓不抗拉的特性，即頂板巖石硬度大，脆性強(qiáng)。頂板巖層的組成成分為石英(SiO2)、高嶺石(Al2Si2O5(OH)4)、菱鐵礦(FeCO3)和方解石(CaCO3)。

2)通過數(shù)值模擬得到工作面兩側(cè)煤壁前5～8m出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力集中系數(shù)與推進(jìn)距離呈正相關(guān)，采場兩端煤壁支承影響角為28°。隨著工作面不斷推進(jìn)，工作面上覆巖層出現(xiàn)塑性破壞分區(qū)，其中覆巖冒落高度18.0m左右。

3)煤巖體破壞區(qū)以及工作面覆巖應(yīng)力降低區(qū)與推進(jìn)速度成反比，推進(jìn)速度過快導(dǎo)致卸壓時間短，煤巖體無法充分卸壓。在推進(jìn)較快時，來壓期間支架載荷略有增加，但是增幅不大。

4)經(jīng)過現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)可知，工作面初次來壓步距由壓裂前的65m降至32.23m，周期來壓步距壓裂前的25m降至壓裂后的10.8m。深孔預(yù)裂爆破放頂后實(shí)現(xiàn)了初次來壓、周期來壓步距的減少以及支架工作阻力的優(yōu)化，解決了來壓步距大、大面積懸頂?shù)拿旱V安全問題。