田 臣, 楊增福, 李金剛

(1.國家能源集團煤炭與運輸產業(yè)管理部, 北京 100000; 2.黑龍江科技大學 安全工程學院, 哈爾濱 150022;3.國能神東煤炭技術研究院, 陜西 神木 719000; 4.國能神東煤炭補連塔煤礦, 內蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引 言

由于褶皺構造的存在,將對工作面的布置和回采造成較大的影響,由于仰采過褶皺、背斜等地質構造的特殊性,導致事故頻發(fā),造成設備損壞、停產減產,給礦井帶來嚴重的經濟損失和安全威脅[1-2]。

學者們對褶曲構造使用不同的方法,做了很多研究。在數(shù)值模擬方面,付京賦[3]使用ADINA模擬了煤層褶皺構造的形成過程,并分析了褶皺形成后在當前構造應力場作用下煤層的破壞過程。于曉東等[4]提出褶皺處的橫向應力和面法線應力集中是導致結構提前失效的主要原因,由于褶皺缺陷引起的應力集中現(xiàn)象,煤層在破壞過程中應力無法逐層重分配。數(shù)學解析方法上,王盛川[5]以初始應力狀態(tài)為基礎,建立了向斜、背斜及翼部巷道的應力分布力學模型,并推導出了巷道圍巖的極坐標應力分布函數(shù)。井廣成[6]通過比較考慮褶皺幾何展布、煤巖層厚度與屬性等因素的影響,研究了應力分布和能量積聚情況,同時揭示了厚煤層褶皺形成過程中不同因素的作用差異,構建了沖擊危險函數(shù)。室內試驗研究分析上,李長圣[7]通過雙軸試驗,研究了巖層黏聚力、內摩擦角、基底滑脫強度以及厚度等因素對褶皺沖斷構造特征的影響。張文杰[8]、Li等[9]等使用數(shù)值模擬及三維鉆孔電視,對鉆孔裂縫形態(tài)進行了研究,獲得采后全覆蓋巖石裂縫發(fā)育特征。學者們做了大量工作,但是以上研究在參數(shù)選取、試驗分析的離散性具有局限性,而相似模擬能夠將褶皺構造的實際情況良好地體現(xiàn)。王晨鴻[10]通過二維相似模擬試驗的研究發(fā)現(xiàn),過背斜爬坡階段時,巖層斷裂垮落后會在工作面一側形成張拉性裂隙,并且斷裂巖塊在回轉下沉的過程中會被采空區(qū)側已經垮斷冒落巖塊所支撐,進而形成一個砌體梁結構。

前人以二維相似模擬試驗為平臺,在褶皺構造帶的礦壓顯現(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臺,以期為褶皺構造區(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煤五盤區(qū),綜采面長度327.7 m,推采長度3 088.8 m。8 m超大采高綜采面沿走向布置,以正坡推進為主,采用傾斜長壁后退式開采全部垮落法處理采空區(qū)的綜合機械化采煤法進行回采作業(yè)。

五盤區(qū)存在頂板構造應力集中帶,該區(qū)域內巖層起伏大,為褶皺構造,存在高構造應力,現(xiàn)場礦壓異常,綜采面回采至該區(qū)域時來壓強度大,步距短,帶壓距離長,甚至連續(xù)帶壓,回順礦壓顯現(xiàn)強烈,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。由于褶皺構造區(qū)的存在,容易誘發(fā)頂板冒落、片幫等災害,將導致整個工作面停產。

2 三維相似模擬試驗

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)

在實驗室模擬褶皺構造區(qū)需建立完整的試驗系統(tǒng),通過設計開挖系統(tǒng)對實際工況進行模擬,使用應力監(jiān)測系統(tǒng)對不同巖層進行監(jiān)測,研發(fā)了預埋鉆孔窺探系統(tǒng)用來觀測開挖擾動下巖層的裂隙演化及巖層位移情況,如圖1所示。為了較為真實反映原巖應力狀態(tài),選擇三維相似模擬并預留煤柱,采用應力盒監(jiān)測巖層褶皺的軸部和翼部的應力變化,通過預埋鉆孔窺探系統(tǒng)觀測開挖擾動下巖層的裂隙演化及巖層位移情況,如圖2所示。

圖1 相似模擬試驗數(shù)字模型

圖2 相似模擬試驗系統(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、膠結劑、添加劑。常用骨料有砂和原巖粉;用來測控相似材料其它性能的黏土、硅藻土、云母粉及鋁粉等。常用膠結材料分為兩類:一類是石膏、水泥、環(huán)氧樹脂及石蠟等,具有一定強度;另一類是石灰、碳酸鈣、高嶺土及黏土等。由于這些膠結材料強度較小,此次選擇石膏和碳酸鈣混合使用。

根據(jù)以往的現(xiàn)場調查和實驗室研究,本次試驗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、石膏為膠結材料,使用云母粉進行層與層之間的分隔并標定。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 相似平臺尺寸及相似系數(shù)

基于工作面大小、經驗預估、便于觀察等方面考慮,相似模擬平臺應變尺寸為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——應力比;

CF——集中應力比;

Cμ——泊松比;

Cε——應變比;

Cf——摩擦系數(shù)比。

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

通過正交試驗獲得最終相似模擬試驗配比,獲得實驗室尺度下效果比較好的原巖應力狀態(tài),使相似模擬試驗臺接近12514工作面的實際工況。相似模擬試驗材料配比如表1所示。圖4為配比號為773的試驗原料。

表1 相似模擬試驗材料配比

圖4 試驗確定配比

2.4 試驗過程

使用U型開挖支撐結構、應力監(jiān)測設備和鉆孔窺視裝置進行試驗。首先確定工作面實際開采速度,依據(jù)幾何相似比和時間相似比,通過倒鏈葫蘆對開挖速度進行控制,將模擬開采速度控制在3～5 cm/h的區(qū)間,為了形成運輸順槽的開挖,首先將所有木條依次開挖3 cm,非褶皺構造帶一側為起點,褶皺構造帶一側為終點;然后對開切眼進行開挖,形成運輸順槽后,將褶皺構造帶的木條按照模擬掘進速度整根移除,形成開切眼,形成首采工作面。開切眼為第1步開挖,非褶皺構造區(qū)開挖15步,褶皺構造區(qū)開挖17步,完全開采完成時使用了33步。開切眼和非褶皺構造區(qū)開采,煤層上方粉砂巖和細粒砂巖頂板隨著工作面推進一定距離后自然垮落,上方巖層的受的擾動影響很小,如圖5所示。以模擬開采速度從近水平一側進行開挖,開挖過程通過鉆孔三維電視成像設備進行監(jiān)測其幫壁和頂、底板,通過應力盒采集應力變化。分別在褶皺構造區(qū)和非褶皺構造區(qū)布置應力監(jiān)測點位,共計7條測線,每條測線12個測點,共計84個測點,實時采樣至開挖完畢,采樣頻率為1 Hz,應力測點空間位置如圖6a所示。在以下四個位置預制鉆孔窺探通道,在褶皺構造區(qū)和非褶皺構造區(qū)預制三個垂直的鉆孔窺探通道,在預留煤柱和開采工作面之間預制水平的鉆孔窺探通道,位置如圖6b所示。

圖5 試驗開挖過程

圖6 監(jiān)測空間位置

3 褶皺構造區(qū)頂板運移規(guī)律

3.1 垮落巖體垂向沉降量

隨著工作面的推進,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視圖和應力-開采位置曲線對比分析。通過標定三維電視柱狀圖的不同層位的關鍵點的沉降量,得出垂向沉降系數(shù),比較分析不同位置的垂向沉降曲線。

對其不同層位進行關鍵點的識別,對比開采前后關鍵點的下沉量得出不同關鍵點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鍵點識別

工作面隨著巷道開挖出現(xiàn)冒落塊體,對比褶皺構造和非褶皺構造工作面,為了評估巖體頂板是否會出現(xiàn)冒落現(xiàn)象,對巖體垂向沉降系數(shù)進行評價,當覆巖移動時,主要是巖體的垂向下沉和相應的垂向沉降。確切地說,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點間采動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——采動后兩相鄰測點間距離。

式中:Δω——兩相鄰測點間下沉差;

wn——測點n下沉值;

wn+1——測點n+1下沉值;

hn——測點n+1距煤層高度。

采空區(qū)垂向范圍內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,且滿足對數(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

通過不同位置的實測數(shù)據(jù)可以得到三組不同的常數(shù),如表2所示。對采空區(qū)垂向范圍內隨高度變化的破碎巖體沉降系數(shù)進行擬合,得到三個擬合方程分別為

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。

對比深部垂向沉降系數(shù)可知,仰采過褶皺的垂向沉降系數(shù)最大,俯采過褶皺的垂向沉降系數(shù)小于仰采過褶皺的垂向沉降系數(shù),非褶皺構造的垂向沉降系數(shù)最小。

對比不同位置的擬合常數(shù)y0、A1和t1,可以發(fā)現(xiàn)仰采過褶皺的擬合方程中擬合常數(shù)的絕對值最大,說明其在垂向上的變化趨勢更明顯。在垂向上,垂向系數(shù)與深度呈負相關變化,整體呈現(xiàn)“淺部小、深部大”的分布特性。垂向沉降系數(shù)變化最明顯的是過仰采過褶皺區(qū),其擬合常數(shù)A1為4.29,俯采過褶皺擬合常數(shù)為2.42,變化最小的是非褶皺構造區(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 應力分布及礦壓顯現(xiàn)

隨著工作面的推進,受擾動的巖層上方首先出現(xiàn)水平裂隙,產生細微的下沉,在下沉量達到一定值的時候,巖層下沿產生破斷,形成張拉性的裂隙并向上擴展為離層。隨著工作面的推進,裂隙帶范圍逐漸變大。水平巖層應力場開始變化呈現(xiàn)上升趨勢,在此埋深、壓力作用下巖層產生蠕變,水平巖層應力增大至峰值16.98 kPa后開始降低;由于水平側應力顯現(xiàn)和應力集中比較弱,能量聚集總量較小,所以基本沒有冒頂現(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。通過鉆孔三維電視監(jiān)測可知,巷道形變量小于0.01mm。

圖9 巷道過水平區(qū)鉆孔窺視平面

圖10 非褶皺構造開挖后頂板塌陷

由于上覆巖層角度變化不大,采場上覆巖破壞程度小于過褶皺構造區(qū),斷裂巖塊的回轉下沉受到采空區(qū)側已經垮斷冒落巖塊的支撐作用,形成砌體梁結構。隨著工作面的推進會產生應力集中。其中峰值應力及其應力超前分布,如圖11所示。

圖11 非褶皺構造上覆巖層超前支撐壓力

工作面向前推進過程中,前方應力值開始上升,由于頂板構造的作用,應力值上升到一個小的峰值后,在工作面前方11.53 cm處達到最大值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力。

基于模型開采過程中巖層破斷失穩(wěn)的過程,對巖體形態(tài)進行比較分析,工作面開采后,巖層從低位至高位依次破斷,巖層層位隨著推進長度的增加而提高;俯采過褶皺覆巖垮落趨向于采空區(qū)一側,巖層斷裂垮落后,在工作面一側形成張拉性裂隙,斷裂巖塊的回轉下沉受到采空區(qū)側已經垮斷冒落巖塊的支撐作用;仰采過褶皺階段擾動巖層迅速從低位擴展到中位,再擴展到高位;仰采過褶皺后,大量巖體斷裂。俯采過褶皺構造區(qū)頂板出現(xiàn)松動,兩幫有突出現(xiàn)象;仰采過褶皺階段出現(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 褶皺構造區(qū)開挖后頂板塌陷示意

圖13 巷道過褶皺構造區(qū)鉆孔窺視平面

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

圖14 過褶皺構造上覆巖層超前支撐壓力

圖15 褶皺構造與非褶皺構造應力對比分析

圖16 開挖前后每個測點的峰值應力云圖

在回采過程中,褶皺地質構造對回采工作面的超前支撐壓力具有重要的影響,在褶皺區(qū)域的仰采過褶皺和俯采過褶皺采煤工作面應力分布情況較非褶皺構造區(qū)布置的采煤工作面有明顯區(qū)別。當采煤工作面布置在仰采過褶皺區(qū)域時,不僅工作面的超前支撐壓力峰值大于俯采過褶皺和非褶皺構造區(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,俯采過褶皺的工作面超前支撐壓力峰值較仰采過褶皺布置的工作面降低了15.74%;非褶皺構造區(qū)布置的工作面超前支撐壓力峰值較仰采過褶皺布置的工作面降低了23.6%,較俯采過褶皺的工作面降低了10.21%。非褶皺構造區(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褶皺布置的工作面升高了48.34%,較俯采過褶皺區(qū)升高了28.15%;俯采過褶皺構造區(qū)的超前支撐壓力峰值距工作面的距離較仰采過褶皺區(qū)升高了15.76%。開挖后,所有測點的應力均上升至峰值應力。對比開挖前后每個測點的峰值應力值,將每個測點的峰值應力繪制為峰值應力云圖。通過分析可得無論在開外前后,仰采過褶皺的應力均大于俯采過褶皺構造和非褶皺構造帶的應力。所以在布置回采工作面時,要著重加強仰采過褶皺工作面的應力-應變監(jiān)測,預防冒頂事故發(fā)生。

4 結 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)與深度呈負相關變化,整體呈現(xiàn)“淺部小、深部大”的分布特性。

(2)工作面回采過程中,非褶皺構造區(qū)支承壓力峰值較俯采過褶皺、仰采過褶皺構造分別降低了10.21%、23.6%,且支承壓力峰值超前工作面的距離為:非褶皺構造區(qū)>俯采>仰采,即工作面仰采時,應力集中系數(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)工作面過褶皺構造時,多發(fā)生冒落、片幫現(xiàn)象,頂板趨向采空區(qū)一側垮落,形成張拉性裂隙,斷裂巖塊的回轉下沉受到采空區(qū)側已經垮斷冒落巖塊的支撐作用。