溝壑地貌下綜放開采覆巖破斷特征研究

申斌學(xué)，朱 磊，朱德福，陳 娜

(1.中煤西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；2.中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；3.太原理工大學(xué)，山西 太原 030600；4.陜西地礦物化探隊，陜西 西安 710043)

煤炭作為我國主體能源的結(jié)構(gòu)在短期內(nèi)難以改變，隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入實施，我國煤炭資源的開發(fā)重心逐漸向西部轉(zhuǎn)移，主要集中于黃土高原及內(nèi)蒙古高原南部[1]。但黃土高原地形復(fù)雜，地表起伏大且溝壑地貌發(fā)育，坡體產(chǎn)狀變化大[2]。開采實踐表明，工作面在開采過程中易受到地表溝谷地形的影響，導(dǎo)致采場來壓時間短、礦壓顯現(xiàn)劇烈，且壓力大于常規(guī)開采工作面壓力，工作面常會發(fā)生支架活柱急劇下縮甚至壓架等動載礦壓災(zāi)害事故，嚴(yán)重威脅煤礦的安全生產(chǎn)[3]。同時綜放開采技術(shù)作為厚煤層開采的主要方法，其工作面開采空間大，頂板運移的動力過程強烈，使得礦壓顯現(xiàn)劇烈，易出現(xiàn)工作面支架動載沖擊現(xiàn)象[4]。研究溝壑地貌下厚煤層綜放開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和覆巖破斷特征對于此地貌下的工作面安全高效開采具有重要的意義。

綜放開采的顯著特點是一次采出煤層厚度較大，導(dǎo)致上覆巖層運動規(guī)律異于常規(guī)開采的工作面[5]，但綜放開采工作面依舊存在周期性的礦壓顯現(xiàn)，且其礦壓顯現(xiàn)程度不一定大于單一開采的工作面[6]。張海峰等[7]采用地震探測和鉆孔窺視等技術(shù)研究了淺埋厚煤層綜放工作面覆巖破壞情況，為確定三帶分布特征提供了新技術(shù)。韓軍等[8]研究了厚煤層綜放開采條件下覆巖破壞特征和破壞高度，確定了綜放開采覆巖破壞高度與采出厚度呈正相關(guān)關(guān)系，并對其進行了量化。張玉軍等[9]研究了高強度綜放開采覆巖破壞高度，確定了采動裂隙發(fā)育特征和裂隙富集區(qū)的位置，同時得到了裂隙數(shù)量和埋深、裂隙寬度和裂隙數(shù)量的近似關(guān)系。于斌等[10]針對堅硬頂板綜放開采的強礦壓顯現(xiàn)問題，建立了開采大空間巖層結(jié)構(gòu)演化模型和下位組合懸梁與上位多層砌體梁”的結(jié)構(gòu)特征，確定了覆巖遠、近場關(guān)鍵層都可能影響工作面礦壓顯現(xiàn)，以及遠近場關(guān)鍵層破斷后所形成的結(jié)構(gòu)。

針對溝壑地貌下工作面礦壓顯現(xiàn)異常的現(xiàn)象，研究人員從不同角度進行了研究。張志強[11]研究了溝谷地形下的工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，確定了溝谷位置處主關(guān)鍵層的缺失造成其破斷后的塊體水平作用力較小，難以形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)而造成強烈的礦壓顯現(xiàn)，同時分析了溝谷位置的溝深和溝谷坡腳對工作面動載礦壓顯現(xiàn)的影響規(guī)律。王旭峰[12]分別從基巖型采動坡體和沙土質(zhì)型采動坡體的角度出發(fā)，研究了工作面背溝推進時沖溝發(fā)育區(qū)淺埋煤層采動坡體活動機理，并針對性的提出了應(yīng)對措施。趙杰等[13]研究了溝谷區(qū)域淺埋特厚煤層開采的礦壓顯現(xiàn)和覆巖破斷失穩(wěn)特征以及應(yīng)力場分布規(guī)律，確定了工作面支架工作阻力的表達式，并解釋了工作面動載礦壓的形成機理。

上述學(xué)者的研究成果極大豐富了溝壑地貌對工作面礦壓顯現(xiàn)影響機理的理論，但多數(shù)研究主要集中于淺埋煤層綜采工作面，而對綜放工作面過溝壑地貌的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律鮮有研究，且不同的地質(zhì)條件具有不同的礦壓顯現(xiàn)特征?；诖耍撐囊酝跫?guī)X煤礦12309工作面過地表溝壑地貌的條件為工程背景，采用相似模擬和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，探討溝壑地貌對綜放工作面覆巖運移和礦壓顯現(xiàn)的影響規(guī)律，揭示溝壑地貌對綜放開采礦壓顯現(xiàn)的影響機理。

1 工程概況

王家?guī)X煤礦12309工作面由工作面運輸巷、回風(fēng)巷、切眼以及相關(guān)繞道和硐室等組成。工作面東側(cè)為12311工作面采空區(qū)，西側(cè)為設(shè)計的12307工作面，工作面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 工作面位置關(guān)系

12309工作面開采2#煤層，煤層厚度3.09～8.50m、平均6.20m；煤層埋深297～407m、平均360m。工作面推進長度1320m，傾向長度260m。采用綜放開采，采高3.1m，放煤高度3m，按一刀一放的正規(guī)循環(huán)作業(yè)，循環(huán)進度和放煤步距均為0.80m，自然垮落法管理采空區(qū)頂板。煤層直接頂為1.73m的粉砂巖，基本頂為9.9m的中粒砂巖，直接底為0.27m的泥巖，基本底為9.16m的粉砂巖。工作面對應(yīng)地表的地貌為黃土塬、黃土梁和溝壑地段，且為厚黃土層覆蓋，黃土層厚度介于16～148m，同時地表無基巖出露。

12309工作面地表溝壑發(fā)育，溝谷深度和邊坡角度較大。結(jié)合相關(guān)研究可知：工作面在經(jīng)過地表溝谷階段時礦壓顯現(xiàn)異常、來壓強度較大，對工作面作業(yè)人員和設(shè)備產(chǎn)生較大的威脅，同時12309工作面采用綜放開采，煤層開采后采空區(qū)空間較大，故有必要研究綜放開采工作面過溝壑地貌的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和特征。

2 綜放開采覆巖破斷特征研究

相似模擬研究是一種重要的科學(xué)研究方法，是以相似理論為基礎(chǔ)，借助事物或者現(xiàn)象之間存在的相似特征來研究自然規(guī)律的物理模擬方法。該方法具有試驗條件易控、周期短、效率高、試驗過程可重復(fù)及結(jié)果直觀形象等優(yōu)點，在采礦領(lǐng)域受到廣泛應(yīng)用，尤其是對工作面開采后的覆巖運移規(guī)律和破壞特征等方面的研究。

2.1 模型建立

試驗采用平面應(yīng)變相似模擬實驗平臺，設(shè)備尺寸為5.0m(長)×3.0m(高)×0.2m(厚)，其四周和底板采用20#槽鋼和6mm厚的亞克力板進行約束。結(jié)合礦井具體地質(zhì)條件和試驗臺尺寸，確定容重相似常數(shù)為1.5、幾何相似常數(shù)為150、應(yīng)力相似常數(shù)為225、時間相似常數(shù)為12.24以及速度相似常數(shù)為1836。同時根據(jù)相似材料選擇及其配比的相關(guān)原理，相似模擬試驗中以水、石灰、沙子和石膏為相似材料，各巖層以單軸抗拉強度為主要參考指標(biāo)，按照強度相似比進行各材料的配比，各巖層相似材料配比方案見表1。

相似模型布置方案如圖2所示。為減小邊界效應(yīng)對工作面開采的影響，模型左右兩側(cè)留設(shè)20cm的煤柱[14]。相似模型中開采高度為4cm(相當(dāng)于實際煤層厚度6.0m)，模型從右向左依次開挖，開挖步距2.3cm(相當(dāng)于實際工作面3.45m/d)，共計開挖140次。模型開挖過程中采用高速攝像機記錄工作面覆巖運移和破斷形態(tài)。

圖2 相似模型布置方案

2.2 覆巖結(jié)構(gòu)演化規(guī)律

考慮到相似模型設(shè)備的結(jié)構(gòu)，模型分兩階段開挖，第一階段開挖模型右側(cè)部分，其中模型開挖后的覆巖結(jié)構(gòu)變化如圖3所示。

由圖3可知：工作面推進初期，直接頂巖層出現(xiàn)少量橫向裂隙，覆巖整體較穩(wěn)定，如圖3(a)所示。隨著推進距離增大，垮落的下位直接頂難以充滿采空區(qū)，使的裂隙向上層位發(fā)育以及上位直接頂開始垮落，同時直接頂形成組合懸臂梁結(jié)構(gòu)，如圖3(b)所示。推進至120m時，基本頂垮落巖塊相互鉸接形成砌體梁結(jié)構(gòu)，如圖3(c)所示，其上方較軟弱巖層隨基本頂同步變形破壞，之后隨著推進距離進一步增大，當(dāng)主關(guān)鍵層彎曲下沉并產(chǎn)生縱向裂隙時，直接頂呈懸臂梁式垮落，此時基本頂形成的砌體梁結(jié)構(gòu)依舊保持穩(wěn)定。當(dāng)推進至345m時，基巖頂部與黃土層發(fā)生離層，如圖3(d)所示，此時主關(guān)鍵層發(fā)生破斷，失去了對上覆巖層的控制作用，地表黃土層不均布載荷與采動應(yīng)力相互疊加。工作面開采結(jié)束并靜置一段時間后，覆巖與黃土層間的裂隙閉合，黃土層呈拱形破壞，且破壞高度發(fā)育至地表，如圖3(e)所示，同時在黃土層上坡段出線地表裂縫，如圖3(f)所示。

圖3 覆巖結(jié)構(gòu)變化特征(第一階段)

第一階段工作面回采結(jié)束后進行第二階段工作面開采，且工作面左右兩端分別留設(shè)30m煤柱，以消除邊界效應(yīng)對模擬結(jié)果的影響。其中第二階段開挖后的覆巖結(jié)構(gòu)變化如圖4所示。

由圖4可知：工作面推進初期，直接頂巖層出現(xiàn)少量橫向裂隙，覆巖整體較穩(wěn)定；隨著推進距離增大，下位直接頂垮落并使得裂隙向上層位發(fā)育，使的上位直接頂出現(xiàn)彎曲下沉并破斷。當(dāng)工作面推進至一定距離時，基本頂出現(xiàn)超前裂隙并整體向采空區(qū)后方回轉(zhuǎn)。之后基本頂發(fā)生周期性破斷，且破斷塊體形成鉸接結(jié)構(gòu)，同時覆巖彎曲下沉加劇，裂隙增多。隨著推進距離進一步增大，主關(guān)鍵層彎曲下沉加劇，基巖與黃土層之間出現(xiàn)離層裂隙，此時上位直接頂形成的鉸接結(jié)構(gòu)遭到破壞。第二階段工作面采完靜置一段時間后，基巖與黃土層間的裂隙逐漸閉合，黃土層整體呈拱形破壞，且拱內(nèi)縱向裂隙發(fā)育，高度發(fā)育至地表。

圖4 覆巖結(jié)構(gòu)變化特征(第二階段)

綜合工作面兩階段開挖過程中的覆巖結(jié)構(gòu)變化規(guī)律可知：覆巖垮落形態(tài)整體近似梯形，且基本頂初次破斷步距為35m，周期來壓步距介于23～34m之間。工作面采完之后，直接頂全部垮落充填在采空區(qū)內(nèi)，基本頂周期性破斷形成的塊體在采空區(qū)內(nèi)形成砌體梁結(jié)構(gòu)；且主關(guān)鍵層控制著基巖與黃土層之間的離層與否，同時工作面兩側(cè)形成沿破斷角發(fā)育的裂隙，并貫通黃土層，進而形成地表裂縫。

3 綜放開采覆巖塑性區(qū)演化特征研究

項目采用數(shù)值計算方法，研究工作面推進過程中的覆巖塑性區(qū)演化規(guī)律，進而驗證相似模擬結(jié)果的正確與否。

3.1 模型建立

結(jié)合王家?guī)X煤礦12309工作面具體地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，選取相似模擬研究的區(qū)段進行分析(工作面回采350～1100m之間)，建立直至地表的三維數(shù)值計算模型，如圖5所示。

圖5 數(shù)值計算模型

模型長度1450m、寬度320m和高度280～430m，模型共劃分為1416357個單元格和966355個節(jié)點，采用摩爾庫倫本構(gòu)模型作為煤巖體的破壞準(zhǔn)則。模型底部固定垂直方向位移，四周限制水平方向位移。

3.2 覆巖塑性區(qū)演化規(guī)律

數(shù)值計算模型初始平衡后，在模型左右兩側(cè)留設(shè)30m保護煤柱，以消除邊界效應(yīng)對模擬結(jié)果的影響，其中不同開挖距離的覆巖塑性區(qū)分布如圖6所示。

圖6 覆巖塑性區(qū)分布圖

由圖6可知：工作面推進初期，頂板塑性區(qū)擴展深度較小，約為3.2m，煤壁破壞深度約2.5m左右；隨著工作面推進距離增大，頂?shù)装逅苄詤^(qū)擴展深度逐漸加大。當(dāng)推進至10m時，直接頂巖層范圍內(nèi)全部出現(xiàn)拉破壞，可近似認(rèn)為直接頂初次垮落，且煤壁前方4m范圍內(nèi)出現(xiàn)塑性破壞；工作面推進至30m時，煤層上方10m厚的基本頂出現(xiàn)大范圍的拉破壞，且拉破壞兩端出現(xiàn)剪切破壞，說明此時基本頂初次垮落。之后隨著工作面繼續(xù)推進，覆巖由下向上依次發(fā)生移動，當(dāng)推進至120m時，主關(guān)鍵層下部軟弱巖層發(fā)生超前工作面的破壞現(xiàn)象，此時可認(rèn)為主關(guān)鍵層出現(xiàn)彎曲下沉；當(dāng)推進至200m時，主關(guān)鍵層未完全破壞，但其隨動巖層發(fā)生超前工作面的破壞，且黃土溝壑地表上坡段出現(xiàn)剪切破壞，說明基巖最上方的亞關(guān)鍵層(粉砂巖)發(fā)生彎曲下沉，此時由于地表起伏較大不穩(wěn)定，在受到采動影響時出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。推進至400m時，采空區(qū)基巖基本發(fā)生破壞，且地表黃土層出現(xiàn)超前剪切破壞，加之采空區(qū)最大位移集中在上坡段中部，說明此時地表黃土層的不均布載荷和采動應(yīng)力相互影響，即溝壑地貌下的綜放開采覆巖運移規(guī)律不同于一般的綜放開采。推進至600m時，地表溝壑上坡段出現(xiàn)拉破壞，且頂板最大位移集中在上坡段中部，即此時黃土層出現(xiàn)向采空區(qū)后方回轉(zhuǎn)下沉的趨勢，其受采動影響嚴(yán)重。推進750m時，上坡段和黃土層底部出現(xiàn)塑性區(qū)，說明工作面覆巖破壞情況加劇，地表黃土層不穩(wěn)定，易于和采動應(yīng)力相互影響，進而造成工作面較大的礦壓顯現(xiàn)。

綜上所述，黃土溝壑地貌對工作面覆巖塑性區(qū)發(fā)育影響明顯。在開采初期，由于主關(guān)鍵層較穩(wěn)定，使的黃土溝壑地貌下的綜放開采與普通綜放開采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律大致相同。當(dāng)主關(guān)鍵層發(fā)生破斷后，由于黃土溝壑地貌條件下的不均布載荷與采動應(yīng)力相互疊加，使的頂板下沉量最大值偏向黃土溝壑上坡段下方，導(dǎo)致覆巖和黃土層上坡段區(qū)域整體出現(xiàn)向采空區(qū)后方回轉(zhuǎn)下沉的趨勢，進而造成強烈的礦壓顯現(xiàn)，數(shù)值模擬結(jié)果與相似模擬結(jié)果相互吻合。

4 結(jié) 論

1)針對溝壑地貌下綜放開采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律易于常規(guī)開采工作面的現(xiàn)象，綜合采用相似模擬和數(shù)值模擬的研究方法，揭示了主關(guān)鍵層破斷后，地表不均布載荷與采動應(yīng)力相互疊加，導(dǎo)致工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈。

2)相似模擬研究了溝壑地貌下綜放開采覆巖結(jié)構(gòu)演化規(guī)律，量化了基本頂初次破斷步距為35m，周期來壓步距介于23～34m；確定了覆巖垮落形態(tài)整體近似梯形以及主關(guān)鍵層的破斷將引起基巖與黃土層之間的離層，使的裂隙貫通黃土層，進而形成地表裂縫。

3)數(shù)值模擬研究了工作面覆巖塑性區(qū)演化規(guī)律，確定了主關(guān)鍵層破斷與否決定了溝壑地貌下的綜放開采和普通綜放開采的礦壓顯現(xiàn)區(qū)別。主關(guān)鍵層破斷后，黃土溝壑地貌的不均布載荷和采動應(yīng)力相互耦合，導(dǎo)致頂板位移最大值偏向溝壑上坡段，引起覆巖和上坡段區(qū)域出現(xiàn)向采空區(qū)回轉(zhuǎn)的趨勢，造成強礦壓顯現(xiàn)。

4)通過揭示溝壑地貌對綜放開采礦壓顯現(xiàn)的影響機理，研究溝壑地貌與綜放開采的互饋規(guī)律是實現(xiàn)資源協(xié)同開發(fā)的主要手段，文中研究結(jié)論可為相似條件下的工作面推進規(guī)劃提供借鑒。