多采空区下坚硬厚层破断顶板群结构的失稳规律

刘长友,杨敬轩,于 斌,杨培举

(1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221116;2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州 221116;3.大同煤矿集团有限责任公司,山西大同 037003)

多采空区下坚硬厚层破断顶板群结构的失稳规律

刘长友1,2,杨敬轩1,2,于 斌1,3,杨培举1,2

(1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221116;2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州 221116;3.大同煤矿集团有限责任公司,山西大同 037003)

为弄清多采空区下坚硬顶板群结构的破断失稳对工作面矿压的影响,根据大同矿区多采空区坚硬厚层破断顶板群的赋存条件,采用理论分析、相似模拟实验和现场实测分析相结合的研究方法,对多采空区破断顶板群结构的失稳规律及其对工作面来压的影响进行了研究探讨。研究表明,多采空区下坚硬厚层破断顶板群结构的失稳具有一定的概率特征;采用威布尔多参数分布函数对破断顶板群结构的失稳形式具有很好的描述,并建立了近距离煤层群多采空区顶板群结构的失稳模型,确定了大同矿区坚硬顶板群结构的失稳参数,得到了侏罗系煤层群顶板结构的失稳率;通过对大同矿区永定庄煤矿15号煤层端头及中部位置矿压和支架阻力的实测分析表明,工作面上方破断顶板群结构的失稳率与工作面支架阻力大小具有相关性,验证了工作面坚硬厚层破断顶板的失稳规律。

多采空区;破断顶板群;结构失稳;矿压特征;威布尔分布

大同矿区侏罗系煤层埋藏深度较浅、煤层数量多、层间距小,煤层倾角3°～7°,可采煤层厚度0.8～9.0 m,在下部煤层开采时采空区顶板冒落易与上部采空区沟通。因此,对于大同矿区坚硬厚层顶板近距离煤层群开采,当上部近距离多煤层已开采完毕时,下部煤层在上覆多重煤柱压力作用以及上部煤层开采的多次采动影响下,下部煤层工作面开采时,覆岩应力较为复杂,顶板也较为破碎,这给下部煤层工作面的回采与支护带来了新的技术难题[1]。例如大同矿区侏罗纪下组煤主要可采煤层有11,12,14,15号煤层,煤层间距6～15 m,分岔与合并现象十分频繁,煤层顶板岩性较为坚硬且基本由粉砂岩、细砂岩、中粗粒砂岩互层组成。上部煤层开采后形成的多重坚硬厚层破断顶板群失稳垮落后经过一定时间的运动调整,块体间有可能再次形成结构而具有一定的承载能力。当下部煤层开采时,已经破断的坚硬顶板将再次失稳形成承载结构,并由下而上形成多层坚硬破断顶板群结构,而顶板群结构的破断失稳又会对下部煤层工作面的矿压显现产生影响。目前对于坚硬顶板破断机理与控制问题的研究[2－9]多侧重于单层顶板结构的破断与控制以及现场实测方面的分析,而对于多采空区条件下多层坚硬顶板破断与控制问题的探讨[10－13]则相对较少,尤其对于多采空区下多层坚硬厚层破断顶板群结构的失稳及其与工作面来压特征间关系的探讨则更为鲜见,因此,针对大同矿区侏罗系煤层群的赋存及开采条件,分析研究近距离煤层群多采空区条件下,下部煤层开采覆岩离散结构承载失稳特征及其与矿压显现的相关性影响规律,可为大同矿区多采空区下开采的围岩控制提供依据。

1 破断顶板群结构的失稳特征

坚硬厚层顶板条件下,随着工作面的推进,煤层顶板周期性有规则断裂失稳,基于顶板岩性坚硬以及厚度较大的原因,破断块体形状保持一定的几何相似性。在整层煤层开采完毕后,厚层顶板破断块体在上覆岩层静载作用下经过一定时间的运动调整,块体间有可能再次相互咬合,形成具有一定承载能力的砌体结构。随着下部工作面的推进,采空区空间范围的增大,顶板破断块体砌体结构易发生单层失稳或多层同步失稳。以三层采空区坚硬厚层顶板条件下采煤为例,顶板破断块体砌体结构自下而上依次为Ⅰ,Ⅱ与Ⅲ号,下部煤层开采过程中,多层坚硬厚层顶板砌体结构运动特征如图1所示。

图1 坚硬厚层顶板群结构Fig.1 Group structure of hard thick roof

坚硬厚层顶板破断块体形成的砌体结构具有一定的承载能力,多采空区条件下工作面的来压特征,主要取决于工作面上方坚硬厚层顶板群破断块体间的组合承载作用[14－16]。以三层采空区及三层坚硬厚层顶板条件下的煤层开采为例,破断块体组合承载结构形式如图2所示。

图2 厚层顶板群破断块体组合结构Fig.2 Fault block combination structure of hard thick roof

多采空区坚硬厚层顶板群结构的失稳垮断随下部煤层的开采具有一定的概率特征,即顶板结构在其下位顶板破断块体失稳后发生单层失稳或多层同步失稳的现象具有一定的随机性。随着距离下部工作面高度的不同,不同位置顶板的垮断失稳会给工作面矿压带来不同影响,此时工作面来压将对应一定的特征强度。因此下部工作面来压特征通常与其上部顶板结构距离煤层高度、顶板破断块体厚度以及顶板发生单层失稳还是多层同步失稳有关。

为弄清多采空区坚硬厚层顶板群结构下工作面来压特征与顶板破断块体结构失稳率间的关系[17],设每分层顶板破断块体结构失稳事件为Ai,则工作面开采影响范围内,第i层顶板破断块体结构的失稳率为

式中,i为顶板层位数,自下往上依次为1,2,……;j为顶板破断块体序号,自右向左依次为1,2,…,Ni,其中Ni为工作面开采影响范围内第i岩层破断块体总数;σij为第i层顶板第j块体承载量;Fij(σij)为第i层顶板第j块体失稳率。

由式(1)得到破断顶板群结构多组块体结构同时失稳的概率为

式中,n为坚硬顶板失稳总层数。

顶板赋存及岩性基本相同条件下,近水平煤层顶板承载基本一致,工作面推进过程中,顶板来压步距趋于常量,顶板破断块体间具有一定的几何相似性。若将每层顶板破断块体单元的失稳率视为不变,即满足关系

式中,σi为工作面开采影响范围内第i层顶板破断块体承载量;Fi(σi)为单层顶板破断块体失稳率,抽样计算中其样本值为同一顶板岩层失稳块体数与工作面采动影响范围内块体总数比值。

联立式(1)与式(3),计算得到工作面开采影响范围内第i层顶板块体结构的失稳率为

同理,计算得到工作面顶板群结构多组块体的同步失稳率为

随着工作面的推进与采空区空间范围的增加,靠近工作面的顶板岩层首先趋于垮断失稳,而上部顶板破断块体结构的失稳几率一般小于其下部顶板块体失稳率。上部顶板破断块体在其下部顶板结构失稳后出现失稳的概率由式(5)计算得到。

鉴于多采空区坚硬顶板下的工作面采场来压影响因素较多,条件较为复杂,而威布尔多参数函数分布又是适用范围较广的一种概率分布形式[18－19]。当参数取值不同时,威布尔函数可以蜕化为指数分布、瑞利分布和正态分布形式,且大量实践证明,凡是因为某一局部失效或故障所引起的系统失效问题均服从威布尔分布。因此,设工作面开采影响范围内第i层顶板破断块体的失稳密度f(σi)服从威布尔函数分布,即

式中,mi为第i岩层形状参数;ηi为第i岩层尺度参数;σi0为第i岩层位置参数。

由此得到工作面开采影响范围内第i层顶板单个块体的失稳率为

联立式(4)与式(9),得到工作面开采影响范围内第i层顶板破断块体结构的失稳率为

为确定第i层顶板破断块体结构失稳时的分布位置参数,对式(9)进行简化,两边取对数得

式中,xi为第i层顶板承载状态换算参数;yi为第i层顶板岩层失稳率换算参数。

式(11)简化为

定义第i分层顶板的换算参数xi与yi在第j块体位置处失稳的样本参数为(xij,yij),则换算样本数(xij,yij)的相关系数γi为

式中,sixixi,siyiyi与sixiyi分别为第i分层关于换算样本数的方差及协方差。

为了使坚硬厚层顶板破断块体在相应载荷作用下的失稳换算样本数具有良好的线性相关性,对相应载荷下的失稳换算样本(xij,yij)相关系数取极值得

根据极值条件式(14),可确定第i岩层的位置参数σi0。

埋深相差不大的近距离煤层群开采,在顶板岩性基本相同条件下,坚硬厚层顶板的破断形式基本相同,若将顶板破断块体失稳参数采用相同参数,即满足如下关系:式中,m,η,σ0分别为岩性相近的顶板岩层的平均形状参数、平均尺度参数与平均位置参数。

将式(9)代入式(6),联立式(15),计算得到近距离煤层顶板群多组破断块体结构的同步失稳率为

式中,σ为近距离煤层群顶板破断块体平均承载。

联立式(7)与式(16),计算得到近距离煤层群相似顶板条件下破断块体间的失稳率为

由式(10)与式(17)可以看出,近距离煤层群相似顶板结构的条件失稳率等于单层顶板破断块体的失稳率,即

由式(17)与式(18)可知,在赋存条件基本相同,岩性相近的近距离顶板群结构中,上部岩层破断块体在其下部顶板破断块体失稳后出现失稳现象的概率取决于工作面影响范围内本层破断块体数目。

近距离煤层群开采,多采空区顶板岩性相近条件下,同分层顶板破断块体失稳造成的工作面矿压显现特征基本相似。为探讨多采空区岩性相似顶板下的采场来压特征,定义顶板结构失稳的加权平均失稳率,其计算式为

2 顶板群结构失稳的实验研究

2.1 煤层赋存条件

大同矿区侏罗统大同组煤系煤田面积约772 km2,含煤地层总厚75～264 m,平均210 m,可采煤层15层。煤层结构相对较为致密,裂隙不发育,单向抗压强度较高,普氏系数f＞3,除2号煤层顶板为云岗组砾岩、砂砾岩组成外,其他岩层均为粉砂岩、细砂岩、中粗粒砂岩互层组成,节理裂隙不发育,连续性强,结构完整,抗压强度在55.20～65.63 MPa。

大同矿区上组煤层基本采完,主要开采下组11, 12,14,15号煤层,煤层层间距离6～15 m,分叉合并频繁,在开采过程中下部煤层顶板受上部煤层开采的影响很大。大同矿区11～15号煤层柱状图如图3所示。

2.2 厚层顶板群结构的相似模拟实验

为了分析侏罗系煤层群多采空区条件下,坚硬厚层顶板群结构的破断失稳规律及其时空影响关系,采用二维平面应力实验台进行模拟分析。实验台的尺寸为:长×宽×高=5 000 mm×300 mm×3 000 mm,实验模型实际铺设高度为2 000 mm。采用砂子、碳酸钙与石膏和砂子、石灰与石膏相似材料,模拟不同岩性和强度的顶板岩层。模型几何相似比例为1∶150;容重相似之比为1∶1.5。实验模型铺设与侏罗系煤层群开挖情况如图4所示。

由图4可知,15号煤层的开采是在上部11,12及14号煤层采空区下进行。实验观测发现顶板有效失稳块体数在1～3块间变化,而工作面开挖采动影响范围内的块体数一般为1～6块。可见,工作面推进过程中顶板失稳变化率一般在16.7%～100%。

实验中岩层应力与位移的观测由埋设于模型岩层内部的压力盒与位移计通过计算机自动采集。实验采集设备埋设与连线、数据采集以及15号煤层开挖前12,14,15号煤层顶板应力分析结果如图5所示。

图3 11～15号煤层柱状图Fig.3 Seam histogram of No.11－15 coal seam

图4 相似模型铺设与侏罗系煤层群开挖Fig.4 Similar model laying and Jurassic coal seam group excavation

图5 实验测点布置与多层顶板应力分析结果Fig.5 Experimental measuring points and multi-layered roof stress analysis results

由图5(c)可知,15号煤层开挖前,多采空区坚硬厚层破断顶板群结构全长范围内顶板应力分布较为复杂,但相同位置处多层破断顶板应力大小与分布却具有一定的相似性,近距离多分层顶板不同位置处的应力基本趋于一稳定值,且其范围一般在0～14 MPa,从实验开挖全程看,具有代表性的顶板应力为7.5 MPa。

对15号煤层开挖过程中的顶板承载破断特征进行样本取样,得到坚硬顶板失稳条件下的样本统计数据,见表1。

表1 15号煤层顶板失稳时的样本统计数据Table 1 No.15 coal seam roof instability sample data

为了使实测数据具有较好的相关性,威布尔分布函数位置参数需满足式(14)。根据实测数据(表1),联立式(13),得到大同矿区砂岩顶板群结构失稳的线性相关系数与位置参数σ0的关系曲线(图6)。

图6 失稳相关系数与位置参数关系Fig.6 The relationship between instability correlation coefficient and positional parameters

由图6可知,在位置参数σ0=0时,顶板群结构的失稳相关系数达到最大,此时大同矿区砂岩顶板群结构的失稳具有较好的线性关系,故位置参数σ0=0可视为顶板破断失稳的应力阈值,其物理意义:只有在顶板破断块体承载量大于0的条件下,坚硬厚层顶板群才将出现失稳趋势。

根据大同矿区近距离砂岩顶板群结构的承载与失稳特征,对实验中坚硬厚层顶板的受力及破断失稳率进行观测,计算分析得到线性回归方程系数分别为

其中,a与b为近距离相似顶板条件下线性回归方程系数;sxy与sxx为根据表1所得样本数据计算得到的换算样本参数的协方差及方差,计算方法参照式(13);与为实验数据折算平均值。实验数据的折算平均值为

考虑工作面正常推进过程中,影响工作面回采的有效破断块体数目Ni一般为1～3[15－16],故坚硬厚层顶板的单层破断失稳在威布尔分布条件下,根据表1中数据,联立式(20)与式(21),计算得到大同矿区近距离砂岩顶板群结构失稳的线性回归方程系数分别为

为检验实验所得数据是否服从威布尔函数分布,即实测数据双对数折算参数是否线性相关,对实验采集数据(表1)进行折算拟合(xi,yi),如图7所示。

由图7可知,大同矿区砂岩坚硬厚层顶板群结构相似模拟实验数据的折算结果(xi,yi)具有较好的线性特征,说明多采空区下顶板群结构的失稳形式基本服从威布尔分布。

根据式(22),计算得到大同矿区砂岩坚硬厚层顶板群结构失稳服从威布尔函数分布条件下的顶板岩层平均形状参数及平均尺度参数分别为

图7 实测换算数据线性相关性Fig.7 Linear correlation of measured data

至此,得到大同砂岩坚硬厚层顶板群结构的失稳率表达式为

根据式(24)分析得到顶板群结构的失稳率同顶板破断块体承载及下部煤层开采影响范围内顶板破断块体数间的关系,如图8所示。

图8 顶板群结构失稳曲线Fig.8 The roof group instability curves

由图8可知,相同破断块体数条件下,顶板群结构的失稳率随顶板承载量的增加而增大;顶板相同承载条件下,顶板群结构的失稳率随顶板破断块体数目的增加而增加。故大同矿区砂岩顶板群结构的稳定性与工作面来压最终取决于顶板相应承载条件下的块体失稳数。在顶板破断块体承载条件已知的情况下,判定坚硬厚层顶板群结构的失稳率,只要知道当层顶板在工作面开采影响范围内的块体失稳数,即可由图8直接找到对应应力条件下的顶板失稳率。

以大同矿区12,14与15号近距离煤层开采为例,当工作面坚硬厚层顶板层数n=3时,依次将顶板破断块体结构自上而下命名为Ⅲ,Ⅱ与Ⅰ号结构。根据上述理论分析与相似模拟实测结果,计算得到15号煤层工作面开采过程中顶板块体结构的失稳特征,如图9所示。

图9 15号煤层开采时顶板块体结构的失稳曲线Fig.9 The roof group instability curves in No.15 coal seam

由图9可知,15号煤层正常开采过程中,相同应力场条件下,靠近下部的坚硬厚层顶板破断块体结构的失稳率要比其上部顶板块体结构的失稳率高,即在相同顶板应力条件下,坚硬厚层顶板破断块体结构的失稳率满足关系:P(Ⅰ号)＞P(Ⅱ号)＞P(Ⅲ号)。还可以看出,破断顶板群块体结构间同步失稳率的大小随着同步失稳顶板群结构数目的增加而有所降低,且单层顶板破断块体结构的失稳率要高于其组合顶板条件下的同步失稳率。如大同矿区12,14与15号煤层坚硬厚层顶板条件下,Ⅰ,Ⅱ与Ⅲ号块体结构间同步失稳的几率有:P(Ⅰ或Ⅱ号)＞P(Ⅰ,Ⅱ号)＞P(Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ号)。

大同矿区侏罗系煤层顶板群破断失稳的相似模拟实验表明,近距离煤层破断顶板群承载相似条件下(表1),15号煤层坚硬厚层顶板Ⅰ号结构随工作面推进发生单层失稳的几率约64%;14号煤层顶板Ⅱ号结构单层失稳率约50%;12号煤层顶板Ⅲ号结构单层失稳率约28%;单层顶板加权平均失稳率约53%;Ⅰ与Ⅱ号顶板结构发生同步失稳的几率约30%;Ⅰ,Ⅱ与Ⅲ号顶板结构同步失稳率仅8.9%左右;多层顶板加权平均失稳率约17.3%。

3 工作面矿压现场实测分析

大同矿区永定庄煤矿15号煤层厚度为2.2～4.6 m,煤层倾角1°～2°,距14号层间距为13～15 m,工作面装备102架ZZS6 000/1.7/3.7型支撑掩护式液压支架。支架额定初撑力5 105 kN,额定工作阻力6 000 kN。工作面长150 m,沿工作面布置10个压力分机,采用KBJ60III型煤矿在线连续顶板动态监测系统进行工作面支架阻力采集。

鉴于近距离煤层多采空区坚硬顶板破断块体结构发生单层失稳或多分层同步失稳时采场矿压显现程度的不同,对工作面矿压数据分析时需对实测数据进行分区间处理。区间边界以支架初撑力、支架额定工作阻力为上下限,对于区间内数值接近而分布又较为集中的实测数据进一步划分为子区间。根据大同矿区永定庄煤矿15号煤层工作面矿压实测数据,对工作面端部和中部的两组支架阻力观测结果进行分析,得到多采空区坚硬厚层顶板条件下的工作面矿压显现特征,如图10所示。

图10 工作面实测支架阻力区间分布Fig.10 Support resistance interval distribution in working face

由图10可知,永定庄煤矿15号煤层工作面来压期间,顶板不同部位矿压显现特征:

(1)端头5号支架工作阻力位于3.9～5.7 MN区域的比率约占60%,最接近于15号煤层顶板发生单层失稳率64%,由此可见工作面端头矿压显现主要由上方煤层顶板的单层失稳形式引起,原因在于端头边界效应的影响导致多层上位顶板仍然受到边界实体煤部分的支撑,从而引起上位采空区顶板的失稳相对滞后;支架工作阻力位于5.7～6.0 MN区域的比率约占22%,接近于12号煤层顶板Ⅲ号结构单层失稳率28%,可认为上位Ⅲ号顶板结构受到扰动处于失稳状态对下位工作面采场带来一定影响,但此时多层顶板结构保持单层逐次失稳状态;工作面端头支架工作阻力位于6.0～6.6 MN区域的比率约占18%,最接近多层顶板的加权平均失稳率17.3%,由此可认为造成工作面端头来压较高的主要影响因素来自多层顶板的同步失稳。

(2)中部55号支架工作阻力位于3.9～5.1 MN区域的比率约占55%,最接近煤层上覆顶板的单层加权平均失稳几率53%,由此可见工作面中部矿压显现主要由煤层顶板群结构的单层失稳形式引起;支架工作阻力位于5.1～6.0 MN区域的比率占18%,最接近多层顶板加权平均失稳率17.3%,可认为造成工作面中部来压的主要影响因素为多层顶板的同步失稳;工作阻力位于6.0～6.6 MN区域的比率约占21%,接近12号煤层顶板单层失稳率28%,可认为上位Ⅲ号顶板结构受到扰动处于失稳状态,导致工作面采场压力变化。

由此可见,15号煤层顶板来压与上覆多采空区破断顶板群结构的失稳具有一定关联,上覆顶板破断块体的不同组合失稳形式导致工作面回采过程中采场来压的不同特征,而各种块体的组合失稳又具有一定的概率特征;实测支架工作阻力与推进距离的关系曲线表明了多采空区下工作面顶板来压的频繁性与复杂性,说明多采空区多分层坚硬顶板条件下的采场来压具有多样性特征。

4 结 论

(1)多采空区下坚硬厚层顶板群结构的失稳呈现出一定的概率特征,可采用威布尔多参数分布函数对顶板破断群结构失稳进行分析。通过相似模拟实验结果对分布函数参数的确定,得到了坚硬多分层顶板的破断失稳率,可较好地分析多采空区破断顶板群结构的稳定性及下部工作面采场矿压显现特征。

(2)近距离煤层顶板群结构的失稳率取决于工作面采动影响范围内的顶板破断块体数。通常,下部煤层开采影响范围内的单层顶板块体数目越多,顶板发生单层失稳的几率也越高,而多层顶板发生同步失稳的几率一般小于其单层失稳率。

(3)工作面来压期间支架工作阻力的频率分布与多层破断顶板的失稳率具有较好的一致性,表明了多采空区坚硬破断顶板群结构的失稳将造成工作面采场来压的多样性,而且单层顶板失稳或多层顶板同步失稳形式将影响工作面矿压显现强度。

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Destabilization regularity of hard thick roof group under the multi gob

LIU Chang-you1,2,YANG Jing-xuan1,2,YU Bin1,3,YANG Pei-ju1,2

(1.School of Mines,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China;2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China;3.Datong Coal Mine Group Company,Datong 037003,China)

In order to understand the coal face pressure effects from the hard roof group structure breaking and instability,the relation was proved between the hard roof group structure and strata behavior.It investigated the instability characteristics of roof group structure combining the research methods of the theoretical analysis,similar simulation experiment and field measured according to the conditions of hard thick roof group structure under multi gob in Datong coal mining area.It shows that:the roof group structure instability has some certain probability characteristic;multiple parameters Weibull function describes well on instability forms in breaking roof group structure,and establishes the similar roof structure instability rate under the condition of the close distance coal seam group,then gives the roof instability parameters,and analyzes on the goaf roof instability rate in Jurassic coal seam group.It is shown that the roof group structure instability rate have some influence on the face support resistance.Through the mine pressure and support resistance measurement results on the end and central position of the coal face,verify the hard thick roof instability regularity in the No.15 face of Yongding Village Coal Mine in Datong mining area.

multi gob;breaking roof group;structure instability;ground pressure behavior;Weibull distribution

TD821;TD322

A

0253－9993(2014)03－0395－09

刘长友,杨敬轩,于 斌,等.多采空区下坚硬厚层破断顶板群结构的失稳规律[J].煤炭学报,2014,39(3):395－403.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0091

Liu Changyou,Yang Jingxuan,Yu Bin,et al.Destabilization regularity of hard thick roof group under the multi gob[J].Journal of China Coal Society,2014,39(3):395－403.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0091

2013－01－21 责任编辑:张晓宁

国家自然科学基金资助项目(51174192);江苏省“333”培养基金资助项目(BRA2010024);江苏省研究生培养创新工程资助项目(CXLX12_0964)

刘长友(1965—),男,山东东营人,教授,博士生导师,博士。E－mail:cyliu@cumt.edu.cn