高位硬厚岩层下覆岩运移规律研究

武泉林 武泉森

（济宁学院安全工程技术中心，山东 曲阜273155）

煤炭是我国主要的能源，随着经济的快速发展和国民生活水平的提高，煤炭资源的需求量日益增加，而煤炭开采环境却日益复杂，回采难度逐年增加，开采地质条件较好的矿井、采区或煤层越来越少，条件差的矿井逐渐增多，由开采引起的矿震、冲击地压、支架压架等动力灾害日益增加［1-3］。尤其是工作面上覆高位几十米甚至上百米的坚硬岩层时，岩层强度大，回采期间易大面积悬空，破断后极易诱发地表下沉、支架压架、矿震等动力灾害［4-6］。

一些专家学者对上覆硬厚岩层破断规律做了大量研究，取得了许多研究成果。郭惟嘉［7］在分析华丰矿巨厚砾岩这一特殊开采地质环境特征的基础上，探讨了巨厚砾岩下冲击地压及地表斑裂产生的机理，并提出了相应的防治措施。秦广鹏［8］以夏阔坦1007工作面上覆硬厚砂岩层为研究对象，根据现场工作面支承条件，建立了硬厚岩层两临边固支一边简支一边自由薄板力学模型，并研究了薄板应力分布特征。肖江［9］以相似模拟实验为手段研究了济宁二号井煤层上方巨厚无节理岩浆岩的运移规律，初步得出了岩浆岩的破断失稳机理。轩大洋［10］采用UDEC软件模拟研究了海孜煤矿Ⅱ102采区均厚140 m火成岩下开采时的采动应力演化规律，确定出受火成岩影响的采动应力范围。廖孟柯等［11］采用Reissner厚板理论和数值模拟方法对厚或超厚老顶破断情况进行研究分析，揭示了厚老顶断裂点位置及其应力板大小与其厚度的关系；通过现场实测与分析结果对比，为厚或超厚老顶采场掘进顶破断支护起到了指导作用。

本研究以淮北矿业集团杨柳煤矿1061工作面硬厚岩层下开采为工程背景，运用数值模拟分析了高位岩层下覆岩运移规律，并讨论了硬厚岩层厚度对覆岩运动规律的影响，结合现场实测数据进行了验证。研究成果为硬厚岩层下科学回采提供理论基础，对减少或避免硬厚岩层下煤层动力灾害具有重要意义。

1 高位岩层下覆岩运移规律

1.1 数值模型建立

在进行数值模拟时，岩石力学参数以杨柳煤矿地质条件为依据，建立三维数值模型。模型范围：1 000 mm（长）×760 m（宽）×286 m（高）。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。煤岩体物理力学参数如表1所示，网格模型如图1所示。

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1.2 模拟方案

针对工作面上覆硬厚岩层的情况，利用FLAC3D数值模拟软件，模拟开采工作面开采覆岩位移变化特征，模拟方案为：硬厚岩层厚度为60 m，赋存高度80 m时，模拟研究分析覆岩位移变化特征。

1.3 数值模拟结果

选取硬厚岩层厚度为60 m，与煤层间距80 m，并在硬厚岩层底部与其上覆60 m中，设置2条位移监测线，将记录的位移数据整理，如图2所示。由于硬厚岩层厚度大、强度高、完整性好，在开采过程中不易发生弯曲下沉，在未破断前其下伏岩层发生弯曲下沉，且在硬厚岩层与其下方岩层之间产生离层。随着工作面的不断推进，离层发育高度和跨度会逐渐增大，当跨度达到硬厚岩层极限跨度时，硬厚岩层发生破断失稳，失稳后引起地表移动变形和破坏。在硬厚岩层未破断前，硬厚岩层及其上覆岩层没有发生明显的位移下沉，显然，硬厚岩层对地层变形起到了“桥式屏蔽作用”。

由图2可知，在开采初期，硬厚岩层及其上覆岩层下沉量较小，当工作面推进到80 m时，硬厚岩层最大下沉量为0.11 m，其上覆岩层最大下沉量为0.105 m。随着工作面的不断推进，离层裂隙不断向上发育，硬厚岩层及其上覆岩层下沉量呈现增大的趋势。当工作面推进到280 m时，硬厚岩层与其上覆岩层下沉量分别增加到0.72 m、0.60 m；当工作面推进到360 m时，下沉量继续增加，但增加幅度不大，下沉量达到了1.50 m、1.34 m。当推进到380 m时，硬厚岩层与其上覆岩层下沉量突然增加，分别增加到3.20 m、2.91 m，增加幅度与速度明显较大，此时，硬厚岩层发生初次破断。破断后的硬厚岩层失去原有的承载能力，使上位岩层一起发生弯曲下沉，可使地表出现大范围移动变形。

高位硬厚岩层破断前，作为主关键层，承载上位岩层重量，并与下位岩层产生离层，此时，其上位岩层变形量较小；破断后，其上位岩层随之发生弯曲下沉，硬厚岩层下部离层迅速闭合，上位岩层出现移动变形，下沉量迅速增加。一般地质条件下，随着工作面的开采，上覆岩层移动变形是连续发展的过程，而高位硬厚岩层下开采则表现出显著的差异性，移动变形存在突变现象。当硬厚岩层悬空长度达到其极限跨距时，地表移动变形急剧增加，在开采过程中，加强地面变形观测，做好预测、预报工作，防止地表大幅下沉、工作面冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害。

2 工程实例分析

1061工作面是106采区首采工作面，位于第一个区段。切眼里段为岩浆岩侵蚀区，外段靠106采区大巷保护煤柱，西北方向靠近岱庙断层保护煤柱及岩浆岩侵蚀区，东南方向为1063工作面（尚未准备）。据1061工作面04-19、9-5、9-10-2钻孔及底板巷钻探资料综合分析，工作面煤层倾角4°～12°，平均8°；厚度0.9～3.8 m，平均厚度2.5 m，属薄—中厚煤层，以中厚煤层为主。根据变系数及可采性分析，属较稳定煤层。1061工作面上方赋存2层岩浆岩，第一层岩浆岩平均厚度为23 m，与10煤层的间距为248 m；第二层岩浆岩平均厚度为32 m，与10煤层的间距为355 m；2层岩浆岩平均间距为75 m。

1061工作面共安装了12台综采支架压力监测仪，从工作面机头至机尾分别布置在5#、15#、25#、55#、65#、75#、85#、95#、105#和115#液压支架上，2014年6月份监测到具有代表性的支架压力变化曲线如图3所示。

由图3工作面液压支架压力变化曲线可以看出，工作面大部分支架在6月18日之后出现压力增高现象，其中 5#、15#、25#、55#、65#、75#和 115#支架压力增高较为明显，尤其是6月23日之后，部分支架压力达到40 MPa以上，65#支架甚至达到了48.4 MPa。这表明随着工作面开采范围增大，高位硬厚岩浆岩达到了悬跨极限而剧烈运动失稳，造成工作面液压支架大面积来压。在高位硬厚岩浆岩破断垮落期间，工作面支架动载现象明显，15#、25#、55#、95#和105#支架来压期间动压系数超过2.0，其中95#支架动压系数达到2.58，见表2。由此表明，高位硬厚岩浆岩垮落后对底部已垮落岩层产生强烈的动载冲击，并以冲击应力波的形式通过下位岩体传递到采场围岩，引起工作面顶板的强烈扰动，造成工作面支架的强动压现象。从工作面支架强动压现象分布来看，岩浆岩初次破断后，上覆岩层快速失稳，导致支架动载现象明显，验证了数值模拟结果的正确性。

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3 结论

（1）在硬厚岩层未破断前，硬厚岩层及其上覆岩层没有发生明显的位移下沉，硬厚岩层对地层变形起到了“桥式屏蔽作用”。破断后，下沉量突然增加，表现出明显的突变性，导致地表移动变形急剧增加，出现大幅度下沉。

（2）当硬厚岩层悬空长度达到其极限跨距时，地表移动变形急剧增加，岩浆岩垮落后对底部已垮落岩层产生强烈的动载冲击，并以冲击应力波的形式通过下位岩体传递到采场围岩，引起工作面顶板的强烈扰动，造成工作面支架的强动压现象。

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