采場覆巖厚硬關鍵層初次破斷的研究

李 漢 劉建偉

0 引言

由于堅硬頂板強度高、節理裂隙不發育等，容易聚集大量彈性能，會造成強烈震動，誘發沖擊礦壓[1]。而在堅硬頂板條件下，礦壓顯現較為強烈，初次來壓及周期來壓步距大，強度高，動載系數較大，一般為1.5～3.3[2]。因此研究堅硬頂板初次破斷特征對支架及圍巖控制具有重大意義。

目前，國內外學者對基本頂初次破斷做了大量研究[3-6]，認為基本頂初次破斷是對稱破斷。黃慶享[7]通過現場實測與理論分析認為基本初次破斷后會形成“非對稱三鉸拱”結構。本文將采用數值模擬與現場實測相結合的方式對比分析不同厚度的直接頂條件下基本頂初次來壓時的破斷方式。

1 工程背景

山西某礦8212工作面位于402盤區開采12號煤層，是第二個大采高綜采工作面，工作面走向長度1 700 m，傾向長度163.7 m，工作面埋深306.4 m。工作面長度200 m，煤層厚度2.1 m～7.97 m，平均5.0 m，直接頂為粉細砂巖和中細砂巖，厚度為1.7 m和3.05 m；老頂為粉細砂巖，厚度17.45 m；工作面直接底為中粗砂巖，厚度為2.8 m，工作面柱狀圖如圖1所示。

圖1某礦12#煤層柱狀圖

2 厚硬巖層的斷裂步距預測

基本頂在厚度不大的條件下，一般會以對稱的方式進行破斷垮落。但當基本頂厚度增厚時，原先對稱破斷方式會變成非對稱破斷，特殊情況下，例如基本頂關鍵層完整性好、強度大，受損傷的影響很小，此時基本頂才會呈現對稱破斷[6]。厚關鍵層初次來壓時的破斷強度極限與垮落極限是截然不同的兩個概念[8]，當厚關鍵層達到破斷強度極限時，其下部會產生損傷裂隙，但不會立即垮落，而是隨著裂隙發育而向上擴展，基本頂斷裂成塊達到垮落極限時，才會發生初次來壓。

基于此，假定基本頂初次破斷是非對稱破斷，靠近工作面一端的關鍵塊體長度要大于另一側，兩者之間的比值一般為1.3～1.5[9]。根據工作面長度以及上方基本頂厚度，采用薄板步距計算式（1），計算出破斷步距a，此時厚關鍵層遠離工作面一側的關鍵塊體長度近似可以看做0.5a，靠近工作面一側的關鍵塊體長度可以認為是其1.3～1.5倍，兩關鍵塊體長度之和即為厚硬巖層的初次破斷步距。

式中：a為初次破斷步距；lm為工作面推進無限長的極限跨距；h為厚硬巖層厚度；σs為抗拉強度；q為厚硬巖層載荷；μ為泊松比；b為工作面長度。

3 數值模擬的分析研究

3.1 RFPA2D數值模型的建立與參數選取

圖2走向模型

本文以某礦地質資料為模板，構建沿水平方向長120 m、沿垂直方向高60 m（煤層底板厚度10 m）的RF?PA2D模型見圖2，圖中僅給出了直接頂厚度為5 m的模型，直接頂厚度為2 m的模型與此類似,。模型共計9層，其巖層力學參數見表1，模型被劃分為0.5 m×0.5 m的正方形網格共240 m×120 m=28 800個。模擬煤層從左到右開挖，采用長壁式開采，頂板采用垮落法管理，開挖寬度為60 m，兩側各留30 m煤柱，每個開挖步距為5 m。模型的分層特性取值嚴格以鉆孔資料為依據，巖層與巖層之間設有強弱不等的層理。

表1煤巖物理力學參數

模型邊界條件：水平方向采用位移約束，位移約束值為零；垂直方向上，利用巖體上部的260 m厚巖層自重應力傳遞到模型上部作為模型垂直方向約束條件。設定模型上部巖層的平均自重為25 kN/m2，則模型上部的載荷為。

3.2 數值模擬結果分析

圖3直接頂厚度2m條件下基本頂隨工作面推進的垮落狀況

圖4直接頂厚度5m條件下基本頂隨工作面推進的垮落狀況

在大采高綜采條件下，不同的直接頂厚度對基本頂的初次破斷時形成的結構也不相同，圖3～圖4為不同直接頂厚度的數值計算結果。從圖3～圖4可以看出：當工作面推進到40 m時，由于損傷效應，基本頂在下部產生縱向裂紋；推進到50 m時，下部裂紋繼續向上擴展，基本頂上部兩側由于拉應力作用，發生拉伸破壞；推進到60 m時，在圖3（c）中由于直接頂厚度太小，垮落后的所形成的自由空間Δ很大，基本頂在回轉過程中很難觸矸，基本頂暫時處于懸臂狀態，此時由于基本頂關鍵塊之接沒有側向力之間的傳遞，在懸臂關鍵塊的回轉下沉作用下，支架所承受的載荷很大，若支架工作阻力不足，則容易導致支架上方的關鍵塊直接回轉切落，發生滑落失穩，導致壓架事故如圖3（d）所示。

在圖4（c）中由于直接頂厚度相對前者很大，形成的自由空間Δ很小，基本頂在回轉時容易觸矸，基本頂關鍵塊之間易相互咬合，形成穩定的砌體梁結構，在關鍵塊回轉過程中，由于側向力的作用，關鍵塊傳遞到支架的載荷相比圖3（c）來說很小，不容易發生壓架事故如圖 4（d）。

圖3～圖4可以看到，工作面初次來壓時，基本頂呈現出非對稱破斷，工作面一側要大于采空區一側，與理論分析一致。工作面一側回轉塊體長度、角度直接影響支架工作阻力。為了保證工作面在初次來壓時能夠正常生產，合理的支架選型非常重要。因此，研究基本頂初次破斷方式非常關鍵。

4 現場觀測分析

該礦8212工作面采煤采用一次采全高，共布置110架中間支架，采煤機滾筒截割深度0.8 m。早班停機檢修，二班和夜班開刀生產，一天刀數6～7刀，回采速度按一天推進5 m與數值模擬開挖速度一致，保證模擬的合理性。由于8212工作面頭尾高度差不超10米，傾角很小接近水平，選取60#、70#、80#、90#、100#五部支架設置尤洛卡數據記錄儀對工作面從開切眼到推進150 m時進行礦壓數據采集，后期對采集數據加以篩選并以循環末阻力進行分析。在生產現場，保證在移架之后及時升起支架初撐力且初撐力不得低于額定工作阻力80%。結果得出，工作面來壓主要發生在中部偏后支架，避免數據累贅，現以80#架為例，其工作阻力隨著工作面回采變化曲線如圖5。

圖5支架工作阻力隨推進距離變化曲線

從圖5可得，工作面一共發生4次來壓，基本頂初次來壓步距為6 3m，周期來壓22 m～30 m。4次來壓期間，80#支架初次來壓工作阻力最大為12 768 KN，3次周期來壓最大工作阻力分別為11 366 KN、11 056 KN、11 278 KN，動載系數分別為 1.65、1.45、1.47、1.43。在初次來壓時支架立柱有明顯降柱、安全閥開啟現象，工作面有比較強烈的礦壓沖擊。8212工作面b=200 m，h=17.45 m，基本頂的抗拉強度σs=3.32 MPa，泊松比 μ=0.25，厚硬巖層載荷q=(q2)1=856.3 kPa。由式（1）計算得到初次破斷步距為a=52.1 m，則厚硬巖層的斷裂步距為59.8 m～65 m。實測8212工作面基本頂初次垮落步距為63 m，說明該方法的預測是可靠的。

5 結論

1）數值模擬結果表明，直接頂厚度變化時，堅硬厚關鍵層初次破斷形式是非對稱破斷。直接頂厚度只是影響破斷后的關鍵塊體所構成的結構，當直接頂厚度較大時，關鍵塊體回轉不易失穩，容易形成較為穩定的砌體梁結構；若直接頂厚度較小時，破斷后的關鍵塊體會發生回轉失穩，支架上方的關鍵塊體處于懸臂狀態，若支架阻力不足時，甚至導致關鍵塊體沿煤壁切落，導致嚴重的后果。

2）基于關鍵塊體初次的非對稱破斷，依據現場條件，根據薄板理論公式可以預測厚硬基本頂初次破斷步距，現場實測與理論分析基本一致。

3）關鍵塊體的非對稱破斷可以更準確的對頂板初次來壓進行理論計算，更能有效可靠的保障初次來壓期間工作面的正常生產。