采空區(qū)覆巖大跨傾斜厚板失穩(wěn)特征分析*

朱 芳 李 鐵

(1.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室；2．北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

采空區(qū)覆巖大跨傾斜厚板失穩(wěn)特征分析*

朱 芳1,2李 鐵1,2

(1.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室；2．北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

采空區(qū)覆巖大跨傾斜厚硬頂板失穩(wěn)破斷后可導(dǎo)致地表突然沉降、導(dǎo)水裂隙貫通，對下部采場沖擊強烈，嚴重威脅采礦安全。以海孜煤礦為工程背景，采用理論分析、數(shù)值分析以及微震監(jiān)測相結(jié)合的方法，探索了采空區(qū)覆巖大跨傾斜厚板結(jié)構(gòu)失穩(wěn)特征。建立力學(xué)模型，得到傾斜厚板發(fā)生破斷時最大安全跨度的計算方法。根據(jù)UDEC數(shù)值模型以及微震監(jiān)測結(jié)果，分析得到傾斜厚板破斷的基本規(guī)律：即先在板中間位置底部發(fā)生拉張破裂，而后在兩端形成剪切破裂區(qū)，且傾斜厚板的應(yīng)力隨著傾向長度的增加而增大，剪應(yīng)力沿傾向呈對稱分布在兩側(cè)達到最大值。

傾斜厚板 解析計算 數(shù)值模擬 微震監(jiān)測

隨著深部煤炭資源的不斷開發(fā)，地下采空區(qū)面積增大，頂板不易垮落，長期懸頂形成地下大跨空間巖板結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致采動影響范圍和強度增大，礦壓問題凸顯[1-2]。厚層堅硬覆巖達到一定條件后破裂失穩(wěn)，大跨空間結(jié)構(gòu)失效，導(dǎo)致地表突然沉降、導(dǎo)水裂隙貫通[3]，對下部采場強烈沖擊作用[4]，嚴重威脅采礦安全。如山西大同煤田、河南義馬煤田、甘肅華亭煤田、兗礦濟源煤田和淮北海孜煤田等。

國內(nèi)外學(xué)者在相關(guān)領(lǐng)域開展過大量研究工作。有些學(xué)者分析地下巖板受力和穩(wěn)定性時，對傾斜頂板建立力學(xué)模型[5-6]，通過解析計算求出頂板發(fā)生初次破斷的極限安全跨距，從而得到巖板的破斷規(guī)律以及應(yīng)力變化規(guī)律。但實際工程中地下巖層地質(zhì)情況復(fù)雜，解析計算得出的結(jié)果與工程實際情況有一定出入。

本文以平均厚度140 m傾斜火成巖板覆蓋下的淮北海孜煤礦Ⅱ102采區(qū)為工程背景，采用理論分析、數(shù)值模擬和微震監(jiān)測相結(jié)合的方法，探索采空區(qū)覆巖大跨傾斜厚板結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的特征，期望為相似條件礦山防治堅硬厚層頂板災(zāi)害提供理論依據(jù)和有益的借鑒。

1 工程背景采區(qū)相關(guān)條件

海孜煤礦Ⅱ102采區(qū)開采10煤層。采區(qū)雙翼布置，研究區(qū)段西翼沿傾向由淺至深依次布置有Ⅱ1022、Ⅱ1024、Ⅱ1026、Ⅱ1028工作面。Ⅱ1022、Ⅱ1024工作面已采結(jié)束，Ⅱ1026工作面在采，Ⅱ1028工作面尚未準備。

采區(qū)幾何參數(shù)見表1，已開采結(jié)束的3個工作面，火成巖板厚度(h)和采空區(qū)最小邊長(l)的比值均大于1/5，均屬厚巖板結(jié)構(gòu)。

表1 采區(qū)幾何參數(shù)及巖板類型

采用走向長壁采煤法后退式開采，全部陷落法管理頂板，沿空送巷，保留2～3 m小煤柱。研究區(qū)段地層整體為NE向單斜構(gòu)造，巖層平均傾角13°。開采煤層平均厚度2.5 m，距火成巖頂板下界面平均168 m。Ⅱ1024工作面開采結(jié)束后，經(jīng)鉆孔探查，煤層頂板砂巖-泥巖交互層與巨厚火成巖已形成離層空間，火成巖尚未顯著下沉和破斷。火成巖物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 火成巖物理力學(xué)參數(shù)

2 采動火成巖破裂的微震監(jiān)測

Ⅱ1021、Ⅱ1022、Ⅱ1024工作面開采結(jié)束后，采用礦井裝備SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測開采過程火成巖破裂情況(圖1、圖2)。東翼Ⅱ1023工作面與西翼對應(yīng)的Ⅱ1024工作面條件相似，開采過程有微震觀測，可以通過Ⅱ1023工作面的觀測結(jié)果類比分析Ⅱ1024工作面。

圖1 Ⅱ1023工作面開采后火成巖破壞狀態(tài)

圖2 不同工作面開采后震源高程分布(均值：-259.8 m)

微震觀測結(jié)果顯示，Ⅱ1023工作面開采后，巖體破裂主要分布在采空區(qū)底板與火成巖下部的頂板，且先火成巖板僅在重心位置產(chǎn)生少量微破裂損傷，而后在火成巖采空大跨結(jié)構(gòu)右拱肩形成(拉張)破裂區(qū)以及右拱腳形成(剪張)破裂區(qū)，而整體未見顯著破裂，表明此時火成巖板基本處于彈性變形狀態(tài)，局部開始輕度損傷，沒有破斷失穩(wěn)，這與地表沉降和鉆孔探查結(jié)果相符。同時表明(圖2)Ⅱ1022工作面開采結(jié)束后，巨厚火成巖頂板處于穩(wěn)定狀態(tài)，巖板并未發(fā)生破裂現(xiàn)象；Ⅱ1024工作面開采結(jié)束后，巖板處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，已發(fā)生輕微破裂；Ⅱ1026工作面開采結(jié)束后，巖板既有剪切破壞又有拉張破壞，且破壞嚴重，巖板處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

3 火成巖頂板失穩(wěn)破斷解析

為分析采場傾斜巨厚火成巖板的失穩(wěn)條件和破斷規(guī)律，沿工作面傾向建立火成巖板斷裂前的力學(xué)模型(見圖3)，且作如下基本假定：不考慮梁支承端墊層的作用，將火成巖板一端由工作面煤壁，另一端

由邊界煤柱支撐簡化成傾斜兩端嵌固梁模型[7-8]，火成巖板沿工作面走向為其寬度。

圖3 火成巖板簡化的力學(xué)模型

由材料力學(xué)可知，任意一點正應(yīng)力的表達式：

(1)

式中,q為原始狀態(tài)下的荷載；L為工作面傾向長度；h為巖板厚度；α為煤層傾角。

對于傾斜巖梁，當危險點位于板幾何中心下邊緣x=L/2處時，巖板易發(fā)生受拉破斷。此時的最大拉應(yīng)力為：

(2)

強度理論中的最大拉應(yīng)力理論[9]

σmax≤[σt] ,

(3)

式中，[σt]為頂板巖層抗拉強度極限。

計算得火成巖板發(fā)生破斷的最大安全跨度尺寸L為：

(4)

Ⅱ1024采區(qū)火成巖板原始狀態(tài)所承受的載荷q取7.5 MPa，火成巖板厚度取140 m，煤層傾角取13°?？紤]到煤層開采后火成巖板與煤層間裂隙帶砂巖-泥巖砌體梁或鉸接梁的支撐作用，故計算時乘以一個支撐系數(shù)k[10]，k根據(jù)工程實際取1.3。則火成巖板發(fā)生受拉破斷的最大安全跨度為 400 m。說明火成巖板在Ⅱ1024工作面開采結(jié)束后即工作面傾向長度大于370 m后才發(fā)生破斷。

4 數(shù)值分析

數(shù)值模擬采用二維離散元分析軟件UDEC，該軟件允許離散的巖塊產(chǎn)生大變以及沿節(jié)理面滑動、轉(zhuǎn)動和脫離冒落,同時還能在計算過程中自動識別新的接觸，所以能更好的模擬巖體力學(xué)和結(jié)構(gòu)特性。

根據(jù)Ⅱ102采區(qū)的采礦地質(zhì)條件，建立與工程實際情況基本相同的計算模型。模型長1 400 m，高800 m，模擬工作面采深560 m，地層傾角取13°。采用位移固定邊界，其中左右邊界為水平單向約束，底部邊界為雙向約束。模型僅受重力作用，采用摩爾-庫侖材料模型。

模型簡化為13層，根據(jù)海孜煤礦巖石力學(xué)試驗結(jié)果，經(jīng)強度折減試驗后，確定試驗巖石力學(xué)參數(shù)。見表3。

表3 數(shù)值試驗?zāi)Ｐ偷貙蛹捌淞W(xué)參數(shù)

通過數(shù)值模擬分析，得到傾斜巨厚火成巖板各點沉降量隨工作面開采的變化規(guī)律,如圖4。

圖4 不同工作面開采結(jié)束火成巖板的下沉曲線

從圖4可以看到，火成巖板的下沉量隨著工作面的推進而增加。Ⅱ1022工作面開采后，最大下沉量的位置為距開切眼100 m處，其值為289 mm，火成巖板并未發(fā)生破斷;Ⅱ1024工作面開采后，下沉量進一步增加，最大下沉量由289 mm增加了391 mm，位置由距開切眼100 m移至250 m處，這是火成巖板傾斜引起的;Ⅱ1026工作面開采后，火成巖板發(fā)生破斷，下沉范圍擴大，下沉量急劇增加，最大下沉量又增加638 mm,最大下沉的位置移至距開切眼450 m處。表明由于巨厚火成巖板傾斜，上覆巖層重力重心下移，使得傾斜巖板的拉張破裂位置處于中部偏下。

為分析火成巖板的各點應(yīng)力隨著工作面傾向長度增加的變化規(guī)律，沿巖板的底部距開切眼每隔50 m 布置一個監(jiān)測點，測出各點的水平應(yīng)力值、垂直應(yīng)力值及剪應(yīng)力值，繪制應(yīng)力變化曲線(見圖5)。

圖5 不同工作面開采結(jié)束火成巖應(yīng)力曲線

采動影響下，必然引起圍巖應(yīng)力的重新分布。從圖5(b)、圖5(c)中可以看出，火成巖板發(fā)生破斷后，水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力不僅沒有釋放，反而大幅度上升。這是由于火成巖出現(xiàn)破斷后，回轉(zhuǎn)程度增大，造成塊體間的擠壓力增大,傾斜工作面頂板中水平應(yīng)力沿工作面傾向方向分布明顯不對稱;垂直應(yīng)力隨著傾向長度的增加而增大,傾斜厚板的剪應(yīng)力沿工作面傾向大體呈對稱分布且最大值位于板兩端處。由于火成巖板傾斜，使得黏性土層以及上覆砂巖層的應(yīng)力右側(cè)大于左側(cè)，火成巖板右側(cè)較左側(cè)更易發(fā)生剪切破斷。傾斜厚板的水平應(yīng)力值比剪切應(yīng)力值大，且由于火成巖板抗拉強度低于抗剪強度，故先在板中部發(fā)生張拉破壞，而后在板兩側(cè)發(fā)生剪切破壞。

5 結(jié) 論

(1)通過數(shù)值模擬分析得出了傾斜厚板的破斷規(guī)律：即先在板靠近中間位置的底部發(fā)生拉張破裂，最后在板兩側(cè)形成剪切破裂區(qū)。隨著工作面的開采，巖板傾向長度的增加使傾斜厚板的應(yīng)力值進一步增加，增加了其失穩(wěn)的可能性。且傾斜厚板的剪應(yīng)力呈對稱分布，在兩側(cè)剪應(yīng)力值最大。

(2)由于上覆巖層重力重心下移，傾斜頂板最大下沉位置隨著工作面的向前推進右移，使得傾斜巖板的拉張破裂位置處于中部偏下。

(3)通過解析計算分析,得到傾斜巨厚火成巖層發(fā)生破斷的最大安全跨度比一般巖層的最大安全跨度值大。

(4)根據(jù)微震監(jiān)測分析，Ⅱ1023工作面開采結(jié)束以后,火成巖板的破斷失穩(wěn)規(guī)律與數(shù)值模擬結(jié)果一致，可見微震監(jiān)測系統(tǒng)可以用于火成巖破斷預(yù)警問題中。

(5)由微震監(jiān)測分析得出,海孜煤礦Ⅱ102采區(qū)Ⅱ1022工作面開采結(jié)束后，巨厚火成巖頂板處于穩(wěn)定狀態(tài);Ⅱ1024工作面開采結(jié)束后巖板處于亞穩(wěn)定狀態(tài);Ⅱ1026工作面開采結(jié)束后，巖板既有剪切破壞又有拉張破壞，破壞嚴重，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。這與海孜煤礦Ⅱ102采區(qū)實際情況一致，從而有效地論證了本文的有效性和正確性，對同類型礦山堅硬傾斜厚板的災(zāi)害防治問題也提供了借鑒。

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Analysis on the Instablity Characteristics of the Long Span Inclined Thick Plate of Mined-out Area

Zhu Fang1,2Li Tie1,2

(1.Key Laboratory of High Efficiency Mining and Safety Metal Mines(Ministry of Education);2.Civil and Environmental Engineering School, University of TechnologyBeijing)

The long span inclined thick and hard roof strata instability of mined-out area can lead to sudden subsidence surface, lead water fracture penetration and strong impact on the lower stope, a serious threat to mining safety. Taking the Haizi coal mine as the research object,combine with the microseismic monitoring,the methods of theoretical analysis, numerical analysis are used to analyze the instablity characteristics of the long span inclined thick plate of mined-out area.The calculation method of the maximum safe span size of inclined plate fracture is obtained by establishing the mechanical mocel.The basic rule of the inclined plate fracture is analyzed based on the UDEC numerical model and the microseismic monitoring resutls,that is,the tensile rupture is happened firstly in the bottom of the location that near the middle of the inclined plate,then,the shear fracture zones are formed in the both ends of the incliend plate.Besides that,the stress of the inclined plate is increased with the increasing tendency length,the shear stress along the tendency of distribution is symmetrical and the maximum value is obtained in the both ends of the inclined plate.

Inclined plate, Analytic calculation, Numerical simulation, Microseismic monitoring

*國家自然科學(xué)基金項目(編號：51274025)。

2014-07-15)

朱 芳(1990—)，女，碩士，100083 北京市海淀區(qū)學(xué)院路30號。