張冬冬，同 超，陳 兵，陳 輝，巨江鵬

(1.陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000；2.西安科技大學(xué)，陜西 西安 710054；3.陜煤榆北煤業(yè)信息化運維分公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

彬長礦區(qū)是我國中西部地區(qū)具有豐富煤炭儲量的礦區(qū)之一，區(qū)內(nèi)地層白堊系洛河組巖層廣泛分布，主要由各粒級的砂巖和礫巖組成。區(qū)內(nèi)亭南煤礦二盤區(qū)位于礦井西翼北部，走向平均長度為3 055 m，傾斜平均長度為2 582 m，面積788.65萬m2。主采煤層為4號煤層，平均埋深620 m，煤層平均厚度為15.03 m，煤層平均傾角為3°。二盤區(qū)采用分層大采高綜采一次采全高開采方式，設(shè)計采高6.0 m，目前開采204、205、206這3個工作面。據(jù)二盤區(qū)鉆孔探測資料顯示，二盤區(qū)覆巖中賦存有巨厚而且較為堅硬的洛河組砂巖，且賦存層位較高，屬高位厚硬砂巖賦存條件。

眾多開采實踐表明，高位厚硬覆巖條件下進行煤炭開采，容易形成大面積懸頂，當懸露面積達到極限時高位厚硬巖層發(fā)生斷裂，伴隨著彈性能的大量釋放，進而引發(fā)強沖擊礦壓和震動，造成嚴重的采動損害[1]。因此，研究亭南煤礦二盤區(qū)大采高綜采工作面上覆高位厚硬巖層運動規(guī)律，對于二盤區(qū)高位厚硬洛河組砂巖條件下的安全開采提供了理論依據(jù)。

1 高位厚硬巖層定義及關(guān)鍵層判定

1.1 高位厚硬巖層定義

縱觀國內(nèi)學(xué)者的研究成果[28]，一些學(xué)者提出了高位厚硬巖層，但是沒有具體給出定義，見表1。分析表1實例中的地質(zhì)采礦條件，可認為高位厚硬巖層是指：覆巖中存在一層距離煤層較遠，巖層厚度遠大于采高、完整性良好，控制覆巖移動變形的中硬或堅硬巖層。結(jié)合二盤區(qū)綜合地質(zhì)柱狀圖，二盤區(qū)地層由上及下整體呈現(xiàn)出“軟—硬—軟—軟”的結(jié)構(gòu)，其中位于白堊系下統(tǒng)的洛河組巨厚砂巖，厚度為308.1 m，距離煤層頂板距離為178.8 m，而二盤區(qū)工作面煤層開采高度為6.0 m，符合高位厚硬巖層的賦存特征。

表1 高位厚硬巖層賦存情況統(tǒng)計

1.2 覆巖關(guān)鍵層的判別

綜合分析二盤區(qū)地層條件及覆巖巖性特征，覆巖中洛河組砂巖層厚度大、強度高，具有關(guān)鍵層的特征，因此對300 m厚高位厚硬巖層分層進行關(guān)鍵層判定。二盤區(qū)覆巖中4號煤層頂板至地表總共29層巖土層，并進行編號。運用關(guān)鍵層理論，進行計算判別，可知覆巖中存在“一主四亞”復(fù)合關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵層判別結(jié)果見表2。

表2 覆巖(土)層物理力學(xué)參數(shù)及關(guān)鍵層判別

2 高位厚硬巖層破斷演化機理

2.1 關(guān)鍵層破斷判別力學(xué)模型

二盤區(qū)煤層開采以后，覆巖呈現(xiàn)“三帶”分布，關(guān)鍵層是否穩(wěn)定，就要看關(guān)鍵層彎曲變形是否達到極限跨矩。因此，本文基于基巖破斷角和關(guān)鍵層的極限跨距建立力學(xué)模型，來判別關(guān)鍵層是否穩(wěn)定，進而研究關(guān)鍵層運動破斷機理，關(guān)鍵層破斷可以簡化為如圖1所示的力學(xué)模型。

圖1 關(guān)鍵層破斷力學(xué)模型Fig.1 The fracture mechanics model of the key layer

根據(jù)圖1中的幾何關(guān)系，則有以下判別公式

(1)

式中，D為關(guān)鍵層的懸頂距，m；L為開采長度，m(工作面長度均為200 m，工作面之間留設(shè)30 m煤柱)；∑hi為關(guān)鍵層至煤層頂板的垂距，m；β為基巖破斷角，取60°[9]。

通過對比關(guān)鍵層的懸頂距(D)和極限破斷距(li)，可判別該關(guān)鍵層的穩(wěn)態(tài)。當D=0時，覆巖破壞尚未影響至關(guān)鍵層，該關(guān)鍵層仍舊穩(wěn)定；當0

表3 204工作面開采結(jié)束覆巖移動破壞狀態(tài)(L=200 m)

表4 205工作面開采結(jié)束覆巖移動破壞狀態(tài)(L=430 m)

表5 206工作面開采結(jié)束覆巖移動破壞狀態(tài)(L=660 m)

由表3可知，204工作面開采結(jié)束后，開采長度為200 m，覆巖中亞關(guān)鍵層①②發(fā)生破斷，失去對其所控制的覆巖的承載能力；對于覆巖中的亞關(guān)鍵層③，其懸頂距為30.058 m，未達到該巖層的極限破斷距(45.447 m)，說明此時③雖受采動影響，但并未發(fā)生破斷，仍有一定強度控制上覆巖層的移動變形；而亞關(guān)鍵層④和主關(guān)鍵層，懸頂距等于0，說明204工作開采覆巖移動破壞未波及到亞關(guān)鍵層④和主關(guān)鍵層位置。

由表4可知，205工作面開采后，累計開采長度達到430 m，覆巖采動破壞逐步向上擴展，亞關(guān)鍵層③④發(fā)生破斷；而此時主關(guān)鍵層依然未受影響，能夠支撐和控制上覆巖層的移動變形。

由表5可知，206工作面開采結(jié)束后，開采尺寸達到660 m，覆巖移動破壞繼續(xù)向上發(fā)展致使主關(guān)鍵層發(fā)生破斷。

2.2 高位厚硬巖層破斷演化機理分析

204工作面開采結(jié)束后，覆巖中亞關(guān)鍵層①②發(fā)生破斷，亞關(guān)鍵層③④和主關(guān)鍵層仍起著控制上覆巖層移動破斷的作用；205工作面開采結(jié)束后，亞關(guān)鍵層③④發(fā)生破斷，覆巖中只有主關(guān)鍵層對上覆巖(土)層起著控制作用；206工作面開采結(jié)束后，主關(guān)鍵層自身厚度較大(60.38 m)，破斷沒有貫穿整個巖層，只是局部破斷，破斷巖梁回轉(zhuǎn)，與母巖之間相互擠壓支撐，形成了穩(wěn)態(tài)鉸接結(jié)構(gòu)。而主關(guān)鍵層下伏巖層因亞關(guān)鍵層④的破斷而發(fā)生整體下沉，主關(guān)鍵層與下伏巖層產(chǎn)生一定范圍的離層，如圖2所示。

圖2 鉸接結(jié)構(gòu)控制覆巖移動演化機理示意Fig.2 Schematic diagram of the mechanism of the hinged structure controlling the movement and evolution of the overlying rock

隨著工作面開采尺寸的進一步增大，覆巖移動破壞繼續(xù)向上傳遞，主關(guān)鍵層與母巖在一定范圍內(nèi)形成的穩(wěn)定鉸接結(jié)構(gòu)，控制著上覆巖土層的移動變形，鉸接結(jié)構(gòu)在向水平方向擴展的同時也向下運動；另一方面，主關(guān)鍵層下伏巖層由于自重及覆巖重力作用逐漸壓實，當開采尺寸達到一定程度，主關(guān)鍵層下伏巖層達到最大允許下沉值，離層空間閉合，主關(guān)鍵層形成的鉸接結(jié)構(gòu)不再向下運動。此時，覆巖及地表達到最大下沉值，下沉盆地范圍逐漸增大，形成移動下沉盆地。

3 高位厚硬巖層移動演化規(guī)律分析

3.1 覆巖破壞演化過程

根據(jù)亭南煤礦二盤區(qū)工作面采礦地質(zhì)條件，選取并考慮計算需要，本次FLAC3D數(shù)值模擬模型尺寸為1 480 m ×1 000 m ×668 m(長×寬×高)，模擬204、205、206這3個工作面寬度均為200 m，工作面之間區(qū)段煤柱30 m；兩側(cè)留設(shè)邊界煤柱分別為300 m(約1/2H，使模擬不受邊界效應(yīng)影響)，開采高度為6.0 m，具體如圖3所示。

圖3 數(shù)值模擬計算模型Fig.3 Numerical simulation calculation model

通過FLAC3D數(shù)值模擬計算，從中提取地表及覆巖中各主(亞)關(guān)鍵層(共計6個層位)底部對應(yīng)的部分模型節(jié)點的下沉值，繪制出不同工作面開采結(jié)束后地表及覆巖中各主(亞)關(guān)鍵層的下沉曲線，如圖4～6所示。

圖4 204工作面開采結(jié)束覆巖及地表下沉曲線Fig.4 Curve of overlying rock and surface subsidence at the end of mining in 204 working face

圖5 205工作面開采結(jié)束覆巖及地表下沉曲線Fig.5 Curve of overlying rock and surface subsidence at the end of mining in 205 working face

圖6 206工作面開采結(jié)束覆巖及地表下沉曲線Fig.6 Curve of overlying rock and surface subsidence at the end of mining in 206 working face

由圖4可知，204工作面開采結(jié)束，覆巖中亞關(guān)鍵層①②產(chǎn)生較大下沉，說明①②發(fā)生破斷，其中①最大下沉量約2 428 mm，②最大下沉量約1 717 mm，③產(chǎn)生少量下沉，為撓曲變形，覆巖中亞關(guān)鍵層④、主關(guān)鍵層及地表都未發(fā)生較大位移，地表下沉僅為413 mm，下沉系數(shù)為0.069。

由圖5可知，205工作面開采結(jié)束，覆巖中亞關(guān)鍵層①②下沉量繼續(xù)增大，其中①最大下沉量約3 644 mm，②最大下沉量約2 369 mm，且下沉曲線呈“W”狀分布，這是204工作面和205工作面之間的區(qū)段煤柱支撐的結(jié)果。煤柱支撐高度范圍介于②③之間，即支撐效應(yīng)影響高度為90～148 m。③④發(fā)生破斷，最大下沉量分別為1 609 mm和1 473 mm，且在亞關(guān)鍵層③至主關(guān)鍵層區(qū)域內(nèi)發(fā)生多處離層，地表最大下沉量為1 206 mm，下沉系數(shù)為0.201。

由圖6可知，206工作面開采結(jié)束，覆巖中已經(jīng)破斷的4個亞關(guān)鍵層沉量繼續(xù)增大，其中①②③在模型X方向600 m位置附近，出現(xiàn)最大下沉值3 982 mm、3 461 mm、3 105 mm，④在模型X方向650 m位置附近，最大下沉量約2 961 mm，這是覆巖逐漸壓實壓密的結(jié)果。由于204、205、206工作面之間區(qū)段煤柱的支撐，①②下沉曲線呈“雙W”狀分布，最大下沉值均出現(xiàn)在205工作面范圍內(nèi)偏向204工作面，覆巖壓實程度更高，下沉量更大。煤柱支撐效應(yīng)對亞關(guān)鍵層③影響不大，因此煤柱支撐影響范圍介于亞關(guān)鍵層②和③之間，即支撐效應(yīng)影響高度為90～148 m。相比204工作面開采結(jié)束區(qū)段煤柱的支撐效應(yīng)，205工作面開采結(jié)束后，煤柱支撐效應(yīng)更加微弱，說明煤柱部分產(chǎn)生塑性變形。④和其上位的主關(guān)鍵層下沉量存在較大差距，說明主關(guān)鍵層與其下伏巖層之間發(fā)生離層現(xiàn)象。主關(guān)鍵層與地表表現(xiàn)為同步平滑下沉曲線，說明主關(guān)鍵層仍然控制著上覆巖土層的移動變形，地表最大下沉量為2 350 mm，下沉系數(shù)為0.392，與實測相吻合。

3.2 高位厚硬巖層下大采高綜采覆巖移動演化規(guī)律

結(jié)合大采高綜采多工作面開采覆巖及地表下沉演化過程數(shù)值模擬、關(guān)鍵層破斷力學(xué)模型、高位厚硬巖層移動演化機理分析，繪制出大采高綜采上覆高位厚硬巖層移動演化示意圖，如圖7～9所示。

圖7 204工作面開采結(jié)束覆巖移動演化示意Fig.7 Schematic diagram of overlying rock movement evolution at the end of mining in 204 working face

圖8 205工作面開采結(jié)束覆巖移動演化示意Fig.8 Schematic diagram of overlying rock movement evolution at the end of mining in 205 working face

圖9 206工作面開采結(jié)束覆巖移動演化示意Fig.9 Schematic diagram of overlying rock movement evolution at the end of mining in 206 working face

由圖7可知，204工作面開采結(jié)束，覆巖整體呈三帶分布。煤層頂板至上方22.4 m(約為3.7倍采高)為覆巖冒落帶區(qū)域，冒落帶向上74.6 m的范圍內(nèi)為覆巖裂縫帶區(qū)域，即裂縫帶發(fā)育高度為97 m(約為16.2倍采高)，裂縫帶向上525 m直達地表范圍為覆巖的彎曲下沉帶范圍。由于開采范圍小，開采對覆巖擾動破壞只影響到亞關(guān)鍵層③，故③表現(xiàn)為微量的撓曲變形，由于③的控制作用，其上覆巖土層表現(xiàn)為微量下沉。

由圖8可知，205工作面開采結(jié)束，覆巖移動破壞向上傳遞導(dǎo)致亞關(guān)鍵層③④發(fā)生破斷，破斷距分別為45.447 m和74.860 m。覆巖冒落帶高度增至25.2 m(4.2倍采高)，冒落帶向上289.8 m的范圍為覆巖裂縫帶區(qū)域，即裂縫帶發(fā)育高度為315 m。整個亞關(guān)鍵層全部破斷，彎曲下沉帶下方巖層整體下沉，原有的④下方離層消失并閉合。主關(guān)鍵層，由于其厚度大且堅硬，在自重及上覆巖土層的荷載作用下表現(xiàn)為撓曲變形，與下伏巖層下沉不一致，產(chǎn)生離層。由于區(qū)段煤柱的支撐作用，在覆巖一定高度范圍之內(nèi)，破斷的巖層呈現(xiàn)“波浪形”，圖中點狀虛線區(qū)域為煤柱支撐影響范圍，結(jié)合數(shù)值模擬覆巖下沉曲線，確定煤柱支撐效應(yīng)影響高度為90～148 m。

由圖9可知，206工作面開采結(jié)束，開采尺寸達到660 m，覆巖主關(guān)鍵層破斷，破斷距為122.963 m，但是由于主關(guān)鍵層自身厚度大，破斷不會貫穿整個巖體，斷裂裂隙只發(fā)育到一定深度，破斷的巖梁由于回轉(zhuǎn)運動，與母巖之間將受到水平推力的作用而形成了鉸接結(jié)構(gòu)，控制著上覆巖土層的移動變形，關(guān)鍵層整體表現(xiàn)為局部破斷的撓曲變形，因此，鉸接結(jié)構(gòu)與下伏巖層之間出現(xiàn)一定范圍的離層。覆巖冒落帶高度為25.2 m(4.2倍采高)，裂縫帶發(fā)育高度為386 m，裂縫帶向上234 m直達地表范圍為覆巖的彎曲下沉帶。區(qū)段煤柱的支撐影響范圍較205工作面開采結(jié)束有輕微增高，但仍在90～148 m范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

(1)分析給出了高位厚硬巖層的定義，結(jié)合二盤區(qū)地質(zhì)采礦條件及覆巖巖性結(jié)構(gòu)特征分析，判定二盤區(qū)屬典型高位厚硬巖層賦存條件。

(2)應(yīng)用關(guān)鍵層理論，判別出二盤區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)為“一主四亞”的復(fù)合關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)，204工作面開采，亞關(guān)鍵層①②破斷；205工作面開采，覆巖亞關(guān)鍵層③④破斷；206工作面開采結(jié)束，主關(guān)鍵層破斷。

(3)通過對關(guān)鍵層破斷機理的分析，認為關(guān)鍵層自身厚度大，破斷不會貫穿整個巖體，破斷的巖梁由于回轉(zhuǎn)運動，與母巖形成了鉸接結(jié)構(gòu)，控制著上覆巖土層的移動變形，關(guān)鍵層整體表現(xiàn)為局部破斷的撓曲變形。