采场上覆整体移动带坚硬岩层破断规律研究

王启庆 李文平 李小琴 孙如华

(中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221008)

采场上覆整体移动带坚硬岩层破断规律研究

王启庆 李文平 李小琴 孙如华

(中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221008)

为了防治采场上覆坚硬岩层突然破断给矿井造成的离层水(瓦斯)突涌等严重次生灾害，对某煤矿工作面连续大面积开采上覆整体移动带内坚硬岩层的破断规律进行了研究。以该煤矿首采区覆岩空间赋存、岩体结构、力学性质及地应力等地质工程条件为基础，采用薄板理论计算、数值模拟等方法，对采区首采面及后续工作面开采上覆整体移动带坚硬火成岩岩床初次破断及周期破断距进行了理论计算和过程模拟分析。结果显示，首采面开采过程中坚硬火成岩初次破断约300 m，周期破断约130 m；后续工作面开采时受邻近采空区影响，火成岩初次破断约260 m，周期破断约120 m；结果与现场实测数据分析相一致。研究成果对坚硬覆岩下煤层开采离层水、离层瓦斯突出等地质灾害预测及防治具有重要意义。

坚硬岩层 薄板理论 数值分析 初次破断 周期破断

煤层上覆岩层间岩性存在差异。当厚硬岩层与下伏岩层工程地质特征存在巨大差异时，覆岩受采动影响后，岩层移动过程中会产生变形不协调、不同步的现象，从而产生规模较大的离层空间[1-5]。当被周围地下水、瓦斯充填时，会形成封闭的离层水体、离层瓦斯或离层水-瓦斯混合体[6-7]。随着工作面的回采，厚硬岩层形成悬空的板(梁)结构，悬空达到极限平衡程度时，厚硬覆岩会发生破断，使其产生动力冲击失衡，突然破断错动击拍离层积水(瓦斯)，瞬间产生超静水(气)压力，突破离层水体与冒裂带间隔水(气)层，形成爆发性水气突涌灾害[8-10]。主要特点表现为水气突涌无明显的预兆、突涌迅猛、最大水气突涌量衰减快等[11]。杨柳煤矿10414首采工作面于2011年7月17日至18日，工作面回采一定距离后，上覆移动带坚硬火成岩发生破断，导致离层内水-瓦斯混合体从钻孔喷涌出地面，形成水柱(带瓦斯)现象，地面累计抽采、喷出瓦斯166 383 m3，期间井下工作面涌水增加7 845.6 m3；虽未造成井下事故，但潜在威胁巨大。因此，研究厚硬覆岩受采动影响变形破断规律对防治煤层开采相关地质灾害具有重要意义。本研究以杨柳煤矿首采区的10414、10416工作面为例，分析研究工作面回采上覆坚硬岩层采动破断规律，可为本矿井及我国类似条件和深部开采煤矿水害和瓦斯防治提供依据。

1 地质工程条件

1.1 采区地质及构造

104采区为杨柳煤矿首采区，位于矿井东南部，西至工广煤柱，北到戴庙断层，南以小沈家断层为界。地表为新生界松散层覆盖，下伏地层自上而下分别为二叠系的上石盒子组、下石盒子组和山西组，石炭系太原组。其中太原组10煤为矿井主要可采煤层，煤层平均厚为3.3 m，倾角平均4°。104采区总体上为一背斜构造，地层倾角4°～12°；区内断层较为发育，已查出断层11条，均为正断层；落差大于30 m的断层有2条，5～30 m的断层为3条，小于5 m的断层为6条。10414、10416工作面为104采区首采面及邻近工作面，工作面标高-564.7～-598.3 m，上覆两层厚硬火成岩，上位火成岩平均厚25.9 m，局部缺失，下位火成岩连续分布，距10煤约109.8 m，平均厚约47 m，如图1所示。

图1 部分综合柱状图Fig.1 Part of comprehensive histogram

1.2 采区地应力测量

用声发射法测定地应力是据凯塞效应，对定向试件进行单轴压缩，同时接收其声发射信号，当作用力达到某一临界值时，声发射活动会突然增多，此临界应力值即为岩芯试件先前所受的应力。本次对采区内钻孔R414-1取定向岩样并进行测量。由于实测点较少，不能完全反应采区应力场分布特征，部分值引用邻近矿井地应力实测结果。各测点应力大小和水平最大主应力方向见表1。

表1 地应力实测结果Table 1 The results of in-situ stress measurement

注：邻矿为邻近海孜煤矿。

根据测量结果可以看出火成岩内有明显的应力集中现象，地质异常区应力变化比较明显。最大主应力方位角为94.66°～115.45°，近东西向。垂向应力为中间主应力，采区地应力场型为构造应力场类型。

1.3 采区岩石力学参数

覆岩采动破坏规律受岩土体的力学性质影响，离层的发育层位规模与岩层间力学性质的差异性密切相关，本次通过对采区内已施工的补充勘探钻孔R414-1、R414-2及R414-3取样、室内试验测得采区覆岩力学参数并取其平均值，测量结果见表2。

2 坚硬岩层破断薄板理论分析

根据弹性薄板理论[12-13]对104采区首采面10414工作面开采顶板坚硬岩层破断进行力学分析，计算坚硬岩层破断距。

2.1 力学模型建立

由于10414工作面为首采面，根据其边界和开采条件，可将采场上覆坚硬顶板初次破断前简化为四边固支矩形弹性薄板结构；之后破断简化为一边简支，三边固支薄板结构。如图2所示，其中a为上覆坚硬顶板沿走向方向悬露的长度，b为工作面倾向长度，板面作用有均布载荷q。由于采场地应力属构造应力场型，其最大主应力为水平构造应力，假设厚硬火成岩内水平构造应力为σT，平行于薄板中面，其方向如图2。

表2 覆岩力学参数Table 2 The mechanics parameters of overlying rock

图2 力学模型Fig.2 Schematic diagram of mechanical model

2.2 力学分析及计算

依据薄板理论，采用瑞利-里兹法，分析得均匀荷载作用下四边固支岩板所受的最大弯矩为

(1)

将弹性岩板正应力与弯矩的关系式

代入式(1)得最大正应力表达式

(2)

由于岩板不仅受横向均布载荷作用，还受纵向构造应力影响，考虑构造应力影响时，岩板所受最大正应力表达式为

(3)

式中，σxT|max为作用在垂直于x轴平面上的最大正应力，MPa；σyT|max为作用在垂直于y轴平面上的最大正应力，MPa；c=a/b，其中a为上覆坚硬顶板沿走向方向悬露的长度，m；b为工作面倾向长度，m；h为岩板厚度，m；μ为岩板泊松比；σT为水平构造应力，MPa；α为构造应力方向与工作面推进方向的夹角，(°)。

由于岩板受水平构造应力，岩板发生破断存在两种情况：顶部应力首先达到抗压强度极限值，岩板被压断；底部首先达到拉应力极限值，岩板被拉断。故岩板破断判据为

σx,y|x,y=+2/h≥σt或σx,y|x,y=-2/h≥σc,

(4)

式中，σt为厚硬顶板抗拉强度，MPa；σc表示厚硬顶板抗压强度，MPa。

根据式(4)判断厚硬火成岩发生破断的对应薄板几何尺寸，求出在构造应力下厚硬火成岩初次破断时的跨距l0T，相应工作面推进的距离可由下式近似计算：

L0T=l0T+2Hcotφ,

(5)

式中，L0T为火成岩破断时工作面推进距离，m；H为火成岩距煤层的距离，m；φ为岩层断裂角，(°)。

如图4所示，余甘果果肉添加量分别为0.5 g、1.0 g、1.5 g、2.0 g时，经过10 h的作用后，乙醛的含量呈逐渐降低的趋势，与对照组（只含有乙醛和乙醛脱氢酶）相比，乙醛含量均有不同程度的降低，说明在乙醛脱氢酶和余甘果果肉的共同作用下乙醛降解。余甘果果肉添加量为1.5 g时，乙醛含量为14.67%，其转化率为56.70%。当果肉量继续增加到2.0 g时，乙醛含量变化不大，说明添加余甘果1.5 g/5 mL 40%乙醛（即0.3 g/mL 40%乙醛）时是最恰当的。

采用上述同样方法可求解三边固支一边简支边界条件且受水平构造应力影响，岩板所受最大正应力

(6)

根据岩层控制关键层理论[14]，分析得下位火成岩为10煤开采的主关键层，上位火成岩为亚关键层之一，上、下位火成岩会发生同步破断，由于火成岩地应力实测位于上位火成岩，因此，本次用上位火成岩计算破断距。根据AE法地应力实测结果(见表1)，火成岩最大水平主应力为21.54 MPa，由此可确定构造应力σT为21.54 MPa；由于火成岩内水平最大主应力方向取104.54°，可得构造应力方向与工作面推进方向的夹角α约为35°；火成岩顶面的埋深为355.81 m，计算其顶面所受上覆岩层重力q约为8.21 MPa；该火成岩岩层厚度h为25.86 m，其底面距10煤顶板距离H为229.33 m，最大抗拉强度σt为8.23 MPa，泊松比μ为0.17；火成岩岩层的破断角φ参考类似矿井的取值(取为80°)。将上述参数代入式(3)、(4)中可解出火成岩岩板破断跨距l0T为187 m；利用式(5)确定火成岩破断时工作面推进距离L0T为268 m。利用式(6)、(4)、(5)计算火成岩板周期破断时工作面推进距离约为130 m。

3 坚硬岩层破断数值分析

3.1 模型建立

根据矿井地质资料，对杨柳煤矿104采区的10414、10416工作面在推进过程中其上覆火成岩的破断进行三维数值分析。两工作面的走向长度1 080 m，倾向长180 m；工作面之间有5 m的煤岩柱。为了消除边界约束的影响，考虑到模型计算容量所限，取结构模型尺寸为长×宽×高=1 580 m×665 m× 313 m。工作面范围内断层较发育，由于断层在三维模型建立过程中较复杂，本次模拟仅考虑对破断有较大影响、落差大于10 m的断层。依据工作面剖面及钻孔柱状，将模型分为19个工程地质岩组，各岩层力学参数见表2。模型上边界施加上部岩层和表土层的厚度相应的载荷。根据地应力测量结果在模型侧面施加了相应的水平应力，以符合实际。计算模型由39 933个单元和43 288个节点组成，如图3所示。

图3 地质体数值模型Fig.3 Geological numerical model

3.2 模拟方案设计

为反应岩层移动变形的动态演化过程，对工作面煤层采用分步开挖，根据10煤直接顶的垮落步距、基本顶初次和周期来压步距，并结合计算模型的尺寸，确定10煤每步工作面进尺25 m，并对工作面每开挖一步进行一次运算，达到平衡后，进入下一步开采。首先对模型中10414工作面开采，全部开采完后进行10416工作面开采。

3.3 模拟结果分析

模型计算完成后，分别取2个工作面倾向方向中间剖面计算结果分析，通过分析剖面中塑性破坏区判断火成岩破断。分析得出如下结果。

(1)10414工作面推进275 m时，10煤上覆火成岩底出现塑性破坏区，说明随着工作面推进岩梁悬露面积增大，岩层在自身重力作用下出现弯曲、开裂、离层，当工作面推进300 m处时，火成岩下部岩层塑性破坏区范围扩大的同时火成岩内出现明显的剪切拉张破坏(如图4(a))，认为火成岩已发生破断，即火成岩发生初次破断为275～300 m。

(3)10416工作面火成岩破断规律与10414工作面类似，但由于受邻近工作面开采影响工作面推进275 m时，上覆火成岩开始出现塑性破坏区(如图4(c))，认为火成岩第一次破断距离为275 m；此后工作面每推进125 m，火成岩发生一次破断，由此确定10416工作面火成岩初次破断为250～275 m，周期破断为100～125 m。

图4 数值分析结果Fig.4 The results of numerical analysis

4 沉降观测厚硬火成岩破断分析

4.1 沉降观测点的布设

本次沉降观测在10414、10416工作面地表布置观测点共计17个，具体位置见图5所示。

图5 地表沉降观测点布置Fig.5 The layout chart of ground settlement observation

4.2 沉降观测数据分析

观测时间为2012年7月11日到2013年3月5日，根据观测数据绘制时间与沉降关系曲线(如图6)，其中B20、B21、B22、B23、B24、1号孔和2号孔没有观测到11月22日和25日两天的沉降数值，而28日观测数据反映出：B20、B21和1号孔3个观测点沉降陡然增加，尤其是B21沉降值从168 mm激增到508 mm，地表沉降明显增加。

图6 各观测点地表沉降随时间变化曲线Fig.6 Curves of settlement vs time at the surface of each observation places■—B6；●—4号孔；△—3号孔；▼—3-1号孔；◀—2号孔； ▶—B24；◆—B23；❋—B22；◇—B20；×—B21；+—1号孔； □—补2；○—墙4；▲—墙3；▽—416-1号；◁—A36；▷—416-3

结合地表沉降观测点布置图分析：墙4观测点靠近10416工作面，走向上距离11月24日10416工作面推进位置约68 m；墙3观测点距离10416工作面推进位置182 m，其位置约在10416工作面中间，由图5可以看出11月22日之后墙4和墙3的沉降曲线增加明显，尤其是靠近10416工作面推进位置的墙4沉降变化曲率最大，11月22日补充的沉降观测点416-3的沉降变化增长非常快，这与其位置密切相关；而除了3号孔、4号孔及A36观测点离10416工作面距离比较远，煤柱附近沉降值变化极小外，其他观测点11月22—25日前后的沉降曲线的曲率均具有明显变化，沉降值明显增大。根据上述分析，10416工作面在推进到距离切面260 m附近(11月24日左右)，工作面上覆火成岩极有可能发生破断，从而导致地面沉降明显增大。因此，确定10416工作面开采火成岩初次破断约为260 m，其值与理论分析、数值计算结果一致。

5 结 论

(1)采用薄板理论对10414工作面开采坚硬岩层破断进行了力学分析，确定坚硬火成岩初次破断为286 m，周期破断约为130 m。

(2)利用数值分析法分析，确定10414工作面开采坚硬火成岩初次破断为275～300 m，周期破断为125～150 m；10416工作面初次破断为250～275 m，周期破断为100～125 m。

(3)根据对10416工作面开采地表沉降观测数据分析，确定其工作面发生初次破断约为260 m。

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(责任编辑 徐志宏)

Study on Hard Strata Rupture Law of Overlying Integrated Moving Belt at Stope

Wang Qiqing Li Wenping Li Xiaoqin Sun Ruhua

(SchoolofResourcesandEarthScience，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221008，China)

In order to control water (gas) outburst and other serious secondary disasters caused by the overlying hard strata sudden rupture at stope，the hard strata rupture law of overlying integrated moving belt in a coal mining face with continuous and large mining was studied.Based on study of the geological engineering conditions in a first coal mining face，such as overlying strata spatial occurrence，rock mass structure，mechanical properties and in-situ ground stress etc，the initial rupture and cycle rupture distances of the hard igneous bedrock at stope overlying integrated moving belt at first and subsequent working face were calculated and simulated by using thin plate theory and numerical simulation methods.The results showed that the initial rupture distance of hard igneous rock at first working face was about 300 m and the cycle rupture distance was about 130 m.Because the subsequent work mining was affected by the goaf of adjacent mining face，its initial rupture distance was about 260 m and cycle rupture distance was about 120 m.The results are in accordance with the field data analysis.Research results have important significance to predict and control water inrush and gas outburst in bed separation and other geological disasters resulted from coal mining under hard strata.

Hard roof，Thin plate theory，Numerical analysis，Initial rupture，Cycle rupture

2013-12-04

国家自然科学基金项目(编号：41172290，40572160)。

王启庆(1989—)，男，硕士研究生。通讯作者：李文平(1965—)，男，教授，博士研究生导师，博士。

TD327

A

1001-1250(2014)-03-015-06