高位硬厚岩层下采场覆岩运动规律及采动应力演化规律

武泉林

(济宁学院，山东省曲阜市，273100)

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高位硬厚岩层下采场覆岩运动规律及采动应力演化规律

武泉林

(济宁学院，山东省曲阜市，273100)

针对工作面上覆巨厚坚硬岩浆岩条件，运用相似模拟试验和数值模拟方法，分别研究了硬厚岩层下采场覆岩运动和采动应力演化规律。研究结果表明，工作面上覆岩浆岩时，覆岩破断的关键阶段分别为直接顶破断、基本顶初次破断、基本顶周期破断、岩浆岩初次破断和岩浆岩周期破断(裂隙沟通地表)；硬厚岩浆岩破断前，随着工作面的不断推进，煤体支承压力不断增加；硬厚岩浆岩破断后，采场支承压力要小于破断前。

硬厚岩浆岩 相似模拟 覆岩运动规律 数值模拟 采动应力

随着煤矿开采深度、开采强度的增加，矿震、冲击地压、煤与瓦斯突出等动力现象日渐严重。相关资料表明，在工作面上覆高位单层或多层硬厚关键层条件下更易引发采场矿压事故。因此，正确掌握并运用上覆高位硬厚岩层顶板运动规律及采动应力演化规律，对工作面安全生产有重要的意义。本文采用相似模拟试验和数值模拟方法，研究了硬厚岩层下采场覆岩的运动规律和采动应力演化规律，为以后相似条件下工作面安全开采提供了可靠的依据。

1 相似模拟试验

1.1 试验设置

相似模型设计是以淮北杨柳煤矿地层岩石力学参数为依据，在相似模拟试验台上设计2个试验模型，分别模拟上覆单层、双层岩浆岩条件下，采场覆岩运动情况。岩浆岩厚度为60 m，与开采煤层的间距为80 m，设计煤层开采厚度为8 m。

1.2 参数选择

按照相似理论和以往经验确定相似模拟试验比，其中几何相似比为1:200，容重相似比为1:1.5，弹性模量相似比为1:300，时间相似比为1:14。在本次试验中，相似模拟材料以细沙作为骨料，石膏和碳酸钙为胶结材料。为了方便试验操作，在不改变原有物理性质条件下，对不起主要作用的岩层进行了合并。为了区分各个岩层，用云母粉作为分层材料。对应原型岩层的单轴抗压强度，根据相似理论和相似条件，经过计算得到各个岩层的单向抗压强度，选取相对应的材料配比，各岩层参数及配比见表1。

表1 模型岩层参数及配比

1.3 试验结果及分析

相似模拟试验中直接顶垮落形态如图1所示。由图1可以看出，工作面自开切眼开始，随着工作面的开采，工作面直接顶在煤壁后方发生初次冒落。随着工作面的推进，直接顶随采随冒。

图1 直接顶垮落形态

基本顶初次断裂形态如图2所示。由图2可以看出，随着工作面推进，基本顶发生初次破断，并形成前后铰接的传递岩梁结构，基本顶断裂的同时，上部泥岩也随之断裂。垮落岩块大多排列规则，垮落岩块的长度近20 m，岩块内部裂隙发育较丰富，离层逐渐发育至基本顶上部粉砂质泥岩，发育高度为40 m。

图2 基本顶初次断裂形态

基本顶第二次周期断裂形态如图3所示。由图3可以看出，随着工作面推进，基本顶发生第一次周期来压，离层继续向上发育。随着工作面的继续推进，工作面出现第二次周期来压，已垮落岩层与上方悬露岩层间离层达到4.8 m，离层跨度为60 m。随着采空区的范围不断增加，煤壁后方和开切眼前方出现大量穿层裂隙，形成形状规则的断裂线并与离层沟通，两侧断裂线角度大致相同，约为57°。随着离层的不断向上发展，下部的离层空间不断减小，直至压实。

图3 基本顶第二次周期断裂形态

岩浆岩中部裂隙发育形态如图4所示。由图4可以看出，随着工作面推进，岩浆岩下方顶板依次垮落，采空区中部垮落岩层基本被压实，在采空区的四周形成O型裂隙带(圈)，离层发育至岩浆岩底部，离层跨度扩大到134 m，高度达到5 m，断裂裂隙也发育至岩浆岩底部的下位岩层。作为主关键层，岩浆岩屏蔽了裂隙的向上发展，使得岩浆岩下方裂隙充分发育，但是断裂裂隙并没有贯穿所有岩层，没有形成穿层裂隙与离层沟通。此外，在上覆压力和自重作用下，加之受到岩浆岩下方软弱岩层的弹性地基作用，岩浆岩下部出现断裂裂隙(拉破坏)，裂隙高度为34 m。

图4 岩浆岩中部裂隙发育形态

岩浆岩上部岩层断裂形态如图5所示。由图5可以看出，随着采空区范围不断增大，岩浆岩下部断裂裂隙的高度和宽度都有所扩展，与此同时在煤壁和开切眼处断裂线附近，岩浆岩的前方和后方开始出现断裂裂隙，且后方裂隙发育程度强于前方。随着工作面推进，岩浆岩前后方裂隙均有扩展，离层跨度逐渐增加，岩浆岩弯曲下沉量随之增大，岩浆岩下部离层高度减小，离层空间由5 m降低至2 m，岩浆岩上部岩层伴随着岩浆岩一块下沉，并有部分靠近岩浆岩的岩层开始断裂，断裂线沿着60°方向向上延展。

岩浆岩初次断裂形态如图6所示。由图6可以看出，随着工作面推进，岩浆岩发生初次断裂，断裂后岩浆岩迅速失稳下沉，岩浆岩下部离层闭合，岩浆岩上部岩层随之断裂或弯曲下沉，在岩浆岩上方117 m处形成离层，离层高度为3 m，跨度为80 m，断裂裂隙没有沟通离层。断裂的岩浆岩块体为前后长短不等边梯形。

图5 岩浆岩上部岩层断裂形态

图6 岩浆岩初次断裂形态

通过岩浆岩初次破断前后工作面顶板覆岩形态可知，岩浆岩的破断易诱发工作面突水及支架动载等灾害。岩浆岩破断前，与其下位岩层之间存在巨大的离层空间，且没有与断裂裂隙沟通，这为离层水的集聚提供了良好的空间载体。一旦岩浆岩破断下沉，将对离层水产生巨大的冲击压力，致使离层水沿着O型裂隙带(圈)涌入工作面，造成工作面突水事故。岩浆岩破断时会释放巨大的能量，加之岩浆岩的快速下沉运移，重力势能转化为动能，易形成岩浆岩对下位岩层的强烈动载作用，诱发矿井强震事件的发生，导致工作面支架失稳、冲击地压、煤与瓦斯突出等事故。如果岩浆岩下方的离层与岩浆岩下位岩层穿层裂隙沟通时，将为瓦斯的集聚提供天然的通道和积聚空间。一旦岩浆岩失稳，其产生的巨大能量将压迫离层区内积聚的瓦斯通过O型裂隙带快速涌入工作面，造成瓦斯突出事故。

岩浆岩初次破断后，随着工作面的继续推进，离层发育到岩浆岩下方，未破断的岩浆岩将形成下方软弱岩体支撑的悬臂梁结构，岩梁上表面受拉应力作用，下表面受压应力作用。由于岩浆岩的抗拉强度低于抗压强度，将导致岩浆岩的上表面首先发生破坏。岩浆岩端部断裂裂隙如图7所示。由图7可知，随着工作面的推进，在岩浆岩的端部出现断裂裂隙。并随着工作面的不断推进，裂隙将会向下发展，直至贯穿岩浆岩，岩浆岩发生周期破断。

图7 岩浆岩端部断裂裂隙图

岩浆岩第二次周期破断前后变化如图8所示。

图8 岩浆岩第二次周期破断前后变化图

由图8可知，在岩浆岩第二次周期破断前，与其下位岩层之间的离层达到4 m，岩浆岩端部出现倾斜的断裂裂隙，随着断裂裂隙的不断扩展，岩浆岩完成了第二次周期破断，破断后离层几乎闭合，破断时岩浆岩下位岩层随岩浆岩一起下沉。岩浆岩的周期破断具有相似的尺寸效应和破断特征，断裂岩块在长度方向上分别为80 m和86 m，断裂岩块呈平行四边形。周期断裂的岩浆岩岩块相互铰接，断裂后不会立即失稳，且来压强度显著小于岩浆岩初次破断。岩浆岩上位岩层随着岩浆岩的运移而下沉，岩浆岩上部离层闭合，工作面达到充分采动状态，形成地表移动盆地。

2 数值模拟试验

2.1 数值模拟高位硬厚岩层对采动应力作用机理的理论基础

高位硬厚岩层破断前采动应力和支承压力如图9所示。由图9可以看出，在工作面开采过程中，直接顶随采随冒，垮落后的岩石堆积在采空区。随着工作面的不断推进，采空区上覆岩层逐渐垮落，离层裂隙不断向上发育。高位硬厚岩层自身坚硬，整体完整性好，抗拉强度大，不易发生弯曲；下方岩层抗拉强度小，易发生弯曲。随着工作面的推进，采空区上覆岩层弯曲垮落，离层空间发育到硬厚岩层底部，离层裂隙发育充分，硬厚岩层悬露面积不断增加。硬厚岩层作为关键层承担自身以及上方岩层重量，此时，硬厚岩层承担的载荷通过岩层传递到工作面前方煤体，使煤体支承压力不断增加。

图9 高位硬厚岩层破断前采动应力和支承压力示意图

高位硬厚岩层破断后采动应力和支承压力示意图如图10所示。由图10可以看出，随着工作面的推进，硬厚岩层跨距逐渐增大，当达到极限跨度时，硬厚岩层发生破断，产生结构性失稳，其上方较为软弱的岩层也随之发生整体弯曲下沉。破断后的硬厚岩层由采空区下方已垮落岩体和未垮落岩体共同承担，导致传递到工作面的支承压力减小。硬厚岩层破断后，采场支承压力要小于破断前。

图10 高位硬厚岩层破断后采动应力和支承压力示意图

2.2 数值模型的建立

在进行数值模拟时，参照相似模拟试验所建模型，建立三维数值模型。模型范围为1000 m×760 m×286 m。煤层厚度为6 m，埋深600 m；模拟工作面倾向长190 m，走向推进600 m；模型左右前后边界施加水平约束，在底部固定边界；顶部施加应力边界，模拟上部省略的岩层载荷；在模拟计算中选取摩尔库伦模型。数值网格模型如图11所示，煤岩体物理力学参数见表2。

选取硬厚岩层厚度为60 m、煤层间距为80 m的模型，在煤壁前方沿走向中部设置应力监测线，记录输出工作面超前支承压力如图12所示。由图12可知，工作面开采初期，支承压力集中程度增长较快，随着工作面的不断推进，增长率开始变缓，在硬厚岩层破断前增长率趋于稳定。当工作面推进到40 m时，工作面超前支承压力峰值为21.68 MPa，应力集中系数为1.5。当工作面推进到320 m时，超前支承压力集中程度明显增加，峰值为26.9 MPa，集中应力系数达到1.8。当工作面推进到360 m时，超前支承压力达到最大，峰值为27.15 MPa，应力集中系数为1.81。随着工作面的继续推进，超前支承压力峰值开始减小，当工作面推进到440 m时，硬厚岩层达到极限悬跨度，硬厚岩层及其上、下岩层发生垮落失稳，工作面支承压力迅速减小，峰值为20.18 MPa，应力集中系数1.35，与破断前相比支承压力峰值减小幅度为25.7%。

表2 模型岩层及力学参数

图11 数值计算模型

图12 硬厚岩层破断前后工作面超前支承压力变化曲线

3 结论

(1)工作面上覆岩浆岩时，覆岩破断的关键阶段分别为直接顶破断、基本顶初次破断，基本顶周期破断、岩浆岩初次破断、岩浆岩周期破断(裂隙沟通地表)。

(2)硬厚岩层破断前作为关键层承担自身以及上方岩层重量，硬厚岩层承担的载荷通过岩层传递到工作面前方煤体，使煤体支承压力不断增加；当硬厚岩层达到极限跨度发生破断，产生结构性失稳，其上方较为软弱的岩层也随之发生整体弯曲下沉，破断后的硬厚岩层由采空区下方已垮落岩体和未垮落岩体共同承担，导致传递到工作面的支承压力减小，硬厚岩层破断后，采场支承压力小于破断前。

[1] 王金安，刘红，纪洪广.地下开采上覆巨厚岩层断裂机制研究[J].岩石力学与工程学报，2009(增1)

[2] 王平，姜福兴，冯增强等.高位厚硬顶板断裂与矿震预测的关系探讨 [J].岩土工程学报，2011(4)

[3] 曲秋扬.大倾角大采高工作面覆岩破坏与围岩应力分布规律研究 [J].中国煤炭，2016(7)

[4] 谭辅清，昝东峰，周楠等.巨厚砾岩层下工作面过断层覆岩运动规律研究及应用 [J].中国煤炭，2011(9)

[5] 李化敏，付凯.煤矿深部开采面临的主要技术问题及对策 [J].采矿与安全工程学报，2006(4)

[6] 来兴平.西部矿山大尺度采空区衍生动力灾害控制 [J].北京科技大学学报，2004(1)

[7] 刘文岗，姜耀东，周宏伟等.冲击倾向性煤体的细观特征与裂纹失稳的试验研究 [J].湖南科技大学学报(自然科学版)，2006(4)

[8] 钱鸣高，缪协兴，许家林等.岩层控制的关键层理论 [M].徐州：中国矿业大学出版社，2000

(责任编辑 陶 赛)

Movement rule of overlying strata and evolution law of mining stress in mining field under high and hard thick rock strata

Wu Quanlin

(Jining University, Qufu, Shandong 273100, China)

According to the condition of thick hard igneous rock in working face, movement rule of overlying strata in the hard thick rock strata is studied by similar simulation test and numerical simulation method. Research shows that the coating on the working surface of magmatite, the key stage of rock breaking are immediate roof breaking, basic roof breaking, basic roof cycle breaking, magmatite first breaking, magmatite cycle breaking (fracture surface communication); hard and thick magmatite before break, along with the industry as the advancement of abutment pressure increasing; hard thick magmatite breaking, abutment pressure is smaller than before break.

hard thick magmatic rock, similar simulation, overlying strata movement law, numerical simulation, dynamic stress

国家自然科学基金资助项目(51374139),山东省自然科学基金资助项目(ZR2013EEM018)

武泉林.高位硬厚岩层下采场覆岩运动规律及采动应力演化规律 [J].中国煤炭，2017，43(2)：38-43. Wu Quanlin. Movement rule of overlying strata and evolution law of mining stress in mining field under high and hard thick rock strata [J]. China Coal，2017,43(2)：38-43.

TD323

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武泉林(1988-)，山东鱼台人，采矿工程博士，主要研究方向为煤矿安全开采与评价。