采場堅硬頂板破斷特征試驗及分析

屠記東

安徽理工大學礦業工程學院 安徽 淮南 232001

長久以來，煤炭一直作為我國的主要能源資源，且在短期內煤炭的消費占比也不會大幅度下降[1][2]。綜合機械化放頂煤開采讓采煤工作面的生產更加高效，但是同時這種開采方法也可能會造成工作面礦壓顯現劇烈，在厚煤層和頂板堅硬兩種影響同時存在的情況下，礦壓顯現現象也會更加突出[3]。

近年來，眾多學者采用了理論分析、相似模擬試驗和數值模擬等方法研究頂板破斷規律及控制措施，并取得了許多成果[4-6]。錢鳴高等[7]以開采覆巖移動實測曲線為基礎，建立巖塊鉸接力學模型，得到砌體梁結構的合理性，認為砌體梁結構穩定性取決于離層區上方鉸接巖塊，提出巖層內部位移曲線的方程；張宏偉等[8]基于關鍵層和材料力學相關理論研究了同忻煤礦8100 綜放工作面開采過程中覆巖破壞特征，揭示了主關鍵層和亞關鍵層對覆巖破壞的發育起著扼制和控制作用，并通過數值模擬等方法證明了其正確性；黃慶享等[9]通過物理相似模擬試驗，揭示了大采高采場直接頂變厚以及頂板結構鉸接點向上移動的機理，對“等效直接頂”進行了定義并建立了“雙關鍵層”理論，為頂板控制提供理論依據。

綜上所述，我國在頂板破斷方面取得了很大研究成果，但在堅硬頂板破斷規律方面研究較少，因此本文開展基于分布式光纖傳感技術下的厚煤層綜放開采相似模擬試驗，研究掌握了堅硬頂板破斷規律，對分布式光纖在相似模擬試驗應用中提供了參考。

1 工程背景

渦北礦8205工作面位于82采區下部，其由風巷、機巷、切眼等巷道所構成，標高范圍在－674.1 - －731.2m內，東側為回采完畢的8204工作面。8-1煤厚3.8-6.3m，平均4.8m。8-2煤厚2.6-4.8m，平均3.5m，兩層煤間含灰色塊狀泥巖夾矸，厚為0.8-6.0m，平均2.5m。8煤組老頂為粉~細砂巖，厚21.11-24.25m，平均22.9m。以此為例構建厚煤層模型相似模擬試驗模型，從而研究堅硬頂板破斷規律具有很大意義。

2 相似模擬試驗方案

2.1 相似配比方案

以渦北礦回采的8#煤層所在工作面為對象，建立模型，模型巖層力學參數如表1所示。

表1 相似模型主要巖層參數確定表

根據相似原理、實際條件及實驗室情況，確定幾何相似參數Cl=0.01；容重相似比Cr=0.6；應力相似比Cσ=0.006，根據大量試驗選擇合適的相似材料及正確的配比鋪設試驗模型。

2.2 試驗方案

按照相似參數制作相似模擬模型，設計模型尺寸長×寬×高=300cm×30cm×140cm，試驗模型的巖層按照工作面綜合鉆孔柱狀圖設計。模型開采前在相似模型的左右兩側各預留20m煤柱，試驗從右邊開始用工具切割模型煤層，首先對82煤進行切割，高度為3.5cm，等同于實際現場高度3.5m，第一次開挖不放頂，后續割82煤放前頂，包括81煤和夾矸泥巖，高度共7.5cm，等同于實際現場高度7.5m。對試驗模型兩小時開挖一次，每次向前掘進10cm，等同于實際現場掘進10m，一直持續掘進直至停采線。

本次模擬試驗運用了分布式光纖觀測，光纖觀測線被設置在81煤上方10m的老頂砂巖中，其水平放置平行于模型巖層，如圖1（a）所示。本次試驗共計布設位移測點435個，每個位移測點使用方形紙片，再由大頭針固定在模型表面的對應位置上，后續使用GetDate軟件取點并對比監測各測點移動量，監測基準取位移測點十字線中心。上覆巖體的應變規律監測采用光纖解調儀對光纖數據進行采集和處理，圖1（b）。根據上述方法監測開挖過程中模型內任意點的應變和位移。

圖1 光纖布置及監測儀器圖

3 相似模擬試驗結果分析

為了觀察煤層開采上覆巖層裂隙發育規律，在相似模擬試驗過程中通過相機拍攝的每次開挖前后的照片以對比分析，頂板首先產生離層裂隙，再先后出現頂板破斷、裂隙萎縮發育、采空區壓實等過程。

3.1 頂板破斷規律分析

8#煤層從開切眼處開始掘進，離層裂隙在工作面掘進至30m處時在直接頂出現；推進70m位置時，工作面直接頂失穩，直接頂發生第一次垮落且原有裂隙進一步擴展；推進到80m位置時，基本頂初次破斷，原有離層裂隙消失，代表這時工作面迎來初次來壓即初次來壓步距為80m，隨著基本頂初次破斷，未破斷的頂板出現彎曲下沉現象，隨著頂板破斷也會在工作面上產生新的裂隙，基本頂在采場掘進至110m時發生第二次破斷，代表這時工作面迎來第一次周期來壓現象，頂板出現明顯下沉現象，后續再隨著工作面不斷向前掘進，頂板破斷垮落的范圍逐漸變大，周期來壓步距平均為25m推進260m位置時到達終采線，開挖完畢靜置兩小時后，停止開挖，模擬結束，此時觀察發現覆巖整體下沉明顯，覆巖呈現出規律的倒臺階垮落形態。

圖2 煤層開采過程模型圖

由圖可見堅硬頂板工作面來壓較晚，隨著工作面推進，頂板難以垮落出現懸空狀態，隨著繼續掘進頂板的懸空部分越來越長。采場掘進至70m時，直接頂出現垮落，但是堅硬頂板依舊保持懸空狀態，工作面繼續掘進到極限破斷距80m時，堅硬頂板發生破斷，垮落巖體整塊掉落在工作面且仍有較高的完整性，裂隙在堅硬頂板破斷垮落時有明顯發育，之后隨著工作面掘進進入周期來壓，堅硬頂板依次垮落，由之前垮落巖體支撐，且采空區空間逐漸變小。

隨著工作面開采距離增大，裂隙的形態也更明顯。由垂直方向觀察裂隙場可以看出其延伸趨勢明顯為從下往上，隨著工作面推進到一定距離，離層裂隙會發生跳躍，這意味著此時采場迎來了較大的礦壓顯現現象；由水平方向觀察可得裂隙隨著工作面掘進從左向右延伸，裂隙場左邊起始于切眼處向右煤壁處延伸，分析可見，堅硬頂板裂隙演化與其他裂隙場演化有相同之處和特殊之處。相同的地方是采場的裂隙都與采場向前開采距離正相關，向前開采距離越大，裂隙演化也會更加鮮明；特殊之處在于厚煤層堅硬頂板的裂隙演化與頂板破斷有密切聯系，在堅硬頂板未垮落時，裂隙發展較緩慢，但是堅硬頂板一旦垮落，會產生強烈沖擊力，覆巖失穩的范圍也會變大，也對于裂隙的產生與發育有促進作用。

3.2 分布式光纖監測分析

模型鋪設時采用分布式光纖監測，并由光纖解調儀實測了掘進過程中巖層的應變變化情況。分布式光纖監測的關鍵在于將傳感光纖埋入試驗模型巖層內部，基于布里淵光時域反射技術，使用光纖作為監測元件和信號傳輸介質，在巖層與光纖同步變形的環境下進行應力應變測試，從而監測出模型巖層對應位置光纖的應變改變。相似模擬試驗過程中由光纖解調儀測出的光纖數據如圖3所示。

如圖所示，光纖應變曲線在掘進至70m時發生明顯變化，光纖兩處應變突增，曲線出現兩處峰值，左側峰值略有起伏無較大變化。隨著工作面向前掘進，頂板不斷垮落，覆巖出現水平離層裂隙，此時光纖承受點載荷作用，水平張拉裂隙位置的光纖承受的拉應力發生激增，所以應變曲線右側出現峰值且隨著掘進距離增大逐漸向右移動。相似模型左側的的頂板破斷時為整塊掉落，而右側巖層首先經歷彎曲變形的情況，達到周期來壓步距時覆巖堅硬頂板再發生坍塌，所以后續光纖應變曲線峰值大小呈周期變化且在覆巖破斷前曲線峰值到達最大。

圖3 模型煤層開采過程光纖應變曲線

4 結論

根據相似模擬試驗的方法模擬渦北礦8205工作面的開采過程中頂板破斷規律、裂隙場演化規律，得到以下主要結論：

(1)堅硬頂板工作面來壓較晚，隨著工作面推進，頂板難以垮落出現懸空狀態，先發生直接頂破斷，到達極限破斷距時堅硬基本頂發生了破斷垮落，堅硬頂板發生破斷時，垮落巖體整塊掉落在工作面且仍有較高的完整性。由之前垮落巖體支撐，隨距頂板距離的增加，下沉量逐步減小。

(2)在堅硬頂板未垮落時，裂隙發展較緩慢，但是堅硬頂板一旦垮落，會產生強烈沖擊力，覆巖失穩的范圍也會變大，也對于裂隙的產生與發育有促進作用。

(3)隨著工作面向前掘進，頂板不斷垮落，覆巖出現水平離層裂隙，此時光纖承受點載荷作用，水平張拉裂隙位置的光纖承受的拉應力發生激增，所以應變曲線出現峰值。相似模型左側的的頂板破斷時為整塊掉落，而右側巖層首先經歷彎曲變形再發生坍塌，所以后續光纖應變曲線峰值大小呈周期變化且在覆巖破斷前曲線峰值到達最大。