田 臣, 楊增福, 李金剛

(1.國(guó)家能源集團(tuán)煤炭與運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)管理部, 北京 100000; 2.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院, 哈爾濱 150022;3.國(guó)能神東煤炭技術(shù)研究院, 陜西 神木 719000; 4.國(guó)能神東煤炭補(bǔ)連塔煤礦, 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引 言

由于褶皺構(gòu)造的存在,將對(duì)工作面的布置和回采造成較大的影響,由于仰采過(guò)褶皺、背斜等地質(zhì)構(gòu)造的特殊性,導(dǎo)致事故頻發(fā),造成設(shè)備損壞、停產(chǎn)減產(chǎn),給礦井帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和安全威脅[1-2]。

學(xué)者們對(duì)褶曲構(gòu)造使用不同的方法,做了很多研究。在數(shù)值模擬方面,付京賦[3]使用ADINA模擬了煤層褶皺構(gòu)造的形成過(guò)程,并分析了褶皺形成后在當(dāng)前構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下煤層的破壞過(guò)程。于曉東等[4]提出褶皺處的橫向應(yīng)力和面法線應(yīng)力集中是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)提前失效的主要原因,由于褶皺缺陷引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象,煤層在破壞過(guò)程中應(yīng)力無(wú)法逐層重分配。數(shù)學(xué)解析方法上,王盛川[5]以初始應(yīng)力狀態(tài)為基礎(chǔ),建立了向斜、背斜及翼部巷道的應(yīng)力分布力學(xué)模型,并推導(dǎo)出了巷道圍巖的極坐標(biāo)應(yīng)力分布函數(shù)。井廣成[6]通過(guò)比較考慮褶皺幾何展布、煤巖層厚度與屬性等因素的影響,研究了應(yīng)力分布和能量積聚情況,同時(shí)揭示了厚煤層褶皺形成過(guò)程中不同因素的作用差異,構(gòu)建了沖擊危險(xiǎn)函數(shù)。室內(nèi)試驗(yàn)研究分析上,李長(zhǎng)圣[7]通過(guò)雙軸試驗(yàn),研究了巖層黏聚力、內(nèi)摩擦角、基底滑脫強(qiáng)度以及厚度等因素對(duì)褶皺沖斷構(gòu)造特征的影響。張文杰[8]、Li等[9]等使用數(shù)值模擬及三維鉆孔電視,對(duì)鉆孔裂縫形態(tài)進(jìn)行了研究,獲得采后全覆蓋巖石裂縫發(fā)育特征。學(xué)者們做了大量工作,但是以上研究在參數(shù)選取、試驗(yàn)分析的離散性具有局限性,而相似模擬能夠?qū)Ⅰ薨櫂?gòu)造的實(shí)際情況良好地體現(xiàn)。王晨鴻[10]通過(guò)二維相似模擬試驗(yàn)的研究發(fā)現(xiàn),過(guò)背斜爬坡階段時(shí),巖層斷裂垮落后會(huì)在工作面一側(cè)形成張拉性裂隙,并且斷裂巖塊在回轉(zhuǎn)下沉的過(guò)程中會(huì)被采空區(qū)側(cè)已經(jīng)垮斷冒落巖塊所支撐,進(jìn)而形成一個(gè)砌體梁結(jié)構(gòu)。

前人以二維相似模擬試驗(yàn)為平臺(tái),在褶皺構(gòu)造帶的礦壓顯現(xiàn)方面做了大量研究,但是這種模擬方法在實(shí)際工作中也具有很大的局限性。相比于二維相似模擬,三維相似模擬可以更好地模擬實(shí)際工作面頂?shù)装寮肮ぷ髅娴墓r,本文搭建了三維相似模擬試驗(yàn)臺(tái),以期為褶皺構(gòu)造區(qū)大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律提供參考。

1 工程概況

12514綜采面位于12煤五盤(pán)區(qū),綜采面長(zhǎng)度327.7 m,推采長(zhǎng)度3 088.8 m。8 m超大采高綜采面沿走向布置,以正坡推進(jìn)為主,采用傾斜長(zhǎng)壁后退式開(kāi)采全部垮落法處理采空區(qū)的綜合機(jī)械化采煤法進(jìn)行回采作業(yè)。

五盤(pán)區(qū)存在頂板構(gòu)造應(yīng)力集中帶,該區(qū)域內(nèi)巖層起伏大,為褶皺構(gòu)造,存在高構(gòu)造應(yīng)力,現(xiàn)場(chǎng)礦壓異常,綜采面回采至該區(qū)域時(shí)來(lái)壓強(qiáng)度大,步距短,帶壓距離長(zhǎng),甚至連續(xù)帶壓,回順礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈,以歷次冒頂位置為軸線,可基本判斷該異常帶范圍在軸線前后150 m。由于褶皺構(gòu)造區(qū)的存在,容易誘發(fā)頂板冒落、片幫等災(zāi)害,將導(dǎo)致整個(gè)工作面停產(chǎn)。

2 三維相似模擬試驗(yàn)

2.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在實(shí)驗(yàn)室模擬褶皺構(gòu)造區(qū)需建立完整的試驗(yàn)系統(tǒng),通過(guò)設(shè)計(jì)開(kāi)挖系統(tǒng)對(duì)實(shí)際工況進(jìn)行模擬,使用應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)不同巖層進(jìn)行監(jiān)測(cè),研發(fā)了預(yù)埋鉆孔窺探系統(tǒng)用來(lái)觀測(cè)開(kāi)挖擾動(dòng)下巖層的裂隙演化及巖層位移情況,如圖1所示。為了較為真實(shí)反映原巖應(yīng)力狀態(tài),選擇三維相似模擬并預(yù)留煤柱,采用應(yīng)力盒監(jiān)測(cè)巖層褶皺的軸部和翼部的應(yīng)力變化,通過(guò)預(yù)埋鉆孔窺探系統(tǒng)觀測(cè)開(kāi)挖擾動(dòng)下巖層的裂隙演化及巖層位移情況,如圖2所示。

圖1 相似模擬試驗(yàn)數(shù)字模型

圖2 相似模擬試驗(yàn)系統(tǒng)

2.2 相似模擬材料選擇

傳統(tǒng)相似模擬材料成分有骨料、膠結(jié)劑、添加劑。常用骨料有砂和原巖粉;用來(lái)測(cè)控相似材料其它性能的黏土、硅藻土、云母粉及鋁粉等。常用膠結(jié)材料分為兩類:一類是石膏、水泥、環(huán)氧樹(shù)脂及石蠟等,具有一定強(qiáng)度;另一類是石灰、碳酸鈣、高嶺土及黏土等。由于這些膠結(jié)材料強(qiáng)度較小,此次選擇石膏和碳酸鈣混合使用。

根據(jù)以往的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和實(shí)驗(yàn)室研究,本次試驗(yàn)最終確定的相似材料由以下部分組成:河沙、碳酸鈣、石膏、云母粉。其中河沙為50目,作為骨料;碳酸鈣、石膏為膠結(jié)材料,使用云母粉進(jìn)行層與層之間的分隔并標(biāo)定。圖3由左到右依次為河沙、碳酸鈣、石膏和云母粉。

圖3 相似材料選擇

2.3 相似平臺(tái)尺寸及相似系數(shù)

基于工作面大小、經(jīng)驗(yàn)預(yù)估、便于觀察等方面考慮,相似模擬平臺(tái)應(yīng)變尺寸為100 cm×100 cm×100 cm。各種物理相似系數(shù)確定如下。

CE=Cγ×CL,

Cσ=CLCγ=CECε,

Cμ=1,

CE=1,

Cf=1。

模型破壞試驗(yàn)要求Cε=1,則

Cσ=CE=Cτ=CC,

式中:CE——彈模比;

Cγ——容重比;

CL——幾何比;

Cσ——應(yīng)力比;

CF——集中應(yīng)力比;

Cμ——泊松比;

Cε——應(yīng)變比;

Cf——摩擦系數(shù)比。

其中模擬層數(shù)為29層,幾何比、時(shí)間比、容重比、強(qiáng)度比和彈模比分別為1/300、1/12、1/1、1/300和1/300。

通過(guò)正交試驗(yàn)獲得最終相似模擬試驗(yàn)配比,獲得實(shí)驗(yàn)室尺度下效果比較好的原巖應(yīng)力狀態(tài),使相似模擬試驗(yàn)臺(tái)接近12514工作面的實(shí)際工況。相似模擬試驗(yàn)材料配比如表1所示。圖4為配比號(hào)為773的試驗(yàn)原料。

表1 相似模擬試驗(yàn)材料配比

圖4 試驗(yàn)確定配比

2.4 試驗(yàn)過(guò)程

使用U型開(kāi)挖支撐結(jié)構(gòu)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)設(shè)備和鉆孔窺視裝置進(jìn)行試驗(yàn)。首先確定工作面實(shí)際開(kāi)采速度,依據(jù)幾何相似比和時(shí)間相似比,通過(guò)倒鏈葫蘆對(duì)開(kāi)挖速度進(jìn)行控制,將模擬開(kāi)采速度控制在3～5 cm/h的區(qū)間,為了形成運(yùn)輸順槽的開(kāi)挖,首先將所有木條依次開(kāi)挖3 cm,非褶皺構(gòu)造帶一側(cè)為起點(diǎn),褶皺構(gòu)造帶一側(cè)為終點(diǎn);然后對(duì)開(kāi)切眼進(jìn)行開(kāi)挖,形成運(yùn)輸順槽后,將褶皺構(gòu)造帶的木條按照模擬掘進(jìn)速度整根移除,形成開(kāi)切眼,形成首采工作面。開(kāi)切眼為第1步開(kāi)挖,非褶皺構(gòu)造區(qū)開(kāi)挖15步,褶皺構(gòu)造區(qū)開(kāi)挖17步,完全開(kāi)采完成時(shí)使用了33步。開(kāi)切眼和非褶皺構(gòu)造區(qū)開(kāi)采,煤層上方粉砂巖和細(xì)粒砂巖頂板隨著工作面推進(jìn)一定距離后自然垮落,上方巖層的受的擾動(dòng)影響很小,如圖5所示。以模擬開(kāi)采速度從近水平一側(cè)進(jìn)行開(kāi)挖,開(kāi)挖過(guò)程通過(guò)鉆孔三維電視成像設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)其幫壁和頂、底板,通過(guò)應(yīng)力盒采集應(yīng)力變化。分別在褶皺構(gòu)造區(qū)和非褶皺構(gòu)造區(qū)布置應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)位,共計(jì)7條測(cè)線,每條測(cè)線12個(gè)測(cè)點(diǎn),共計(jì)84個(gè)測(cè)點(diǎn),實(shí)時(shí)采樣至開(kāi)挖完畢,采樣頻率為1 Hz,應(yīng)力測(cè)點(diǎn)空間位置如圖6a所示。在以下四個(gè)位置預(yù)制鉆孔窺探通道,在褶皺構(gòu)造區(qū)和非褶皺構(gòu)造區(qū)預(yù)制三個(gè)垂直的鉆孔窺探通道,在預(yù)留煤柱和開(kāi)采工作面之間預(yù)制水平的鉆孔窺探通道,位置如圖6b所示。

圖5 試驗(yàn)開(kāi)挖過(guò)程

圖6 監(jiān)測(cè)空間位置

3 褶皺構(gòu)造區(qū)頂板運(yùn)移規(guī)律

3.1 垮落巖體垂向沉降量

隨著工作面的推進(jìn),巷道頂、底板和幫壁出現(xiàn)不同程度的冒落、底鼓和幫鼓,將不同位置的鉆孔柱狀圖、2D視圖和應(yīng)力-開(kāi)采位置曲線對(duì)比分析。通過(guò)標(biāo)定三維電視柱狀圖的不同層位的關(guān)鍵點(diǎn)的沉降量,得出垂向沉降系數(shù),比較分析不同位置的垂向沉降曲線。

對(duì)其不同層位進(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)的識(shí)別,對(duì)比開(kāi)采前后關(guān)鍵點(diǎn)的下沉量得出不同關(guān)鍵點(diǎn)及其上下層位的垂向沉降系數(shù),如圖7所示。

圖7 三維電視成圖及其關(guān)鍵點(diǎn)識(shí)別

工作面隨著巷道開(kāi)挖出現(xiàn)冒落塊體,對(duì)比褶皺構(gòu)造和非褶皺構(gòu)造工作面,為了評(píng)估巖體頂板是否會(huì)出現(xiàn)冒落現(xiàn)象,對(duì)巖體垂向沉降系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià),當(dāng)覆巖移動(dòng)時(shí),主要是巖體的垂向下沉和相應(yīng)的垂向沉降。確切地說(shuō),垮落巖體的體積變化主要沿垂直方向發(fā)生。因此,采空區(qū)垮落巖體沉降系數(shù)可由巖體垂向沉降系數(shù),即模型垂直方向上兩相鄰測(cè)點(diǎn)間采動(dòng)前后距離比近似代替。

式中:cc——垮落巖體垂向沉降系數(shù);

hn～n+1——采動(dòng)后兩相鄰測(cè)點(diǎn)間距離。

式中:Δω——兩相鄰測(cè)點(diǎn)間下沉差;

wn——測(cè)點(diǎn)n下沉值;

wn+1——測(cè)點(diǎn)n+1下沉值;

hn——測(cè)點(diǎn)n+1距煤層高度。

采空區(qū)垂向范圍內(nèi)不同高度破碎巖體的沉降系數(shù)并不是常數(shù),而是自垮落帶底部向上至充填控制巖層下界呈減小趨勢(shì),且滿足對(duì)數(shù)函數(shù)的衰減規(guī)律,如圖8所示。

圖8 垂向沉降系數(shù)擬合曲線

通過(guò)不同位置的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以得到三組不同的常數(shù),如表2所示。對(duì)采空區(qū)垂向范圍內(nèi)隨高度變化的破碎巖體沉降系數(shù)進(jìn)行擬合,得到三個(gè)擬合方程分別為

表2 擬合常數(shù)匯總

y1=1.03+2.38e-x/-2.50,y2=1.02+2.42e-x/-4.56,y3=1.02+4.29e-x/-7.21。

對(duì)比深部垂向沉降系數(shù)可知,仰采過(guò)褶皺的垂向沉降系數(shù)最大,俯采過(guò)褶皺的垂向沉降系數(shù)小于仰采過(guò)褶皺的垂向沉降系數(shù),非褶皺構(gòu)造的垂向沉降系數(shù)最小。

對(duì)比不同位置的擬合常數(shù)y0、A1和t1,可以發(fā)現(xiàn)仰采過(guò)褶皺的擬合方程中擬合常數(shù)的絕對(duì)值最大,說(shuō)明其在垂向上的變化趨勢(shì)更明顯。在垂向上,垂向系數(shù)與深度呈負(fù)相關(guān)變化,整體呈現(xiàn)“淺部小、深部大”的分布特性。垂向沉降系數(shù)變化最明顯的是過(guò)仰采過(guò)褶皺區(qū),其擬合常數(shù)A1為4.29,俯采過(guò)褶皺擬合常數(shù)為2.42,變化最小的是非褶皺構(gòu)造區(qū)擬合常數(shù)為2.38。鉆孔窺視深部區(qū)域的峰值沉降系數(shù)集中在1.15～1.3,中部區(qū)域集中在1.12～1.19,淺部區(qū)域集中在1.05～1.09。

3.2 應(yīng)力分布及礦壓顯現(xiàn)

隨著工作面的推進(jìn),受擾動(dòng)的巖層上方首先出現(xiàn)水平裂隙,產(chǎn)生細(xì)微的下沉,在下沉量達(dá)到一定值的時(shí)候,巖層下沿產(chǎn)生破斷,形成張拉性的裂隙并向上擴(kuò)展為離層。隨著工作面的推進(jìn),裂隙帶范圍逐漸變大。水平巖層應(yīng)力場(chǎng)開(kāi)始變化呈現(xiàn)上升趨勢(shì),在此埋深、壓力作用下巖層產(chǎn)生蠕變,水平巖層應(yīng)力增大至峰值16.98 kPa后開(kāi)始降低;由于水平側(cè)應(yīng)力顯現(xiàn)和應(yīng)力集中比較弱,能量聚集總量較小,所以基本沒(méi)有冒頂現(xiàn)象,幫鼓現(xiàn)象較弱。巷道兩幫裂隙并不發(fā)育,頂?shù)装鍫顟B(tài)良好,如圖9、10所示。通過(guò)鉆孔三維電視監(jiān)測(cè)可知,巷道形變量小于0.01mm。

圖9 巷道過(guò)水平區(qū)鉆孔窺視平面

圖10 非褶皺構(gòu)造開(kāi)挖后頂板塌陷

由于上覆巖層角度變化不大,采場(chǎng)上覆巖破壞程度小于過(guò)褶皺構(gòu)造區(qū),斷裂巖塊的回轉(zhuǎn)下沉受到采空區(qū)側(cè)已經(jīng)垮斷冒落巖塊的支撐作用,形成砌體梁結(jié)構(gòu)。隨著工作面的推進(jìn)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。其中峰值應(yīng)力及其應(yīng)力超前分布,如圖11所示。

圖11 非褶皺構(gòu)造上覆巖層超前支撐壓力

工作面向前推進(jìn)過(guò)程中,前方應(yīng)力值開(kāi)始上升,由于頂板構(gòu)造的作用,應(yīng)力值上升到一個(gè)小的峰值后,在工作面前方11.53 cm處達(dá)到最大值16.98 kPa,在褶皺的影響下,工作面前方17.52 cm處下降至最小至后緩慢回升并接近至原巖應(yīng)力。

基于模型開(kāi)采過(guò)程中巖層破斷失穩(wěn)的過(guò)程,對(duì)巖體形態(tài)進(jìn)行比較分析,工作面開(kāi)采后,巖層從低位至高位依次破斷,巖層層位隨著推進(jìn)長(zhǎng)度的增加而提高;俯采過(guò)褶皺覆巖垮落趨向于采空區(qū)一側(cè),巖層斷裂垮落后,在工作面一側(cè)形成張拉性裂隙,斷裂巖塊的回轉(zhuǎn)下沉受到采空區(qū)側(cè)已經(jīng)垮斷冒落巖塊的支撐作用;仰采過(guò)褶皺階段擾動(dòng)巖層迅速?gòu)牡臀粩U(kuò)展到中位,再擴(kuò)展到高位;仰采過(guò)褶皺后,大量巖體斷裂。俯采過(guò)褶皺構(gòu)造區(qū)頂板出現(xiàn)松動(dòng),兩幫有突出現(xiàn)象;仰采過(guò)褶皺階段出現(xiàn)大塊冒落巖塊,局部區(qū)域兩幫出現(xiàn)整塊巖體片幫,如圖12、13所示。

圖12 褶皺構(gòu)造區(qū)開(kāi)挖后頂板塌陷示意

圖13 巷道過(guò)褶皺構(gòu)造區(qū)鉆孔窺視平面

隨著上覆褶皺翼間角的改變,采場(chǎng)覆巖移動(dòng)破壞程度逐漸加大,覆巖滑移角將逐漸增大,將會(huì)導(dǎo)致上方施載巖體重量增加,導(dǎo)致應(yīng)力集中,覆巖沿煤壁發(fā)生滑落失穩(wěn)的可能性增大。其中峰值應(yīng)力及其應(yīng)力超前分布如圖14～16所示。

圖14 過(guò)褶皺構(gòu)造上覆巖層超前支撐壓力

圖15 褶皺構(gòu)造與非褶皺構(gòu)造應(yīng)力對(duì)比分析

圖16 開(kāi)挖前后每個(gè)測(cè)點(diǎn)的峰值應(yīng)力云圖

在回采過(guò)程中,褶皺地質(zhì)構(gòu)造對(duì)回采工作面的超前支撐壓力具有重要的影響,在褶皺區(qū)域的仰采過(guò)褶皺和俯采過(guò)褶皺采煤工作面應(yīng)力分布情況較非褶皺構(gòu)造區(qū)布置的采煤工作面有明顯區(qū)別。當(dāng)采煤工作面布置在仰采過(guò)褶皺區(qū)域時(shí),不僅工作面的超前支撐壓力峰值大于俯采過(guò)褶皺和非褶皺構(gòu)造區(qū)布置的工作面,而且超前支撐壓力峰值距工作面的距離也明顯縮短。非褶皺構(gòu)造區(qū)布置的工作面超前支撐壓力峰值為16.98 kPa,位于工作面前方11.53 cm處;仰采過(guò)褶皺布置方式超前支撐壓力峰值為22.43 kPa,位于工作面前方7.56 cm處;俯采過(guò)褶皺的工作面超前支撐壓力峰值為18.89 kPa,位于工作面前方8.73 cm處。

綜上可知,俯采過(guò)褶皺的工作面超前支撐壓力峰值較仰采過(guò)褶皺布置的工作面降低了15.74%;非褶皺構(gòu)造區(qū)布置的工作面超前支撐壓力峰值較仰采過(guò)褶皺布置的工作面降低了23.6%,較俯采過(guò)褶皺的工作面降低了10.21%。非褶皺構(gòu)造區(qū)布置的工作面超前支撐壓力峰值距工作面的距離較仰采過(guò)褶皺布置的工作面升高了48.34%,較俯采過(guò)褶皺區(qū)升高了28.15%;俯采過(guò)褶皺構(gòu)造區(qū)的超前支撐壓力峰值距工作面的距離較仰采過(guò)褶皺區(qū)升高了15.76%。開(kāi)挖后,所有測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力均上升至峰值應(yīng)力。對(duì)比開(kāi)挖前后每個(gè)測(cè)點(diǎn)的峰值應(yīng)力值,將每個(gè)測(cè)點(diǎn)的峰值應(yīng)力繪制為峰值應(yīng)力云圖。通過(guò)分析可得無(wú)論在開(kāi)外前后,仰采過(guò)褶皺的應(yīng)力均大于俯采過(guò)褶皺構(gòu)造和非褶皺構(gòu)造帶的應(yīng)力。所以在布置回采工作面時(shí),要著重加強(qiáng)仰采過(guò)褶皺工作面的應(yīng)力-應(yīng)變監(jiān)測(cè),預(yù)防冒頂事故發(fā)生。

4 結(jié) 論

(1)鉆孔窺視深部區(qū)域的沉降系數(shù)集中在1.15～1.3,中部區(qū)域集中在1.12～1.19,淺部區(qū)域集中在1.05～1.09。垂向沉降系數(shù)與深度呈負(fù)相關(guān)變化,整體呈現(xiàn)“淺部小、深部大”的分布特性。

(2)工作面回采過(guò)程中,非褶皺構(gòu)造區(qū)支承壓力峰值較俯采過(guò)褶皺、仰采過(guò)褶皺構(gòu)造分別降低了10.21%、23.6%,且支承壓力峰值超前工作面的距離為:非褶皺構(gòu)造區(qū)>俯采>仰采,即工作面仰采時(shí),應(yīng)力集中系數(shù)最大,支承壓力超前工作面距離最短,礦壓顯現(xiàn)最為劇烈。

(3)工作面過(guò)褶皺構(gòu)造時(shí),多發(fā)生冒落、片幫現(xiàn)象,頂板趨向采空區(qū)一側(cè)垮落,形成張拉性裂隙,斷裂巖塊的回轉(zhuǎn)下沉受到采空區(qū)側(cè)已經(jīng)垮斷冒落巖塊的支撐作用。