急斜特厚煤層覆巖運移微-宏觀演化特征

張 坤

(中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

急傾斜特厚煤層大段高綜放開采的采動空間屬于動態(tài)變尺寸(度)的空間結(jié)構(gòu)，在大段高放頂煤開采擾動應(yīng)力作用下，加劇了煤巖復(fù)合體的節(jié)理化程度、物理-幾何特征和時空關(guān)系的復(fù)雜性，采空區(qū)覆巖或煤體介質(zhì)在不同層位區(qū)域和不同尺度擾動作用下產(chǎn)生剪切-滑移明顯不同[1-4]。提高水平分段放頂煤分段高度后，巖層的大范圍破壞有可能演化為覆巖介質(zhì)的大范圍強度劣化活動，進而產(chǎn)生采動空間坍塌失穩(wěn)從而導(dǎo)致衍生災(zāi)害的發(fā)生，為實現(xiàn)急傾斜特厚煤層大段高安全高效開采，關(guān)于急傾斜特厚煤層覆巖運移微-宏觀演化特征的研究十分必要。

1 三維立體大型物理模型設(shè)計

以新疆烏魯木齊礦區(qū)某礦B1+2急傾斜特厚煤層為研究對象，該煤層水平厚度32.9 m，煤層傾角64°～ 69°，f系數(shù)2～3，頂-底較松散，層理與節(jié)理發(fā)育。階段分段高度為52 m的大段高煤體沿該煤層走向方向賦存。建立4.42 m×2.9 m×1.95 m(長×寬×高)的物理相似模擬模型，模型比例為1∶25，傾角64°，煤層階段高度為52 m。實驗材料主要包括：末煤粉、河砂、云母、石膏、大白粉、黏土等材料。立體模型的模擬巖層、巖性、分層厚度以及材料配比等情況見表1。

表1 立體模型材料配比及分層厚度(比例1∶25)Table 1 Material ratio and layer thickness of the three-dimensional model(ratio 1∶25)

支架模型設(shè)置在回采工作面，傳感器布置在該支架模型下部，數(shù)據(jù)采集采用靜態(tài)電阻應(yīng)變儀進行實時測量。如圖1、2所示為三維立體大型實驗?zāi)Ｐ同F(xiàn)場和支架模型布置圖。

圖1 三維立體大型實驗?zāi)Ｐ虵ig.1 Large three-dimensional experimental model

圖2 工作面支架模型布置Fig.2 Layout of hydraulic support mode of working face

2 基于三維立體大型實驗?zāi)Ｐ偷慕Y(jié)果分析

此次實驗運用三維大型空間多功能立式支架試驗臺，借助頂部和側(cè)部油缸對物理模型致以動-靜以及均勻-非均勻荷載，從而真實地模擬現(xiàn)場圍巖受力情況。通過借助三維立體大型相似材料模擬實驗，研究發(fā)現(xiàn)采動空間覆巖的破壞過程經(jīng)歷了初始層裂、離層破斷以及“三鉸拱”形成、“三鉸拱”失穩(wěn)4個階段。

從微觀角度出發(fā)：在大段高放頂煤開采擾動應(yīng)力(應(yīng)力場重新分布或應(yīng)力集中)和工程擾動(注水弱化或松動爆破)作用下，頂煤或者頂板覆巖與原母體脫離發(fā)生層裂現(xiàn)象，如圖3所示。導(dǎo)致層裂現(xiàn)象產(chǎn)生的物理機制是局部化帶內(nèi)煤巖材料在(沖擊)擠壓過程中，由壓縮波在自由面反射形成的稀疏波相互作用引起的[5-7]。

圖3 層裂演化離層破斷現(xiàn)象Fig.3 Spallation evolution and delamination breaking phenomenon

從宏觀角度出發(fā)：在工作面回采方向上形成了沿“上方頂板—側(cè)方頂煤—下方底板”的不對稱式“三鉸拱”結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)本質(zhì)上屬于同時受“壓力-剪力”模式的力學(xué)結(jié)構(gòu)，而靠近底板側(cè)頂煤由于受壓，同時所受剪應(yīng)力不足以使其發(fā)生剪切破壞，所以致使該部分頂煤難以放出，因此靠近煤層底板側(cè)最終形成弧形三角煤體，如圖4所示。隨著上部頂煤的放出和工作面持續(xù)推進，在頂煤弱化工程和反復(fù)開采擾動應(yīng)力影響下，殘留的弧形三角煤體最終將產(chǎn)生剪切破斷，失去側(cè)方支撐后，沿底板向下急劇滑移，從而導(dǎo)致靠近底板側(cè)不對稱式“三鉸拱”最終發(fā)生大范圍結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

圖4 靠底板側(cè)殘留弧形三角煤體Fig.4 Residual arc triangular coal body near the floor side

3 基于靜態(tài)電阻應(yīng)變的支架工作特性分析

通過理論計算，同時參照相鄰礦井實際經(jīng)驗，設(shè)計確定原型工作面支架額定工作阻力為4 000 kN，支架中心距離1 500 mm，支架控頂距4 500 mm，支護強度為666.7 kN/m2，支架初撐力按額定工作阻力的80%進行計算。根據(jù)相似準則對于幾何比例為1∶25的模型支架，經(jīng)計算應(yīng)力相似常數(shù)為

?=?λ×?γ=39

式中，?λ為幾何相似常數(shù)25；?γ為容重相似常數(shù)1.56。

最終得出原型支架與模型支架支護參數(shù)對照，見表2。

表2 原型與模型支架支護參數(shù)對照Table 2 Comparison of prototype and model support parameters

實驗測得模擬支架應(yīng)變和荷載值，見表3。

表3 相似模擬實驗支架標定值Table 3 Calibration value of similar simulation experiment support

通過加、卸載，在掌握一定觀察數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，運用數(shù)理統(tǒng)計方法建立因變量與自變量之間的回歸關(guān)系函數(shù)表達式，對測得數(shù)據(jù)進行回歸分析，最終得出模擬支架應(yīng)變與載荷關(guān)系方程如下

y=212.41x+675.09

式中，y為支架應(yīng)變值；x為支架所受荷載值，kg。

從實驗?zāi)M可以看出，實驗中靜態(tài)電阻應(yīng)變值發(fā)生了一定的波動，其中放煤過程和煤層頂板垮落時測得的應(yīng)變值相對較大。通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，支架工作阻力大部分集中在額定初撐力附近，數(shù)值區(qū)間為3 000～3 500 kN。在實驗中出現(xiàn)了個別支架工作阻力比原有設(shè)定初撐力低的情況，經(jīng)分析認為其原因主要是該部分支架沒有與頂板進行充分有效接觸，或者是在模擬開挖過程中觸碰到該部分支架，致使其發(fā)生卸壓現(xiàn)象。工作面實驗支架在非來壓期間工作阻力不高，大部分支架工作阻力在初撐力附近。頂板大面積垮落時大部分實驗?zāi)Ｐ椭Ъ芄ぷ髯枇Χ嫉陀? 610 kN，最大值為4 384 kN。

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，頂煤垮落、頂板或者頂煤的大面積垮落會對支架產(chǎn)生沖擊作用，放頂煤液壓支架支護載荷在放煤過程中具有波動性，但實驗研究表明現(xiàn)有液壓支架額定載荷能夠基本滿足支護工作需要。

值得說明的是，在現(xiàn)場實際工作中必須要加強支架接頂工作，通過保證液壓支架初撐力，從而確保液壓支架的穩(wěn)定運行。

4 基于RFPA2D模擬的圍巖運移特征與穩(wěn)定性分析

結(jié)構(gòu)決定穩(wěn)定性，煤巖材料層裂的物理機制是其內(nèi)部損傷(裂紋)成核、增長和匯合[8]。本次利用RFPA2D數(shù)值模擬軟件系統(tǒng)，建立急傾斜特厚煤層大段高綜放開采擾動模型。隨著放頂煤工作面持續(xù)推進和頂煤的有效放出，開采擾動會對工作面覆巖穩(wěn)定性產(chǎn)生直接作用，最終造成工作面頂板來壓。由于上覆巖層荷載作用，頂板會出現(xiàn)微觀撓曲變形進而產(chǎn)生層裂。層裂現(xiàn)象的啟裂位置通常是從基底由下而上開始的，即從采空區(qū)靠近頂板側(cè)由下而上啟動，這是大段高急傾斜放頂煤開采時，頂煤與頂板是否產(chǎn)生動力失穩(wěn)災(zāi)害的必要條件。如圖5、6所示，再次驗證了局部化帶層裂區(qū)位置，發(fā)生層裂的煤巖體在頂煤弱化工程和反復(fù)開采擾動應(yīng)力影響下，其微觀損傷狀態(tài)(層裂-離層)將會對回采工作面上方已形成的不對稱式“三鉸拱”結(jié)構(gòu)的宏觀穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。

圖5 強度特征及演化規(guī)律Fig.5 Strength characteristics and evolution law

圖6 應(yīng)力特征及演化規(guī)律Fig.6 Stress characteristics and evolution law

5 結(jié)論

急傾斜特厚煤層賦存條件、力學(xué)運移特征與時空演化規(guī)律與緩傾斜煤層長壁開采有很大區(qū)別，研究發(fā)現(xiàn)采動空間覆巖的破壞過程經(jīng)歷了初始層裂、離層破斷以及“三鉸拱”形成、“三鉸拱”失穩(wěn)4個階段。從微觀與宏觀角度出發(fā)，急傾斜特厚煤層開采過程中覆巖運移微-宏觀演化特征分析基本如下：

(1)微觀角度，急傾斜煤層大段高水平分段綜采放頂煤工作面長度較短，開采后形成的采動空間其變形與失穩(wěn)僅屬于“有限變形”范圍。煤層放出后的煤層頂、底板在擠壓作用下沿工作面方向形成不對稱式“三鉸拱”結(jié)構(gòu)，隨著工作面的持續(xù)回采，在上覆巖層荷載作用下，造成工作面來壓，頂板會出現(xiàn)微觀撓曲變形進而產(chǎn)生層裂現(xiàn)象，即頂煤或者頂板覆巖與原母體發(fā)生脫離。層裂現(xiàn)象的啟裂位置通常是從基底由下而上開始的，即從采空區(qū)靠近頂板側(cè)由下而上啟動。

(2)宏觀角度，在工作面回采方向上形成了沿“上方頂板—頂煤—下方底板”的不對稱式“三鉸拱”結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)本質(zhì)上屬于同時受“壓力-剪力”模式的力學(xué)結(jié)構(gòu)，而靠近底板側(cè)頂煤由于受壓，同時所受剪應(yīng)力不足以使其發(fā)生剪切破壞，所以致使該部分頂煤難以放出，因此靠近煤層底板側(cè)最終形成弧形三角煤體。隨著上部頂煤的放出和工作面持續(xù)推進，在頂煤弱化工程和反復(fù)開采擾動應(yīng)力影響下，殘留的弧形三角煤體最終將產(chǎn)生剪切破斷，失去側(cè)方支撐后，沿底板向下急劇滑移，從而導(dǎo)致靠近底板側(cè)不對稱式“三鉸拱”最終發(fā)生大范圍結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，頂煤與頂板是否產(chǎn)生大面積動力失穩(wěn)是誘發(fā)衍生災(zāi)害的必要條件。

(3)通過靜態(tài)電阻應(yīng)變儀對支架工作特性分析發(fā)現(xiàn)，頂煤垮落、頂板或者頂煤的大面積垮落會對支架產(chǎn)生沖擊作用，放頂煤液壓支架支護載荷在放煤過程中具有波動性，在現(xiàn)場實際工作中必須要確保液壓支架的穩(wěn)定運行。