白向東

(晉城煤炭規(guī)劃設計院)

雙層厚硬火成巖破斷的力學分析

白向東

(晉城煤炭規(guī)劃設計院)

針對某礦上覆雙層厚硬火成巖，采用關鍵層理論分析確定了主、亞關鍵層的位置及破斷順序，并運用薄板理論和納維葉解法對火成巖的破斷位置進行了分析計算,得出以下結論：下位火成巖為主關鍵層，上位火成巖的破斷隨下位火成巖破斷而破斷，火成巖破斷時的跨距為246 m，對應10416工作面推進長度為326～372 m。并在工作面支架工作阻力監(jiān)測得到了驗證，為類似條件礦井生產(chǎn)提供了指導。

雙層厚硬火成巖 關鍵層 薄板理論 破斷

1 工程概況

某礦目前主采煤層為10煤，上覆巖層含有兩層火成巖，至10煤的距離分別約為110，230 m，兩層火成巖厚度分別約為47，26 m。火成巖成分以中性閃長巖為主，其抗壓強度高達80～160MPa，屬堅硬巖層。隨著采空區(qū)面積的增大，頂板失去支撐，火成巖破斷、運移，將引發(fā)沖擊礦壓，對工作面支護系統(tǒng)、巷道造成極大的破壞，并且極有可能引發(fā)瓦斯突出、透水等次生災害。

該礦首采10414工作面已收作，開始回采10416工作面，煤層平均厚度3.2 m，平均傾角4°，走向長度1 160 m，切眼傾斜長180 m，圖1為采掘現(xiàn)狀示意圖。

圖1 采掘現(xiàn)狀示意

2 火成巖破斷規(guī)律分析

2.1 基于關鍵層理論的火成巖破斷規(guī)律分析

在煤系巖層中，由于成巖時間和礦物成份等不同，使各巖層在厚度和力學性質等方面存在著不同程度的差別。火成巖是火山爆發(fā)時巖漿沿其通道流經(jīng)其地層裂隙和地表冷卻后而形成的巖層，巖性一般較為堅硬，往往比較容易成為關鍵層，因而其破斷直接影響采場礦壓、巖層移動和地表沉陷。

根據(jù)現(xiàn)場實測R414-1鉆孔中10煤覆巖工程地質性質測試指標，運用覆巖關鍵層判別原則[1-3]，判斷10414工作面10煤覆巖關鍵層位置，如表1。

關鍵層判斷結果表明：

(1)10煤層上覆巖層中存在5層厚硬巖層，第4層硬巖(47.01 m厚閃長玢巖)為主關鍵層，其余為亞關鍵層。

(2)47.01 m厚的下位火成巖控制了包含25.86 m厚的上位火成巖在內的上覆巖土層的移動變形；12.45 m厚的細砂巖控制了下位火成巖底面以下累計厚度為11.76 m巖層的移動變形。

(3)根據(jù)相鄰硬巖層破斷順序與關鍵層主次,判別其破斷順序為：硬巖層1先于硬巖2破斷，硬巖層2先于硬巖3破斷；下位火成巖為主關鍵層，硬巖層4、5發(fā)生同步破斷。

2.2 基于板假設的火成巖破斷距分析

2.2.1 火成巖破斷的力學模型及求解

當開采煤層上方賦存巨厚大面積堅硬致密巖層(火成巖)時，隨著工作面的不斷回采，煤層上方其他巖層在其自重與上覆巖層共同作用下，逐漸產(chǎn)生離層，離層至巨厚巖層下方時，因火成巖的抗拉強度、彈性模量遠比其他巖層要大，使火成巖巖層與下覆其他巖層產(chǎn)生沉降差。且因火成巖厚度巨大，這種沉降差無法閉合，最終形成了“兩端固支梁”結構形式。隨著采空區(qū)范圍的不斷擴大，火成巖達到極限跨距而破斷。力學模型如圖2所示。

表1 10414工作面覆巖關鍵層位置(R414-1孔資料)

圖2 火成巖破斷力學模型

2.2.1.1 傾向方向

只有當火成巖傾向長度懸露達到極限距離時，隨著走向的不斷推進，才有可能發(fā)生破斷、垮落。傾向極限垮距L可由下式求出：

(1)

式中，H1為火成巖厚度，m；RT為火成巖的單向抗拉強度，MPa；q為火成巖上覆巖層單位載荷，MPa；∑H為10煤煤層與火成巖之間巖層的總厚度，m；β為巖層移動角，(°)。

2.2.1.2 走向方向

根據(jù)表1，下位火成巖厚度為47.0m，距離10煤116.8 m；上位火成巖厚度為25.9m，距離10煤226 m。10414、10416工作面傾向和走向長度分別為180，1 180 m。所以，10416回采之后，下位火成巖厚度與總傾向長度的比值約為1∶8(上位火成巖約為1∶14)，由薄板理論[4]可知，可以將火成巖看作薄板進行研究。采用納維葉解法[5-6]對矩形薄板小撓度問題進行求解，可以得出：

(2)

式中,E為火成巖彈性模量，Pa；Q為火成巖上覆巖層均布載荷，kN/m2；h為火成巖巖層厚度，m；D為火成巖彎曲剛度。

當已知火成巖的單向抗拉強度，上覆巖層載荷，火成巖巖層厚度，以及開采寬度b時，可由式(2)求得火成巖破斷時工作面推進長度。

隨著火成巖下工作面沿走向方向不斷推進，下部巖層開始彎曲下沉、破斷，火成巖因失去巖層支撐而斷裂，其跨距為：

L=l+2∑Hcotβ,

(3)

式中，l為10煤工作面的推進長度,m；∑H為10煤與火成巖之間的距離，m；β為巖層移動角，65°～75°。

2.2.2 下位火成巖破斷分析

下位火成巖厚度為47.0 m，距離10煤109.4 m。根據(jù)實驗室火成巖巖樣測定結果，取單向抗拉強度9.82 MPa，巖層移動角60°～70°。由式(1)計算得：L=284～330 m .所以，10414工作面回采后，火成巖不會破斷。但是，10416工作面回采后，采空區(qū)的寬度將會達到360m，大于火成巖的極限破斷距，火成巖將會發(fā)生破斷。

取開采寬度b為360 m，由式(2)計算得,a≈246 m，再由式(3)計算出火成巖破斷時的推進長度為326～372 m。

則火成巖破斷時的跨距為246 m，對應10416工作面推進長度在326～372 m時，火成巖可能會發(fā)生破斷。

2.2.3 上位火成巖破斷分析

由R414-1鉆孔綜合柱狀圖可以得知，上位火成巖厚度為25.9 m，距離10煤229.3 m。根據(jù)實驗室火成巖巖樣測定結果，取單向抗拉強度為 8.23 MPa，巖層移動角60°～70°。由式(1)計算L=199～297 m.

上位火成巖的破斷距小于下位火成巖，下位火成巖強度和厚度均大于上位火成巖，下位火成巖作為主關鍵層控制著上覆巖層的破斷與垮落。所以，上位火成巖在10416工作面回采期間，將隨下位火成巖破斷而破斷。

3 火成巖破斷的現(xiàn)場監(jiān)測

采用KJ216綜采支架工作阻力監(jiān)測系統(tǒng)及配套設備，測點布置如圖3所示。

圖3 支架工作阻力監(jiān)測點布置示意

圖4為部分測站10～12月的支架工作阻力實時監(jiān)測曲線，數(shù)據(jù)記錄間隔為5 s。

圖4 10416工作面支架工作阻力監(jiān)測曲線

由圖4可以看出，10月份支架工作阻力基本為20～35 MPa，普遍較低，這是因為該月工作面過小斷層，推進速度慢，頂板活動較弱。進入11月，工作面推進速度加快(該月進尺105.6 m)，頂板活動較為活躍，支架工作阻力開始升高，基本維持在35 MPa，最大達到50 MPa以上。尤其是在11月20日之后，支架的工作阻力不僅高，而且實時監(jiān)測比較密集，說明此時間段內火成巖可能發(fā)生破斷，導致頂板來壓顯現(xiàn)強烈。12月份以來，支架的工作阻力也較大，這是由于推進加快(該月進尺110.9 m)和火成巖破斷下沉影響煤層覆巖運動所致，但是比11月底要小，說明火成巖破斷的來壓比較明顯，表明火成巖破斷的支架工作阻力監(jiān)測和理論分析計算結果一致。

4 結 論

(1)根據(jù)關鍵層的剛度條件和強度條件，確定上覆巖層含有5層關鍵層，下位火成巖為主關鍵層，下位火成巖的破斷、運移直接對煤層開采礦壓規(guī)律和地表下沉規(guī)律產(chǎn)生決定性的影響。

(2)由于火成巖的厚度遠小于煤層采空區(qū)寬度，可以將火成巖視作為薄板。利用納維葉解法對火成巖的破斷位置進行分析計算，發(fā)現(xiàn)在10416工作面的開采過程中，上覆雙層火成巖都將會破斷，破斷位置為10416工作面推進326～372 m時。

(3)結合現(xiàn)場實測，對工作面支架工作阻力監(jiān)測結果進行分析，結果表明支架工作阻力在火成巖破斷前后變化明顯，證明了火成巖破斷理論分析的正確性。

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2014-07-30)

白向東(1975—)，男，工程師，048000 山西省晉城市黃華街錦華商務大廈B1002。