原富珍 ,馬 克 ,唐春安 ,王蘇健 ,郭涵宇
(1.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連 116024;2. 大連理工大學(xué) 巖石破裂與失穩(wěn)研究中心,遼寧 大連 116024;3.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,陜西 西安 710070;4.陜煤化工集團(tuán)銅川礦業(yè)有限公司 下石節(jié)煤礦,陜西 銅川 727000)
由于不同層位頂板破斷特征及其礦壓作用機(jī)制差異較大,使得煤巖應(yīng)力分布復(fù)雜,回采時(shí)巷道常出現(xiàn)變形、冒頂、片幫等現(xiàn)象[1-4]。研究采動(dòng)應(yīng)力變化規(guī)律對(duì)于巷道支護(hù)措施及采場(chǎng)安全高效生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義,對(duì)此國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者進(jìn)行了大量研究。
高明忠等[5]進(jìn)行了特厚煤層采動(dòng)應(yīng)力演化規(guī)律原位實(shí)測(cè)研究,研究指出工作面前方支承應(yīng)力分為劇烈擾動(dòng)區(qū)域、強(qiáng)擾動(dòng)區(qū)域和弱擾動(dòng)區(qū)域,并提出了針對(duì)性的分區(qū)支護(hù)措施建議。任艷芳等[6]利用數(shù)值模擬等方法研究了淺埋煤層超前支承壓力變化特征,揭示了淺埋煤層覆巖切落地表后超前支承應(yīng)力變化特征。黃慶享等[7]采用UDEC 軟件研究了神東礦區(qū)基本頂“高位斜臺(tái)階巖梁”結(jié)構(gòu)下超前支承應(yīng)力特征,提出超前支承壓力峰值距煤壁的距離近似為釆高的2倍。金珠海等[8]通過(guò)煤巖力學(xué)分析、FLAC3D數(shù)值模擬分析了采高、埋深對(duì)于大采高工作面支承壓力的影響,指出超前支承壓力的分布規(guī)律主要取決于工作面采高和頂板巖層組成結(jié)構(gòu)。
劉金海等[9]建立了關(guān)鍵層影響下支承應(yīng)力計(jì)算模型,并分析了支承壓力分布特征與地層結(jié)構(gòu)、頂板關(guān)鍵層位置關(guān)系。郭杰凱[10]將平均絕對(duì)離差作為主關(guān)鍵層對(duì)超前支承應(yīng)力影響程度的評(píng)價(jià)指標(biāo),分析了主關(guān)鍵層對(duì)支承壓力的影響隨其層位、厚度的變化規(guī)律。王鈺博[11]建立了采空區(qū)端部覆巖運(yùn)動(dòng)模型,對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定前后端部結(jié)構(gòu)特征及側(cè)向支承壓力演化規(guī)律進(jìn)行研究。張少華等[12]研究了典型關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)下方覆巖移動(dòng)特征,分析了關(guān)鍵層位置、厚度對(duì)覆巖采動(dòng)應(yīng)力分布特征的影響。
煤層頂板硬厚關(guān)鍵層破斷引起采掘空間巖層運(yùn)動(dòng),下方煤巖體應(yīng)力分布隨之發(fā)生變化[13-14],然而,以往的研究大多集中在靜態(tài)支承應(yīng)力,即覆巖充分采動(dòng)后其維持恒定狀態(tài)或變化很小,忽略了覆巖關(guān)鍵層變形-破斷-失穩(wěn)過(guò)程中支承應(yīng)力的響應(yīng)特征。
董家河煤礦22517工作面煤厚1.15~4.10 m,煤層厚度變化大,在頂板多關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)控制作用下覆巖關(guān)鍵層破斷及采動(dòng)應(yīng)力特征存在明顯差異。運(yùn)用RFPA-Strata數(shù)值模擬方法研究了不同采高頂板多關(guān)鍵層破斷及結(jié)構(gòu)特征,分析了不同層位關(guān)鍵層破斷過(guò)程中超前支承應(yīng)力響應(yīng)特征,為現(xiàn)場(chǎng)工作面超前支護(hù)和圍巖控制提供一定的理論參考。
董家河礦22517工作面走向長(zhǎng)度1 217 m,傾向長(zhǎng)185 m,主采山西組5號(hào)煤層,煤厚2.5~4.1 m,平均厚度3.3 m,且在距離運(yùn)輸平巷入口540~765 m存在一薄煤帶,煤厚1.15~2.2 m。煤層傾角約3°,屬近水平煤層。煤層直接頂為厚度0.65~1.66 m的深灰色粗粉砂巖,含少量白云母,含黃鐵礦結(jié)核及少量植物化石?;卷敒楹穸?.70~11.77 m的灰色中、細(xì)粒砂巖,成分以石英為主,暗色石巖屑次之,含較多的云母片,泥硅質(zhì)膠結(jié),含黃鐵礦結(jié)核?;陉P(guān)鍵層理論[15-16]對(duì)斷裂帶發(fā)育范圍內(nèi)覆巖關(guān)鍵層進(jìn)行判別,共有高、中、低位3層關(guān)鍵層影響上覆巖層移動(dòng),巖層屬性及物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 模型巖層的巖石物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Each layer of rock physical and mechanical parameters in model
根據(jù)工作面工程地質(zhì)條件,建立RFPA數(shù)值模型。模型長(zhǎng)度為250 m,高度為125 m。模型劃分為500×250=125 000個(gè)單元。模型頂部為厚10 m的等效層,用來(lái)等效上覆巖層載荷。計(jì)算沿走向距離左側(cè)邊界50 m處開(kāi)開(kāi)切眼,從第2步開(kāi)始開(kāi)挖,每一步開(kāi)挖進(jìn)尺5 m。模型兩端水平位移約束,頂部邊界自由,底端固定,如圖1所示。
圖1 數(shù)值模型Fig.1 Numerical model
根據(jù)許家林等[17-20]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)關(guān)鍵層與開(kāi)采煤層距離較近并小于某一臨界距離時(shí)發(fā)生貫通破壞,且其控制的上覆巖層隨之發(fā)生貫通破斷。這一臨界距離hm主要與煤層采高、頂板碎脹壓實(shí)特性、關(guān)鍵層破斷塊度等因素有關(guān)。
hm=(m-LKm/s)/(kp-1)
(1)
式中,m為煤層采高,m;L為關(guān)鍵層破斷塊體長(zhǎng)度,m;Km為關(guān)鍵層破斷裂隙張開(kāi)度,m;s為關(guān)鍵層厚度,m;kp為關(guān)鍵層下部巖層殘余碎脹系數(shù)。
由于巖石類材料其破斷裂隙張開(kāi)度一般只要達(dá)到幾毫米即可發(fā)生貫通破壞,式(1)中LKm/s項(xiàng)的數(shù)值遠(yuǎn)小于煤層采厚m,砂巖類殘余碎脹系數(shù)kp一般可取1.10~1.15,則關(guān)鍵層是否發(fā)生破斷的鄰近高度7~10倍采高。結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果將頂板充分采動(dòng)后不同采高關(guān)鍵層破斷情況分為以下2類:采高小于2.5 m時(shí)僅低位關(guān)鍵層破斷,中位關(guān)鍵層對(duì)上層覆巖起有效支撐作用;采高大于3 m時(shí)低、中位關(guān)鍵層破斷,高位關(guān)鍵層對(duì)上層覆巖起有效支撐作用。
以采高1.5 m為例對(duì)頂板僅低位關(guān)鍵層破斷前后覆巖移動(dòng)及支承壓力分布特征進(jìn)行分析。頂板充分采動(dòng)后,隨工作面推進(jìn)低位關(guān)鍵層采空區(qū)達(dá)到極限跨距發(fā)生周期性破斷并與采空區(qū)斷裂的巖塊之間相互鉸接形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu),破斷距離19~22 m,平均約20 m。發(fā)生破斷后其上方軟巖均隨之發(fā)生斷裂,與中位關(guān)鍵層之間產(chǎn)生離層。
承載特征:煤壁上方未完全破斷的巖塊A與采空區(qū)已斷裂的巖塊B承載自身及其上方至中位關(guān)鍵層軟巖重力,煤體僅需承載低位關(guān)鍵層下方軟巖重量及附加載荷。
為研究關(guān)鍵層破斷過(guò)程中支承應(yīng)力演化特征,分別取工作面前方低位關(guān)鍵層破斷前后煤層支承應(yīng)力曲線。如圖2b所示,低位關(guān)鍵層破斷前其下方頂板隨工作面推進(jìn)垮落,此時(shí)工作面超前支承應(yīng)力峰值為33 MPa,距離煤壁2.5 m。如圖2c所示,隨工作面繼續(xù)推進(jìn)巖塊A完全發(fā)生破斷,且其至中位關(guān)鍵層間巖層發(fā)生同步破壞并向采空區(qū)回轉(zhuǎn)下沉,工作面超前支承應(yīng)力峰值為28 MPa,距離煤壁1.5 m。低位關(guān)鍵層破斷后支承應(yīng)力峰值大小及其距煤壁距離均減小。
圖2 采高1.5 m關(guān)鍵層破斷及支承應(yīng)力分布特征Fig.2 Fracture of key layer and advancing abutment stress distribution characteristics with 1.5 m seam
煤層開(kāi)采后上覆巖層關(guān)鍵層破斷、下沉對(duì)超前支承應(yīng)力峰值大小及其距煤壁距離有顯著的影響,取煤壁前方低位關(guān)鍵層位移曲線,如圖3所示,位移向下為負(fù)。低位關(guān)鍵層破斷前未完全破斷的巖塊A與已破斷的巖塊B鉸接,鉸接曲線下凹,煤壁前方83.5 m范圍內(nèi)低位關(guān)鍵層彎曲下沉,其中煤壁處最大下沉位移為42 mm,并隨著遠(yuǎn)離煤壁下沉量逐漸減小,對(duì)下方巖層及煤體施加荷載產(chǎn)生超前支承應(yīng)力。低位關(guān)鍵層破斷后,中位關(guān)鍵層失去下方巖層承載作用繼續(xù)向下彎曲下沉但并未發(fā)生破壞,而低位關(guān)鍵層巖塊A完全發(fā)生破斷后斷裂的塊體同下方承載的軟巖向采空區(qū)回轉(zhuǎn)下沉,工作面前方10.5 m范圍內(nèi)位移回彈,其中0~1.5 m由于中位關(guān)鍵層彎曲下沉回彈量降低,此時(shí)由于工作面前方低位關(guān)鍵層回彈作用于煤體的附加荷載部分釋放,超前支承應(yīng)力峰值大小降低并向煤壁靠近。
圖3 采高1.5 m煤壁前方低位關(guān)鍵層位移Fig.3 Displacement of low key layer in front of coal wall with 1.5 m seam
以采高3 m為例對(duì)頂板中位、低位關(guān)鍵層破斷前后覆巖移動(dòng)及支承壓力分布特征進(jìn)行分析。如圖4a所示,頂板充分采動(dòng)后,隨工作面推進(jìn)低位、中位關(guān)鍵層先后達(dá)到極限跨距發(fā)生周期性破斷。采高增加后采空區(qū)巖層暴露面積增加,低位關(guān)鍵層斷裂的塊體隨下方軟巖回轉(zhuǎn)下沉,與前方巖層間隙增大且失去水平力作用,無(wú)法與煤壁上方未破斷的關(guān)鍵層形成砌體梁鉸接結(jié)構(gòu),低位關(guān)鍵層形成懸臂梁結(jié)構(gòu)。中位關(guān)鍵層煤壁前方未完全破斷的巖塊C與已斷裂的巖塊D形成相互鉸接的砌體梁結(jié)構(gòu),破斷距離26~29 m,平均27 m。其上方軟巖隨之瞬間發(fā)生斷裂,與高位關(guān)鍵層之間產(chǎn)生離層。
承載特征:煤壁上方未完全破壞的中位關(guān)鍵層巖塊C與采空區(qū)已斷裂的巖塊D承載自身及其上方至高位關(guān)鍵層軟巖重量。由于煤壁上方低位關(guān)鍵層呈懸臂梁結(jié)構(gòu),煤體需承載煤體上方至中位關(guān)鍵層下方全部巖層重量及附加載荷。
如圖4b所示,低位關(guān)鍵層破斷前其下方頂板隨工作面推進(jìn)發(fā)生垮落,此時(shí)超前支承應(yīng)力峰值為35 MPa,距離煤壁6 m;如圖4c所示,隨工作面繼續(xù)推進(jìn)低位關(guān)鍵層發(fā)生破斷,且其至中位關(guān)鍵層間巖層發(fā)生同步破壞,超前支承應(yīng)力峰值為33 MPa,距離煤壁3.5 m,支承應(yīng)力峰值大小及其距煤壁距離均減小,與僅低位關(guān)鍵層破斷相比,超前支承應(yīng)力峰值大小均減小,這是由于采高大于2.5 m后,巖層暴露面積增大,斷裂的低位關(guān)鍵層塊體下沉量增大,未能形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu),煤體需承載中位關(guān)鍵層下方全部軟巖重量,煤體發(fā)生大量剪切破壞導(dǎo)致承載力降低,超前支承應(yīng)力峰值反而降低。如圖4d所示,中位關(guān)鍵層破斷后其上方至高位關(guān)鍵層間巖層隨之發(fā)生破壞,超前支承應(yīng)力峰值為27 MPa,距離煤壁3 m。中位關(guān)鍵層破斷后支承應(yīng)力峰值大小及其距煤壁距離均進(jìn)一步減小。
圖4 采高3 m關(guān)鍵層破斷結(jié)構(gòu)及支承應(yīng)力分布特征Fig.4 Fracture of key layer and advancing abutment stress distribution characteristics with 3 m seam
分別取低位、中位關(guān)鍵層破斷前后關(guān)鍵層位移曲線,如圖5所示。低位關(guān)鍵層未能與采空區(qū)斷裂的巖塊鉸接形成“砌體梁”結(jié)構(gòu),破斷前以懸臂梁結(jié)構(gòu)承載上層覆巖載荷,懸臂梁彎曲下沉對(duì)下方煤巖層施加載荷,煤壁處最大下沉量為61 mm,并隨著遠(yuǎn)離煤壁下沉量逐漸減小。低位關(guān)鍵層破斷后其懸臂長(zhǎng)度瞬間減小,煤壁前方14.5 m范圍內(nèi)下沉位移量減小發(fā)生回彈,但由于其未能與斷裂巖塊形成鉸接結(jié)構(gòu)且仍處于煤壁前方中位關(guān)鍵層彎曲下沉覆巖載荷區(qū)域,煤壁處下沉位移最大值仍有46 mm,回彈量較小。中位關(guān)鍵層破斷后煤壁前方12 m范圍內(nèi)低位關(guān)鍵層下沉位移值再次減小,其中距煤壁4 m處降幅最大,這是由于煤壁上方中位關(guān)鍵層破斷后關(guān)鍵塊C下沉量減小,對(duì)其下方巖層附加載荷降低。
圖5 采高3 m煤壁前方低位關(guān)鍵層位移量Fig.5 Displacement of low key layer in front of coal wall with 3 m seam
根據(jù)工作面煤層厚度變化特征,低位關(guān)鍵層破斷時(shí)分別選取采高1.5、2和2.5 m,中位關(guān)鍵層破斷時(shí)分別選取采高3、3.5和4 m工作面支承應(yīng)力特征進(jìn)行分析,覆巖充分采動(dòng)后對(duì)工作面超前支承應(yīng)力峰值及超前距離進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。
采高小于2.5 m時(shí)支承應(yīng)力峰值及其距煤壁的距離,如圖6所示。低位關(guān)鍵層發(fā)生破斷前采高1.5、2和2.5 m超前支承應(yīng)力峰值分別為33、35和36 MPa,峰值點(diǎn)距煤壁距離分別為2.5、3和4 m,支承應(yīng)力峰值大小及其距煤壁距離均隨采高增加逐漸增大。低位關(guān)鍵層發(fā)生破斷后采高1.5、2和2.5 m超前支承應(yīng)力峰值分別為27、29和30 MPa,峰值點(diǎn)距煤壁距離分別為1.5、2.5和3.5 m。對(duì)比同一采高低位關(guān)鍵層發(fā)生破斷前后超前支承應(yīng)力峰值大小均降低,且峰值點(diǎn)均遠(yuǎn)離煤壁。對(duì)比不同采高低位關(guān)鍵層發(fā)生破斷前后超前支承應(yīng)力峰值均隨采高增加而增大并逐漸遠(yuǎn)離煤壁。
圖6 采高小于2.5 m不同采高支承應(yīng)力分布Fig.6 Distribution of advancing abutment stress with different mining heights(≤2.5 m)
低位關(guān)鍵層是距離煤層最近的硬厚巖層,其破斷及回轉(zhuǎn)下沉直接影響工作面支承應(yīng)力分布特征,取不同采高(小于2.5 m)低位關(guān)鍵層破斷前后工作面前方低位關(guān)鍵層位移曲線,如圖7所示。低位關(guān)鍵層破斷前,采高1.5、2和2.5 m低位關(guān)鍵層煤壁處最大下沉量分別為42、55和62 mm,且隨遠(yuǎn)離煤壁逐漸降低,煤壁上方低位關(guān)鍵層能夠與采空區(qū)已破斷塊體鉸接,形成穩(wěn)定的“砌體梁”結(jié)構(gòu),煤體僅需承載低位關(guān)鍵層下方巖層重量,煤體受載荷小較為完整,具有較好的承載力,隨采高增加工作面前方低位關(guān)鍵層下沉量增大,超前支承應(yīng)力峰值增大并逐漸遠(yuǎn)離煤壁;低位關(guān)鍵層破斷后,采高1.5、2和2.5 m低位關(guān)鍵層分別在煤壁前方10.5、11.5和13 m范圍內(nèi)下沉位移量減小發(fā)生回彈,且隨采高增加工作面前方低位關(guān)鍵層下沉量增大,超前支承應(yīng)力峰值增大并逐漸遠(yuǎn)離煤壁。
圖7 采高小于2.5 m低位關(guān)鍵層位移量Fig.7 Displacement of low key layer in front of coal wall in different mining heights(≤2.5 m)
采高大于3 m時(shí)支承應(yīng)力峰值及其距煤壁的距離,如圖8所示。低位關(guān)鍵層發(fā)生破斷前,采高3、3.5和4 m超前支承應(yīng)力峰值分別為35、32和31 MPa,峰值點(diǎn)距煤壁距離分別為6、7和8 m;低位關(guān)鍵層發(fā)生破斷后,采高3、3.5和4 m超前支承應(yīng)力峰值分別為33、31和30 MPa,峰值點(diǎn)距煤壁距離分別為3.5、5和5.5 m;中位關(guān)鍵層發(fā)生破斷后,采高3、3.5和4 m支承應(yīng)力峰值分別為27、25和25 MPa,峰值點(diǎn)距煤壁距離分別為3、4.5和5 m。對(duì)比同一采高不同層位關(guān)鍵層破斷前后超前支承應(yīng)力變化特征可以發(fā)現(xiàn),支承應(yīng)力峰值距煤壁距離減小主要發(fā)生在低位關(guān)鍵層破斷后,峰值大小降低主要發(fā)生在中位關(guān)鍵層破斷后。對(duì)比不同采高關(guān)鍵層破斷超前支承應(yīng)力分布特征可以發(fā)現(xiàn),隨采高增加覆巖活動(dòng)更劇烈,煤壁前方煤巖體發(fā)生大量剪切破壞,煤巖體承載力降低,隨采高增加支承應(yīng)力峰值大小反而減小,峰值點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離煤壁。
圖8 采高大于3 m不同采高支承應(yīng)力分布Fig.8 Distribution of advancing abutment stress with different mining heights(≥3 m)
取不同采高(大于3 m)低位、中位關(guān)鍵層破斷后工作面前方低位關(guān)鍵層位移曲線,如圖9所示。低位關(guān)鍵層發(fā)生破斷后,隨采高增加工作面前方低位關(guān)鍵層下沉量增大,采高3、3.5和4 m低位關(guān)鍵層煤壁處最大下沉量分別為53、72和100 mm,采空區(qū)已斷裂的塊體無(wú)法與煤壁前方未破斷的關(guān)鍵層之間形成鉸接結(jié)構(gòu),煤體需承載煤層上方至中位關(guān)鍵層下方全部巖層重量及附加載荷,煤壁前方煤巖體發(fā)生大量剪切破壞,煤巖體承載力降低,隨采高增加工作面前方低位關(guān)鍵層下沉量增大,煤巖體剪切破壞加劇,超前支承應(yīng)力峰值大小反而減小,峰值點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離煤壁。中位關(guān)鍵層破斷后,采高3、3.5和4 m分別在煤壁前方12、24.5和27.5 m范圍內(nèi)位移再次降低,在這一范圍內(nèi)隨采高增加低位關(guān)鍵層回彈位移量及其范圍均增加,隨采高增大超前支承應(yīng)力峰值大小降低并遠(yuǎn)離煤壁。
1)22517工作面頂板關(guān)鍵層破斷情況分為2類,采高小于2.5 m時(shí)僅低位關(guān)鍵層破斷且能夠形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu);采高大于3 m時(shí)中位、低位關(guān)鍵層均破斷,中位關(guān)鍵層破斷后形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu),低位關(guān)鍵層呈懸臂梁結(jié)構(gòu)。
2)支承應(yīng)力峰值大小與關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)及煤巖體承載力2方面因素有關(guān)。采高小于2.5 m時(shí)煤體僅承載其上方至低位關(guān)鍵層下方軟巖重力及附加應(yīng)力,煤巖體承載力較好,支承應(yīng)力峰值隨采高增加逐漸增大;采高大于3 m時(shí)煤體需承載其上方至中位關(guān)鍵層下方全部巖層重力及附加應(yīng)力,超前段煤巖體發(fā)生大量剪切破壞導(dǎo)致承載力降低,支承應(yīng)力峰值隨采高增加逐漸減小。
3)關(guān)鍵層完全破斷后煤壁前方低位關(guān)鍵層下沉位移量減小,超前支承應(yīng)力峰值大小及其距煤壁的距離隨關(guān)鍵層破斷均減小。