山丘地形下近淺埋煤層綜采面靜動載疊加的礦壓顯現(xiàn)特征研究*

王延生，張　勛，徐慶生

(1. 遼寧工程技術(shù)大學 礦業(yè)學院，遼寧 阜新 123000；2. 喜馬塘煤礦有限公司，云南 昭通 657206)

0　引言

神東礦區(qū)淺埋及近淺埋煤層地表地形復雜，常見低山丘陵地形。工程實踐證明，曾有多個工作面在過山丘地形時發(fā)生過煤壁片幫、架前漏頂?shù)炔煌潭鹊牡V壓顯現(xiàn)。目前關(guān)于山丘地形及近淺埋工作面礦壓顯現(xiàn)的相關(guān)研究有：黃慶享[1]通過現(xiàn)場監(jiān)測分析得出淺埋煤層頂板破斷的主要特征為切落式破斷和臺階下沉；朱衛(wèi)兵[2]建立了淺埋工作面關(guān)鍵層破斷塊體結(jié)構(gòu)力學模型，得出滑落失穩(wěn)是砌體梁結(jié)構(gòu)的主要失穩(wěn)形式；范鋼偉、張東升等[3]采用模擬實驗得到淺埋煤層開采時，工作面覆巖將與地表同步垮落；任艷芳、齊慶新等[4]利用相似模擬實驗研究得到淺埋工作面關(guān)鍵層周期性破斷后裂隙貫通地表是工作面來壓的主要原因；劉國磊、樊克恭等[5]通過理論分析指出山地淺埋煤層開采時，覆巖產(chǎn)生較大水平位移導致關(guān)鍵層巖塊滑落失穩(wěn)是工作面發(fā)生強礦壓的原因；鄭磊[6]根據(jù)物理模擬得出山地地形工作面覆巖活動異常區(qū)裂隙貫通地表并形成多邊鉸接塊，塊體結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)決定工作面礦壓顯現(xiàn)程度；朱恒忠等[7]通過相似模擬試驗指出山地淺埋工作面在向溝推進時礦壓顯現(xiàn)較小，而背溝推進時礦壓顯現(xiàn)劇烈且來壓步距??；田小松等[8]通過建立山丘地形采煤面地表變形預測模型得到山丘地形工作面地表裂縫寬度值；王延生等[9]指出山丘地形綜采面應(yīng)力增高系數(shù)與山丘高度和采高成正比，與山丘坡角成反比；王旭峰、張東升等[9-10]通過理論分析得到淺埋工作面在沖溝下回采時，坡體的回轉(zhuǎn)對工作面產(chǎn)生附加應(yīng)力，背溝回采比向溝回采時應(yīng)力增加值小，礦壓顯現(xiàn)較弱；李建偉等[11]通過理論分析指出溝谷地形淺埋工作面的地表沖溝作用造成關(guān)鍵層部分缺失，部分缺失的關(guān)鍵層失穩(wěn)時工作面發(fā)生動載礦壓。

綜上，關(guān)于山丘地形淺埋工作面礦壓顯現(xiàn)的研究已取得一定成果。但也存在些許不足，如未能揭示山丘靜載傳遞與關(guān)鍵塊體失穩(wěn)動載對近淺埋工作面礦壓顯現(xiàn)的疊加作用，以及山丘坡體內(nèi)不同巖層賦存狀態(tài)的不同礦壓發(fā)生機制。因此，開展山丘地形近淺埋工作面靜動載疊加作用下的礦壓發(fā)生機理研究具有重要意義。

1　工程概況

上灣礦12203工作面和12206工作面采1-2#煤層，地表均為低山丘陵地形，圖1為工作面地質(zhì)剖面圖。由工程實踐知，兩工作面在過山丘地形時均發(fā)生過不同程度的強礦壓顯現(xiàn)，但強礦壓發(fā)生位置卻不同。12203工作面在山丘上坡段回采過程中礦壓顯現(xiàn)較緩和，而下坡段強礦壓顯現(xiàn)頻繁，周期來壓步距小，平均11.3 m，并常有頂板架后切落現(xiàn)象發(fā)生；12206工作面在山丘上坡初、上坡頂和下坡初動載礦壓強烈，而在下坡段后期礦壓顯現(xiàn)緩和。表1為12203工作面和12206工作面地質(zhì)及開采技術(shù)參數(shù)與來壓特征統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

圖1　沿工作面走向中心線工作面地質(zhì)剖面Fig.1　The geological profiles of the working faces along the center of the faces

表1　工作面地質(zhì)及開采技術(shù)參數(shù)與來壓特征

由表1和圖1知，兩工作面開采技術(shù)參數(shù)及地表山丘形態(tài)基本相同，但工作面地表松散層厚度差異較大，且工作面礦壓顯現(xiàn)情況差異較大。

通過對兩工作面地質(zhì)鉆孔分析及關(guān)鍵層位置判別得知，12203工作面上覆山丘坡體中表土層厚29.1 m，深部為膠結(jié)沙土，坡體中無關(guān)鍵層；而12206工作面山丘表土層薄，僅6.5 m，深部為膠結(jié)土石，在山丘坡體中存在砂巖，為山丘段工作面的主關(guān)鍵層。兩工作面山丘坡體下方煤巖層巖性參數(shù)基本相同。煤層直接頂為厚約4.3 m的泥巖和粗砂巖，基本頂為厚約8.9 m細粒砂巖?；卷斏霞s40 m處有一厚約10 m的細粒砂巖，為高位關(guān)鍵層。

根據(jù)兩工作面山丘坡體的地質(zhì)巖性參數(shù)不同，將12203和12206工作面分別定義為沙土型山丘工作面和土石型山丘工作面。巖層的不同賦存狀態(tài)導致了工作面礦壓顯現(xiàn)程度及作用機理的差異性。圖2為沿工作面走向作剖面，工作面關(guān)鍵層賦存情況及強礦壓發(fā)生位置示意圖。

圖2　不同巖層賦存山丘地形及工作面強礦壓發(fā)生位置Fig.2　Hilly terrain of different strata occurrence and locations of panel high pressure

2　山丘地形靜載應(yīng)力傳遞規(guī)律

根據(jù)地質(zhì)資料，12203和12206工作面地表山丘形態(tài)大致相同，山丘垂高約65 m，坡角23°～35°，山丘頂部平直部分長約20 m，山丘沿工作面走向長約220 m。根據(jù)工作面上覆山丘地形特征，將山丘簡化為棱臺模型，沿工作面走向作坡體剖面，得到山丘靜載應(yīng)力傳遞力學模型如圖3所示。

圖3　山丘靜載力學模型Fig.3　Mechanics model of hill static load

由土力學原理知，在地基表面作用有集中壓力P時，P對平面內(nèi)任意點產(chǎn)生的垂直應(yīng)力σy，水平應(yīng)力σx和剪切應(yīng)力τx y分別為:

(1)

(2)

(3)

式中:r=x2+y2；x為任意點距P的水平距離，m；y為任意點距P的垂直距離，m。

由上述3式及圖3，當下部煤巖體承受變集度分布力時，由dp=qdx，通過疊加原理可得山丘靜載向下部煤巖體傳遞的應(yīng)力情況。AB，BC，CD段載荷在M點產(chǎn)生的垂直應(yīng)力總和為:

(4)

其中:

同理，M點的水平應(yīng)力和剪切應(yīng)力分別為：

(5)

(6)

根據(jù)工作面上覆山丘地形參數(shù)，經(jīng)式(4)～(6)計算得山丘載荷向煤層傳遞的應(yīng)力如圖4所示。由圖得：山丘靜載向煤層傳遞的垂直應(yīng)力呈鐘形分布，位于山丘中心正下方的煤層承受的垂直應(yīng)力最大，為0.93 MPa，是原巖垂直應(yīng)力的19.6%，山丘中心兩側(cè)180 m范圍內(nèi)受到的傳遞應(yīng)力均大于平均值0.49 MPa。傳遞的水平應(yīng)力和剪切應(yīng)力均較小，最大值分別為0.26和0.29 MPa。

圖4　山丘靜載傳遞到工作面的集中應(yīng)力Fig.4　Centralized stress of working face transmitted by hill

3　工作面靜動載疊加礦壓顯現(xiàn)特征

3.1　沙土型山丘靜動載疊加礦壓顯現(xiàn)特征

現(xiàn)場監(jiān)測顯示，12203沙土型山丘工作面在過山丘下坡段比上坡段礦壓顯現(xiàn)更為強烈，工作面主關(guān)鍵層破斷后裂隙直通地表。由于山丘坡體臨空面的存在，坡體斷裂塊受重力作用，具有沿坡面下傾的趨勢。斷裂塊在山丘上坡段和下坡段不同的傾斜回轉(zhuǎn)方向是造成兩者礦壓顯現(xiàn)差異性的主要原因。

當工作面在山丘上坡段回采時，坡體斷裂塊逆上坡面向工作面采空區(qū)方向傾斜倒轉(zhuǎn)，上覆載荷主要作用在支架后方的采空區(qū)內(nèi)，礦壓顯現(xiàn)緩和。但由于在上坡頂山丘靜載應(yīng)力達到最大值0.93 MPa，高靜載與動載疊加，工作面礦壓顯現(xiàn)仍較強烈。

當工作面在山丘下坡段回采時(圖5)，坡體斷裂塊順下坡面向工作面煤壁方向傾斜滑移，將載荷直接作用在煤壁和支架上，造成嚴重的煤壁片幫、架前漏頂，動載礦壓強烈。尤其在下坡初受山丘高靜載作用，礦壓顯現(xiàn)尤為劇烈。

圖5　下坡段巖層運動形態(tài)Fig.5　Movement shape of the rock in downhill section

為分析沙土型山丘工作面強礦壓發(fā)生機制，建立圖6所示的下坡段基本頂關(guān)鍵塊體結(jié)構(gòu)力學模型。圖中q0，q1，q2為坡體載荷；hi為塊體埋深；W1，W2為塊體B和C的下沉量，W1=l1sinθ1，W2=l1sinθ1+l2sinθ2；θ1，θ2為塊體B和C的回轉(zhuǎn)角；a=0.5(h-l1sinθ1)為巖塊鉸接點距其端點的距離；T為巖塊所受的水平推力，可取T在B塊和C塊的作用點位置均為0.5a處，分別記為點B和點C；Q1，Q2分別為鉸接點B和C處的剪力；R2為C塊體下部巖層對其的支撐力；B塊和C塊在O點鉸接；h為關(guān)鍵層厚度；l1，l2分別為巖塊B和C的長度。

圖6　下坡段基本頂破斷結(jié)構(gòu)模型Fig.6　Broken structure model of key stratum in downhill section

對圖6中的B點取矩，由∑MB=0得：

(7)

由∑Mo=0得：

(8)

由∑Y=0得：

(9)

取C塊下部支撐力等于其上覆載荷，有：

(10)

聯(lián)立式(7)～(10)，并取關(guān)鍵塊體長度相等，可得:

(11)

設(shè)山丘坡角為α，關(guān)鍵層覆巖容重為γ，則

q1=q0+γltanα，q2=q0+2γltanα

(12)

(13)

(14)

由式(9)、(10)和(14)得：

(15)

由工程實踐知，山丘地形淺埋工作面回采過程中頂板易發(fā)生架后切落而造成工作面動載礦壓顯現(xiàn)，即關(guān)鍵塊體B易滑落失穩(wěn)。為保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定而不發(fā)生滑落失穩(wěn)，B塊受力應(yīng)滿足:

Ttanφ≥Q1

(16)

式中：tanφ為關(guān)鍵塊體間的摩擦系數(shù)。將式(13)和(15)代入式(16)得：

上式即為塊體B不發(fā)生滑落失穩(wěn)的力學條件。式中可取tanφ為0.3，γ=23 kN/m3，θ1為3°左右；由12203工作面下坡段來壓步距知，l為6.8～17 m；隨工作面在山丘下坡段的推進位置不同和不同的山丘坡角α，關(guān)鍵塊體B上覆載荷q0的取值不同。

經(jīng)計算，防止工作面下坡段結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的塊體斷裂度應(yīng)滿足：i≤0.22。但根據(jù)地質(zhì)資料知h=8.9 m，且l為6.8～17 m，則實際塊體斷裂度i′=(0.52～1.31)>0.22，顯然巖塊結(jié)構(gòu)難以保持穩(wěn)定，若無合理的支護控制措施，必然發(fā)生滑落失穩(wěn)，造成工作面動載礦壓顯現(xiàn)。

3.2　土石型山丘工作面靜動載疊加礦壓顯現(xiàn)特征

3.2.1上坡初動載礦壓顯現(xiàn)特征

當工作面回采至山丘上坡初時，未破斷的山丘段主關(guān)鍵層可簡化為如圖7(a)所示的懸臂梁結(jié)構(gòu)。主關(guān)鍵層初次破斷后，由于山丘坡體臨空面的存在，導致初次破斷的巖塊缺少側(cè)向擠壓力的作用而滑落失穩(wěn)，并在斷裂面處產(chǎn)生較大豎向錯斷位移。失穩(wěn)的主關(guān)鍵層破斷塊體結(jié)構(gòu)將其承載載荷傳遞于下部煤巖層，造成下位關(guān)鍵層塊體結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)，進而導致工作面動載礦壓顯現(xiàn)。圖7(b)為上坡初主關(guān)鍵層初次破斷后巖層的運動形態(tài)。

圖7　上坡初巖層結(jié)構(gòu)運動模型Fig.7　Strata structure movement model of uphill beginning

由于關(guān)鍵層先、后破斷的巖塊承受的山丘靜載應(yīng)力始終處于不均衡狀態(tài)，促使關(guān)鍵塊體間的豎向錯斷距增大，塊體間僅形成弱鉸接結(jié)構(gòu)。

3.2.2上坡頂靜動載疊加礦壓發(fā)生機制

當工作面在山丘上坡頂下方回采時，山丘靜載達到最大值0.93 MPa。當弱鉸接的關(guān)鍵塊體結(jié)構(gòu)達到其臨界承載能力時，極易發(fā)生滑落失穩(wěn)，進而導致工作面發(fā)生由靜載激發(fā)的動載礦壓顯現(xiàn)，這也是12206工作面回采至上坡頂下方時再次發(fā)生強礦壓顯現(xiàn)的根本原因。為分析工作面回采至山丘上坡頂時的礦壓發(fā)生機制，建立如圖8所示的基本頂“砌體梁”結(jié)構(gòu)力學模型。

圖8　基本頂破斷塊體結(jié)構(gòu)力學模型Fig.8　Structure mechanic model of basic roof broken block

在平衡條件下，由結(jié)構(gòu)中受力關(guān)系可得：

根據(jù)實踐經(jīng)驗，非山丘地形的工作面基本頂破斷后，兩相鄰巖塊的斜率近似相等。則要求“砌體梁”結(jié)構(gòu)平衡時所需的水平推力為：

然而，對于土石型山丘地形工作面，山丘坡體中主關(guān)鍵層在上坡初初次破斷后的動載礦壓使得關(guān)鍵塊體間豎向錯斷位移較大，即有η4>η3>η2>η1，故(η1-η2)+(η3-η4)<0。則要求結(jié)構(gòu)平衡時所需的水平推力為:

顯然T′>T，即山丘地形工作面基本頂砌體梁結(jié)構(gòu)更易失穩(wěn)。

3.2.3下坡段工作面礦壓顯現(xiàn)分析

當工作面推進至下坡初時，呈弱咬合的關(guān)鍵層破斷塊體結(jié)構(gòu)受到山丘高靜載作用，使工作面再次發(fā)生由靜載激發(fā)的動載礦壓顯現(xiàn)。在之后的下坡段回采過程中，山丘靜載作用逐漸減小，巖塊間咬合作用不斷加強，豎向錯斷距逐步得到修正，故一般不再發(fā)生強礦壓顯現(xiàn)。

4　山丘地形礦壓演化規(guī)律數(shù)值模擬

采用FLAC3D進行山丘地形礦壓演化規(guī)律數(shù)值計算。根據(jù)12203和12206工作面地質(zhì)及開采條件等確定模型尺寸，模型長480 m，寬400 m，高233 m。模型寬度方向為工作面長度方向，模型長度方向為工作面走向。模擬12203工作面長300 m，12206工作面長310 m，兩工作面采高均為6 m，推進長度均為380 m。由于煤層傾角較小，本模型按水平煤層計算，山丘簡化為規(guī)則的棱臺模型。在模型側(cè)面設(shè)置水平位移約束，底面設(shè)置垂直位移約束，模型上部為自由面。按地質(zhì)資料對煤巖層參數(shù)賦值，表2為各主要巖層及其物理力學參數(shù)。由于模型上部已達地表，故不再施加外載荷。

表2　各主要巖層及其物理力學參數(shù)

根據(jù)模擬結(jié)果，沿工作面走向中心線作剖面得工作面在不同推進位置的垂直應(yīng)力云圖，其中圖9為12206工作面在上坡頂和12203工作面在下坡初的垂直應(yīng)力云圖，圖10為兩工作面在不同推進位置的超前支承壓力應(yīng)力增高系數(shù)變化曲線。

圖9　山丘地形沿工作面走向垂直應(yīng)力云圖Fig.9　Distribution of vertical stress along the panel trend under the hill

圖10　工作面不同回采位置的應(yīng)力增高系數(shù)Fig.10　Stress increasing coefficient of different locations

由圖10知：當工作面地表為平直地形時，應(yīng)力增高系數(shù)較小，基本穩(wěn)定在2.3左右；當工作面在上坡段推進過程中，土石型山丘工作面應(yīng)力增高系數(shù)大于沙土型山丘工作面，尤其是在上坡初和上坡頂位置，其中在上坡頂達到最大值3.17，可見在山丘上坡段土石型山丘工作面礦壓顯現(xiàn)更為強烈；當工作面在下坡段回采時，沙土型山丘工作面應(yīng)力增高系數(shù)明顯大于土石型山丘工作面，尤其是在下坡初階段，其中在下坡初達到最大值3.4，可見在山丘下坡段沙土型山丘工作面礦壓顯現(xiàn)更為強烈。

5　結(jié)論

1)根據(jù)神東礦區(qū)淺埋煤層地表山丘地形的巖層賦存狀態(tài)，可將山丘地形可分為坡體中無關(guān)鍵層的沙土型山丘和有關(guān)鍵層的土石型山丘。山丘靜載向工作面?zhèn)鬟f的垂直應(yīng)力呈鐘形分布，山丘高靜載易激發(fā)呈弱鉸接結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵塊體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。山丘地形工作面在山丘坡體中的覆巖巖性及組成結(jié)構(gòu)的不同是導致沙土型山丘工作面和土石型山丘工作面礦壓顯現(xiàn)差異的主要原因。

2)山丘坡體的傾斜回轉(zhuǎn)運動是沙土型山丘工作面發(fā)生強礦壓顯現(xiàn)的主導因素，坡體傾斜回轉(zhuǎn)運動方向與工作面推進方向之間的關(guān)系決定了工作面在上、下坡段礦壓顯現(xiàn)的程度。在上坡段，山丘坡體逆工作面推進方向向采空區(qū)傾斜倒轉(zhuǎn)，礦壓顯現(xiàn)較弱；在下坡段，山丘坡體順工作面推進方向向煤壁傾斜滑移，工作面動載礦壓強烈。

3)土石型山丘工作面的礦壓顯現(xiàn)主要受坡體中關(guān)鍵層運動狀態(tài)的控制。坡體臨空面的存在導致關(guān)鍵層初次斷裂的巖塊缺少側(cè)向擠壓力的作用而滑落失穩(wěn)是工作面在上坡初動載礦壓的發(fā)生機制。山丘高靜載應(yīng)力與上坡初動載后效的疊加作用是上坡頂和下坡初發(fā)生強礦壓顯現(xiàn)的根本原因。

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