近距離煤層群頂板結(jié)構(gòu)及破斷模型分析

逄錦倫

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶 400039; 2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室,重慶 400037)

近距離煤層群由于煤層間距較小，在開采其中一個煤層時，勢必會影響另一個或多個煤層的開采，因此在開采的時空關(guān)系上具有一定的關(guān)聯(lián)性[1-4]。而近距離煤層群兩煤層間頂板的破斷垮落特性，決定著煤層群回采時的時空關(guān)系[5-9]。因此，研究近距離煤層群上下兩煤層間頂板的破斷垮落特性，對于近距離煤層群的安全高效聯(lián)合開采具有重要意義。

1 煤層間頂板結(jié)構(gòu)分類

通過總結(jié)不同類型近距離煤層間夾層(頂板)的特點，根據(jù)夾層(頂板)破斷垮落類型不同，將近距離煤層群頂板結(jié)構(gòu)分為3種，即：散體結(jié)構(gòu)頂板、塊體結(jié)構(gòu)頂板及板式結(jié)構(gòu)頂板[10-13]，如表1所示。

表1 煤層直接頂分類

1.1 散體結(jié)構(gòu)頂板

散體結(jié)構(gòu)頂板主要是指上下兩層煤層間夾層厚度小于4 m，且?guī)r性多為泥巖及泥頁巖的頂板。散體破斷模型如圖1所示。

圖1 散體破斷模型

此種類型頂板幾乎沒有承載能力，在上煤層回采過程中受采動應(yīng)力的影響，會呈現(xiàn)散體破壞的情況。當(dāng)下煤層回采時，此類頂板會隨著下部工作面的推進(jìn)隨采隨落，其頂板垮落形式主要以頂板散體塊之間的滑動垮落為主，且在回采過程中幾乎不會出現(xiàn)礦壓顯現(xiàn)，將此類破斷稱為散體破斷。

1.2 塊體結(jié)構(gòu)頂板

塊體結(jié)構(gòu)頂板主要是指上下兩煤層間夾層厚度為4～8 m，且?guī)r性多為粉砂巖和砂質(zhì)泥巖的頂板。對下煤層而言，此類頂板結(jié)構(gòu)由于具有一定的厚度和強(qiáng)度，在上下煤層的回采工作面中會表現(xiàn)出一定的承載性。在上煤層的回采過程中，下煤層頂板受上煤層的采動影響會發(fā)生破斷，塊體破斷模型如圖2 所示。

(a)下煤層未開采時

此類結(jié)構(gòu)頂板的原有裂隙會逐漸發(fā)育直至穿透整個頂板結(jié)構(gòu)，從而形成一個一個緊挨的塊體結(jié)構(gòu)，如圖2(a)所示。

在下煤層的開采過程中，此類頂板會隨著工作面的不斷推進(jìn)出現(xiàn)塊體循環(huán)垮落失穩(wěn)的現(xiàn)象。具體表現(xiàn)為回采初期隨著回采距離的增大，2個塊體旋轉(zhuǎn)失穩(wěn)，并在塊體間形成鉸接支承結(jié)構(gòu)，如圖 2(b) 所示。

在工作面繼續(xù)向前推進(jìn)過程中，懸頂面積繼續(xù)增大，第1個完全裸露的塊體的支承結(jié)構(gòu)被破壞，完全垮落，第2個和第3個塊體形成鉸接的支承結(jié)構(gòu)，如圖2(c) 所示，如此往復(fù)進(jìn)行。此類結(jié)構(gòu)頂板在回采過程中會出現(xiàn)一定的周期來壓現(xiàn)象，但周期來壓步距較短，且來壓時應(yīng)力表現(xiàn)較弱，因此將此種破斷稱為塊體破斷。

1.3 板式頂板結(jié)構(gòu)

板式結(jié)構(gòu)頂板主要是指上下兩煤層間夾層厚度在8 m以上，且頂板巖性多為石灰?guī)r、致密砂巖等強(qiáng)度較高的巖石頂板。板式破斷模型如圖3 所示。

(a)中部裂紋 (b)中部+端頭裂紋 (c)“X”形裂紋

該類結(jié)構(gòu)頂板自身具有較強(qiáng)的承載能力，上煤層開采時對其本身結(jié)構(gòu)的影響較小，因此在下煤層開采時可將該頂板視為板式結(jié)構(gòu)。

在下煤層回采初期，頂板破壞先是從工作面中部開始，因為此處承受的剪應(yīng)力最大，如圖3(a)所示；當(dāng)下部工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，頂板破壞加劇，工作面中部裂紋向工作面兩邊擴(kuò)展，而工作面端頭區(qū)域亦出現(xiàn)破壞，如圖3(b)所示；當(dāng)下部工作面進(jìn)一步向前推進(jìn)，頂板裂紋會繼續(xù)發(fā)育，最后呈現(xiàn)“X”形斷裂，如圖3(c)所示。此時出現(xiàn)初始來壓，且來壓狀況比較明顯，因此將此種破斷稱為板式破斷。

2 幾何模型的建立

為直觀分析不同頂板結(jié)構(gòu)下頂板的破斷規(guī)律，利用3DEC數(shù)值模擬軟件進(jìn)行建模[2,6,14-15]。選擇官地煤礦3318工作面為工程研究背景，該工作面長為120 m，主采的3#煤層平均厚度為1.8 m，3#煤層與相鄰的2#煤層間距為6.5 m。2#煤層平均厚度為2.3 m，2#、3#煤層間巖性主要為泥質(zhì)砂巖和細(xì)砂巖。設(shè)計幾何模型尺寸長×寬×高為140 m×60 m×38 m，模型共劃分317 382個塊單元。幾何模型如圖4 所示。

圖4 3DEC數(shù)值模擬幾何模型

數(shù)值模擬采用的邊界條件為：垂直向下施加重力，左右及前后各施加12 MPa應(yīng)力。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 散體結(jié)構(gòu)頂板垮落模擬

利用3DEC軟件模擬下部工作面推進(jìn)過程中散體結(jié)構(gòu)頂板的垮落和應(yīng)力集中情況，散體結(jié)構(gòu)頂板開采位移云圖如圖5所示，應(yīng)力云圖如圖6所示。

由圖5可知，在工作面推進(jìn)初期頂板就出現(xiàn)了明顯變形，當(dāng)工作面推進(jìn)5 m時，該類型頂板即出現(xiàn)了整體下沉；隨著工作面的進(jìn)一步向前推進(jìn)，下煤層頂板下沉變形進(jìn)一步加劇，可看出該類型頂板在下煤層開采過程中不具有支承能力。

由圖6可知，在工作面推進(jìn)距離從5 m增加到20 m的過程中，應(yīng)力變化較小，應(yīng)力集中程度較小，應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在工作面后方和端頭位置。

綜上可知，散體結(jié)構(gòu)頂板在下部工作面回采過程中表現(xiàn)為隨采隨落，且應(yīng)力集中程度較小，對下煤層回采不會造成過大影響。

3.2 塊體結(jié)構(gòu)頂板垮落模擬

利用3DEC軟件模擬下部工作面推進(jìn)過程中塊體結(jié)構(gòu)頂板的垮落和應(yīng)力集中情況，塊體結(jié)構(gòu)頂板開采位移云圖如圖7所示，應(yīng)力云圖如圖8所示。

由圖7可知，在下部工作面推進(jìn)過程中塊體結(jié)構(gòu)頂板表現(xiàn)出了一定的支承能力，在下部工作面推進(jìn)至10 m時，該類型頂板的下部出現(xiàn)一定程度的變形，但上部仍然起支承作用；當(dāng)工作面推進(jìn)至15 m時，頂板下部變形量加大，但整體變形量較小，且沒有急劇加大；當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)至20 m位置時，頂板出現(xiàn)急劇變形，表現(xiàn)出失穩(wěn)狀態(tài)。

由圖8可知，在下部工作面推進(jìn)過程中，隨著工作面向前推進(jìn)，工作面兩端的應(yīng)力集中程度愈發(fā)加劇，且應(yīng)力的明顯變化發(fā)生在工作面推進(jìn)至15 m位置時。

塊體結(jié)構(gòu)頂板的垮落破斷情況可以認(rèn)定為：塊體結(jié)構(gòu)頂板在下部工作面回采中具有一定的支承能力，頂板垮落破斷基本滯后于工作面15 m左右，即在工作面推進(jìn)至15 m時出現(xiàn)初次來壓現(xiàn)象，這是由于塊體結(jié)構(gòu)頂板垮落過程中塊體的回轉(zhuǎn)失穩(wěn)造成的。

3.3 板式結(jié)構(gòu)頂板垮落模擬

利用3DEC軟件模擬下部工作面推進(jìn)過程中板式結(jié)構(gòu)頂板的垮落和應(yīng)力集中情況，板式結(jié)構(gòu)頂板開采位移云圖如圖9所示，應(yīng)力云圖如圖10所示。

由圖9可知，當(dāng)下煤層工作面推進(jìn)至15 m位置時，上下兩層煤層間頂板(夾層)表現(xiàn)出較好的承載性能，頂板下方有一定變形位移，但頂板整體變形不大；當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)至20 m位置時，頂板變形加大，但沒有出現(xiàn)劇烈變形；當(dāng)下煤層工作面推進(jìn)至 25 m 位置時，頂板出現(xiàn)劇烈變形，可判定此時出現(xiàn)了初次垮落現(xiàn)象；當(dāng)工作面推進(jìn)至45 m位置時，頂板再次發(fā)生劇烈變形，此時可判定出現(xiàn)周期來壓現(xiàn)象。

由圖10可知，當(dāng)工作面由15 m推進(jìn)至20 m位置時，工作面兩端應(yīng)力變化明顯加劇；當(dāng)工作面推進(jìn)至 25 m 位置時，應(yīng)力集中情況相對緩解；當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)至45 m位置時，應(yīng)力集中情況再次出現(xiàn)降低現(xiàn)象。

綜上可知，在下煤層工作面向前推進(jìn)過程中，板式結(jié)構(gòu)頂板具有較好的承載性，能夠出現(xiàn)初次來壓及周期來壓現(xiàn)象。根據(jù)官地煤礦地質(zhì)條件模擬可知，其初次來壓步距為20～25 m，周期來壓步距為20 m 左右。

4 礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

官地煤礦3318工作面頂板為板式結(jié)構(gòu)，為分析其頂板垮落情況，在工作面布設(shè)的20、40、60、80、100號支架上安裝應(yīng)力計，用其監(jiān)測工作面頂板應(yīng)力變化情況。工作面支架阻力變化情況如圖11所示。

(a)20號支架阻力

由圖11可知，3318工作面直接頂?shù)某醮蝸韷翰骄嗉s為22.3 m，且周期來壓表現(xiàn)為工作面中部先來壓，然后逐步向工作面兩端發(fā)展；周期來壓步距約為19.8 m，且周期來壓期間支架平均阻力為3 256 kN，占支架額定阻力的72.3%，周期來壓并不強(qiáng)烈。實測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合。

5 結(jié)論

1)近距離煤層群頂板結(jié)構(gòu)可分為3種，即散體結(jié)構(gòu)頂板、塊體結(jié)構(gòu)頂板及板式結(jié)構(gòu)頂板。

2)對3種不同頂板結(jié)構(gòu)垮落破斷情況進(jìn)行3DEC數(shù)值模擬得出：散體結(jié)構(gòu)頂板為散體破斷，不具有承載能力；塊體結(jié)構(gòu)頂板為塊體破斷，具有一定的承載能力，礦壓現(xiàn)象不明顯；板式結(jié)構(gòu)頂板為板式破斷，承載能力較強(qiáng)，表現(xiàn)出初次來壓和周期來壓現(xiàn)象。

3)通過對官地煤礦3318工作面實測，其初次來壓步距約為22.3 m，周期來壓步距約為19.8 m，與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合。3318工作面頂板為板式結(jié)構(gòu)。