肖家平，楊 科，劉 帥，周 波

(1.淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 能源工程系，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引言

研究大傾角煤層(埋藏傾角為35°～55°的煤層)覆巖破斷過(guò)程及垮落形態(tài)是礦井頂板冒落、支護(hù)系統(tǒng)失穩(wěn)等災(zāi)害防治的理論基礎(chǔ)[1-2]，特別是對(duì)生態(tài)脆弱礦區(qū)的地表再綠化具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者采用不同的研究方法，對(duì)覆巖破斷規(guī)律進(jìn)行了大量的研究，為大傾角煤層開采提供了理論基礎(chǔ)與現(xiàn)場(chǎng)借鑒。

關(guān)于不同條件下的大傾角煤層開采覆巖破斷過(guò)程，石平五等[3]研究了大傾角特厚煤層開采過(guò)程中圍巖的破壞過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)西北地區(qū)采空區(qū)上部的地表綠化；高明中等[4]研究了厚沖積層大傾角煤層群開采巖體破斷運(yùn)移特征；丁德民等[5]對(duì)大傾角煤層充填開采條件下不同開采方式對(duì)覆巖破斷的影響進(jìn)行了分析；Kulakov[6]，Bodi[7]基于現(xiàn)場(chǎng)宏觀現(xiàn)象，探討了堅(jiān)硬頂板下覆巖破斷后頂板安全控制問題；周波等[8-10]研究了頂板三維板梁結(jié)構(gòu)的傳力機(jī)制及其承載能力特征，提出了破碎煤巷圍巖預(yù)強(qiáng)化技術(shù)。上述研究止于對(duì)覆巖破斷現(xiàn)象的再描述，對(duì)大傾角煤層覆巖內(nèi)部的非對(duì)稱破斷機(jī)理還需進(jìn)一步深入研究。

近年來(lái)，許多研究手段被用來(lái)分析覆巖破斷過(guò)程中的頂板斷裂形態(tài)，取得了較好的效果。例如，王金安等[11]、施峰等[12]基于彈性力學(xué)薄板理論計(jì)算方法，得到了大傾角煤層開采基本頂破斷過(guò)程；王紅偉[13]借助相似模擬試驗(yàn)研究了大傾角煤層開采上覆巖層非對(duì)稱的變形垮落形態(tài)；高會(huì)春等[14]利用數(shù)值計(jì)算軟件定量分析大傾角煤層覆巖運(yùn)移規(guī)律，對(duì)最大顆粒位移量和地表最大沉降量進(jìn)行量化分析,得到了這2個(gè)變量與走向方向推進(jìn)長(zhǎng)度的多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系；張宏偉等[15]、張勛等[16]運(yùn)用多手段得到了特厚煤層分層開采覆巖破壞規(guī)律。以上各種研究手段為大傾角煤層覆巖破斷演化過(guò)程的精準(zhǔn)分析提供了便利。

上述研究豐富了大傾角煤層開采理論，得到了覆巖破斷的宏觀特征，提高了工作面的回采安全，但卻沒有解釋大傾角煤層覆巖破斷的內(nèi)在機(jī)制。因此，本文通過(guò)數(shù)值模擬、相似模擬和理論計(jì)算，對(duì)大傾角煤層開采覆巖破斷機(jī)制進(jìn)行了研究， 旨在揭示大傾角煤層開采上覆巖層的破斷、垮落、充填內(nèi)在機(jī)制。

1 工作面地質(zhì)與工程條件

潘二煤礦1212(3)工作面為13-1煤層首采面，地質(zhì)構(gòu)造為簡(jiǎn)單單斜構(gòu)造，煤層傾角35°～45°，傾角平均值為40°，工作面標(biāo)高-495～-375 m，工作面沿傾斜方向布置。采用傾斜分層內(nèi)錯(cuò)式采煤法，分2層回采，上分層工作面寬度為120 m，下分層工作面寬度為100 m，走向長(zhǎng)650 m，煤層平均厚為5 m，上分層開采2 m，下分層開采3 m，工作面開采設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 工作面開采設(shè)計(jì)Fig.1 Working face mining design

2 覆巖破斷的非對(duì)稱特征

根據(jù)相似材料模擬實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值模擬分析，大傾角煤層回采后，受煤層傾角影響，在工作面兩端(上回風(fēng)巷、下運(yùn)輸巷)形成應(yīng)力集中區(qū)，且上端巖層采動(dòng)應(yīng)力集中區(qū)較下端應(yīng)力集中區(qū)范圍更大。在工作面上覆巖層形成應(yīng)力釋放區(qū)，且工作面中上部區(qū)域的應(yīng)力釋放區(qū)范圍明顯大于下部的應(yīng)力釋放區(qū)，呈現(xiàn)出頂板應(yīng)力場(chǎng)的非對(duì)稱分布規(guī)律。

受煤層傾角的影響，圍巖變形破壞、垮落運(yùn)移亦呈現(xiàn)出非對(duì)稱特征。當(dāng)煤層回采后，直接頂、基本頂及上覆巖層失穩(wěn)形成沖擊載荷的頻次和量級(jí)增大，覆巖破壞范圍和破碎程度自上位巖層至下位巖層加劇。頂板冒落矸石向工作面后方滑、滾運(yùn)動(dòng)特征明顯，工作面傾向下部區(qū)域采空區(qū)充填壓實(shí)程度大，工作面下部出現(xiàn)階梯狀的關(guān)鍵塊承載結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

3 覆巖非對(duì)稱特征形成機(jī)理

3.1 覆巖變形力學(xué)分析

大傾角煤層采出后，直接頂隨移架垮落、滑移，工作面中上部區(qū)域直接頂冒落、下滑，充填下部采空區(qū)，并在上覆未垮落巖層載荷作用下逐漸壓實(shí)，首先形成如圖3(a)所示的工作面充填壓實(shí)結(jié)構(gòu)。1212(3)工作面首采上分層工作面，形成覆巖垮落、滑移空間，同時(shí)由于工作面傾向長(zhǎng)度(120 m)和走向長(zhǎng)度(650 m)都較大，直接頂跨落后，可認(rèn)為基本頂達(dá)到極限跨距時(shí)，只要其下方存在一定的自由空間，基本頂將發(fā)生斷裂失穩(wěn)。

圖2 覆巖應(yīng)力場(chǎng)及垮落特征Fig.2 Overburden stress field and collapse characteristics

由于基本頂厚度遠(yuǎn)小于走向長(zhǎng)度，可以將其簡(jiǎn)化為矩形薄板。利用彈性力學(xué)中已相對(duì)成熟的小撓度薄板理論，結(jié)合直接頂垮落矸石對(duì)工作面下部的充填效應(yīng)，建立如圖3(b)所示的基本頂破斷力學(xué)模型。x軸為沿煤層的走向，y軸為沿煤層傾斜方向。a1為基本頂沿傾斜方向長(zhǎng)度，m；b為基本頂沿走向方向長(zhǎng)度，m。工作面回采初期直接頂尚未垮落，較完整，模型簡(jiǎn)化為四邊固支的邊界條件，運(yùn)用能量法中的Rayleigh-Ritz法進(jìn)行計(jì)算。

選取的基本頂撓曲函數(shù)ω為：

(1)

邊界條件為：

(2)

式中：ω為基本頂撓曲函數(shù)；cmn為撓曲函數(shù)待定系數(shù)；m，n為雙重三角級(jí)數(shù)，一般取1；x，y，a1，b等意義同前。

對(duì)于四邊固支的薄板，變形能U為：

(3)

對(duì)于板面上的載荷，其所作的功W為：

(4)

則薄板勢(shì)能為：

(5)

利用最小勢(shì)能原理， ?∏/?cmn=0，可求得：

(6)

則撓曲線函數(shù)表達(dá)式為：

(7)

式中：E為巖層的彈性模量，MPa；h為基本頂巖層厚度，m；μ為泊松比；q1為薄板受到的外部載荷，MPa；α為煤層傾角，(°)。

圖3 基本頂力學(xué)模型Fig.3 Basic top mechanical model

應(yīng)用彈性力學(xué)薄板理論對(duì)基本頂撓度進(jìn)行分析，普遍認(rèn)為撓度最大區(qū)域?yàn)楸“迨紫茸冃螖嗔盐恢??；卷攷r層受拉出現(xiàn)斷裂裂紋，裂紋處應(yīng)力釋放，能量由斷裂裂紋向基本頂兩邊轉(zhuǎn)移，出現(xiàn)大小不同的應(yīng)力峰值，且在破斷的瞬間應(yīng)力值大于原巖應(yīng)力。由式(7)可知，基本頂薄板首先在偏中上部區(qū)域破斷，形成斷裂裂紋。由于基本頂下部存在足夠的自由空間高度，斷裂裂紋兩側(cè)將受壓繼續(xù)變形失穩(wěn)。此時(shí)，基本頂斷裂裂紋兩側(cè)薄板邊界條件變?yōu)椤叭吂讨?、一邊?jiǎn)支”的矩形薄板，如圖4所示。

圖4 基本頂首次斷裂后模型Fig.4 Model of the basic top after the first fracture

3.2 覆巖破斷機(jī)理分析

若基本頂上、下部第2次出現(xiàn)破斷裂紋，在覆巖載荷作用下，此裂紋與第1次破斷裂紋之間的巖體失去承載作用發(fā)生垮落、滑移，充填采空區(qū)，如圖5(a)所示。

同理，若基本頂上、下部第3次出現(xiàn)破斷裂紋，懸露巖體失去承載作用，巖塊垮落滑移，第2次充填采空區(qū)，如圖5(b)所示。

那么，若基本頂上、下部薄板第n次出現(xiàn)破斷裂紋，懸露巖體失去承載作用，巖塊跨落滑移，第n-1次充填采空區(qū)。

圖5 基本頂斷裂演化示意Fig.5 Schematic diagram of the basic top fracture evolution

根據(jù)上述對(duì)基本頂垮落過(guò)程的分析可知，垮落過(guò)程具有時(shí)序性(時(shí)間和順序)。現(xiàn)對(duì)上述垮落過(guò)程作如下解釋：

1)基本頂?shù)拿看纹茢喽及殡S著破斷處應(yīng)力的釋放與基本頂破斷兩側(cè)較完整巖體能量的吸收，形成應(yīng)力集中。在上覆巖層載荷及此集中應(yīng)力的影響下，自n-1(n>2)次破斷起，基本頂上、下部薄板撓度往基本頂?shù)?斷裂裂紋方向轉(zhuǎn)移，如圖4、圖5所示。

2)基本頂?shù)拿看纹茢嗷贫紝?duì)工作面下部充填，致使下部充填區(qū)域增大，在破斷至n-1(n>2)次時(shí)，下部充填區(qū)域增大至基本頂不存在薄板結(jié)構(gòu)而停止破斷，在工作面下部形成第一關(guān)鍵塊承載結(jié)構(gòu)，上部沿?cái)嗔丫€形成最終斷裂結(jié)構(gòu)，如圖6(a)所示。

3)在基本頂破斷至n-1(n>2)次時(shí)，基本頂上覆巖層懸露，上覆巖層繼續(xù)出現(xiàn)斷裂裂紋，即傾向高度上也存在巖層破斷的時(shí)序性，如圖6(b)所示。

4)根據(jù)上述大傾角工作面傾向破斷機(jī)理分析可知，工作面上覆巖層的破斷是相互影響，相互聯(lián)動(dòng)的時(shí)序性破斷(聯(lián)動(dòng)時(shí)序性破斷)，最終形成大傾角煤層傾向的非對(duì)稱破斷特征，如圖6(c)所示。

4 討論

研究表明，大傾角煤層開采形成的非對(duì)稱破斷形態(tài)與各巖層形成關(guān)鍵塊體的機(jī)理有著直接關(guān)系，同時(shí)，關(guān)鍵塊體形成的拱形承載結(jié)構(gòu)對(duì)工作面的穩(wěn)定性至關(guān)重

圖6 覆巖非對(duì)稱拱結(jié)構(gòu)演化Fig.6 Evolution of asymmetrical arch structure of overlying rock

要。由于大傾角煤層賦存條件的復(fù)雜多變(巨厚砂巖直覆、上覆無(wú)堅(jiān)硬巖層)，保證各賦存條件下工作面的安全回采顯得尤為重要。根據(jù)關(guān)鍵塊體形成機(jī)理，建立上述2種賦存條件下大傾角煤層回采頂板破斷模型，如表1所示。

對(duì)2種模型作如下解釋：

1)根據(jù)上覆巖層破斷的聯(lián)動(dòng)時(shí)序性破斷效應(yīng)，工作面下位頂板破斷只存在單層巖層間的聯(lián)動(dòng)破斷，破斷過(guò)程中逐漸撥露上覆足夠厚的、具有較強(qiáng)抗變形能力的巖層(巨厚砂巖)。由于巨厚砂巖的存在，傾斜方向上下巖層的破斷無(wú)聯(lián)動(dòng)效應(yīng)與時(shí)序性，沒有形成具有承載結(jié)構(gòu)的破斷拱，進(jìn)而隨工作面的推進(jìn)，巨厚砂巖頂板達(dá)到極限彎矩，發(fā)生破斷，沖擊工作面，發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害(沖擊地壓)，模型如圖7(a)所示。同時(shí)根據(jù)上述分析，若上下巖層發(fā)生聯(lián)動(dòng)時(shí)序性破斷，則巖層不易太厚，強(qiáng)度不易過(guò)高。因此采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)，使巨厚砂巖變?yōu)檩^多薄巖層，促使聯(lián)動(dòng)時(shí)序破斷的發(fā)生，在巖層破斷至高位關(guān)鍵層時(shí)停止發(fā)育，形成穩(wěn)定的拱形承載結(jié)構(gòu)。

2)軟弱巖層的抗變形能力較弱，相較硬巖層的聯(lián)動(dòng)時(shí)序性破斷效應(yīng)從速度和發(fā)育高度都較大，模型如圖7(b)所示，若煤層埋深較淺，破斷效應(yīng)則會(huì)發(fā)育至地表，出現(xiàn)塌陷，危及地表建筑物等，若發(fā)育至河流流域，水流沿裂隙倒灌至工作面，危及工作面工人及設(shè)備安全。因此，需人為控制破斷的速度與高度，使之形成較穩(wěn)定的承載拱形形態(tài)。采用充填開采技術(shù)(充填采空區(qū))，減小工作面傾向上部的空頂區(qū)域，對(duì)上覆巖層起到支撐作用，減小巖層的懸頂距，使上位巖層充當(dāng)關(guān)鍵層的作用，進(jìn)而形成非對(duì)稱拱形結(jié)構(gòu)。

圖7 不同頂板條件覆巖破斷模型Fig.7 Overburden fracture model of different roof conditions

5 結(jié)論

1)根據(jù)薄板理論，大傾角工作面基本頂由“四固支”向 “三固支、一簡(jiǎn)支”邊界條件轉(zhuǎn)變，中上部撓度最大，易產(chǎn)生以拉破壞為主的斷裂裂紋，斷裂裂紋逐漸向基本頂兩側(cè)及相鄰巖層演化。

2)在上覆巖層載荷和斷裂裂紋兩側(cè)集中應(yīng)力作用下，基本頂兩側(cè)未破斷巖層及上覆巖層再破斷，表現(xiàn)出聯(lián)動(dòng)時(shí)序性破斷特征，并充填采空區(qū)，形成以關(guān)鍵塊構(gòu)成的大傾角非對(duì)稱拱形承載結(jié)構(gòu)。

3)采用預(yù)裂爆破技術(shù)激發(fā)巨厚砂巖頂板工作面的聯(lián)動(dòng)時(shí)序性破斷，利用充填開采技術(shù)阻止軟弱頂板工作面的聯(lián)動(dòng)時(shí)序性破斷，可促使關(guān)鍵塊組成的拱形承載結(jié)構(gòu)形成，保證大傾角工作面安全回采。