浅埋薄基岩综采面覆岩移动规律物理模拟研究

贾建华

(山西煤炭进出口集团 蒲县万家庄煤业有限公司， 山西 临汾 041000)

我国西北地区赋存有大量的浅埋煤层，其储量可观，约占到全国探明储量的1/3.这部分煤层以基岩薄(通常为30～80 m，基载比<1)、埋藏浅(不超过150 m)、上覆厚松散层(风积砂和黄土等)和赋存稳定[1]为主要特点，在开采过程中，顶板难以形成稳定的结构，表现出明显的动压和台阶下沉特性[2]，甚至会出现工作面溃水、溃沙事故等不利于安全生产的因素[3]. 因而，系统研究并准确掌握浅埋薄基岩工作面上覆岩层的垮落和移动规律、预测工作面垮落步距及形态等，具有重要的理论意义和应用价值。

覆岩移动规律的研究大多采用相似模拟试验、矿压数据现场实测分析以及计算机数值模拟等方法。其中，相似模拟试验在不具备现场实测条件时具有明显的优越性，且可以直观观测到相似模型的应力、位移、破坏和运动等变化过程，易于掌握覆岩的破断、运动及变化规律，所以得到了广泛应用[1-6]. 本文通过工作面顶板岩层失稳过程的物理模拟，探究浅埋薄基岩煤层条件下上覆岩层的垮落机理和来压规律。

1 物理模拟试验设计

1.1 工程概况

某矿现主采3-1煤和4-2煤，煤层埋藏浅(平均埋深110 m)，基岩为厚约25 m的细粒砂岩和中粒砂岩，地表覆盖巨厚松散土层，上覆砂岩结构完整，岩性较好，顶板稳定，煤层结构单一，水文地质情况简单，属于我国西部典型的浅埋薄基岩煤层。试验原型为该矿42112综采工作面，煤厚为3.15 m，平均采深122.65 m，长壁开采，工作面推进速度为14.4 m/d, 直接顶为粉砂岩，厚7.66 m；基本顶为细粒砂岩和粉砂岩，厚度分别为8.35 m和15.10 m. 上覆松散层平均厚度70 m，基岩厚度平均40 m. 实际煤岩体物理力学参数见表1.

1.2 试验设计

煤层直接顶和基本顶的垮落规律依然是该次物理模拟的重点，研究的对象主要是基岩及其与上覆松散层之间的载荷传递机制。因而，在相似配比、模型铺设和试验防护方面必须采取一定的特殊措施。根据相似条件，确定相似材料配比和岩层分层情况分别见表2，图1.

表1 实际煤岩体物理力学参数表

表2 模型煤岩体物理力学参数和配比方案表

图1 相似模拟试验煤岩分层情况图

试验采用平面应力模型，模型设计外形尺寸为2 500 mm×300 mm×1 280 mm. 按照物理模拟的相似要求，模型与原型之间满足下列基本相似条件：几何相似比cl=100；运动相似比ct=10；应力及强度相似比cp=150；时间相似比αt=10；容重比均为cr=1.5.该模型铺设到地表，不施加其他载荷。

模型分层制作，按设计的相似材料配比方案配置、敷设各岩层。模型铺设完毕后自然风干，开挖时严格按照时间相似比进行。铺设后的模型全景见图2.

图2 铺设后的模型全景图

模型左右两侧分别留设30 m的边界煤柱以消除边界效应，从右部边界煤柱30 m处开切眼，在开挖过程中，严格按照时间相似原则依次回采。模型每开挖一次记录一组数据，在整个过程中，利用数码相机摄取直观信息。

2 覆岩垮落过程及破坏规律

2.1 覆岩垮落过程分析

工作面从开切眼处向前推进，当推进到18 m左右时，直接顶出现了明显裂隙。工作面继续开挖到22 m时，裂隙不断发展，直接顶与上覆岩层发生离层(图3a)). 当推进到27.5 m时，工作面上方直接顶破断并发生了初次冒落(图3b))，基本上是沿着煤壁上方切落。上覆各岩层之间开始存在裂缝，但并不明显。

图3 直接顶初次垮落前后图

由图3可见，直接顶初次垮落步距约为27.5 m，垮落高度为1.5 m左右，垮落的岩块相互之间排列整齐，块状结构明显，垮落时基本为切落式。初次垮落对上覆岩层中关键层传递的影响不明显。

随着工作面继续推进，由于在采空区一侧失去了铰接，无法继续传递力的作用，所以直接顶基本上为随采随冒(图4a)). 当推进到35 m左右时，基本顶发生初次断裂(图4b))，沿支架后方整体式切落，上覆岩层中的裂缝明显，且裂缝随工作面的推进不断前移、上扩。

图4 直接顶随采随冒及基本顶初次垮落图

由图4可见，基本顶初次来压步距约为35 m，初次垮落之后，工作面推进对覆岩的影响不断向前、向上传递和扩展，上覆岩层逐渐下沉。

当工作面继续向前推进到51 m左右时，基本顶岩层发生首次周期来压，基岩破断角较大，靠近工作面一侧的岩块略大于采空区一侧的岩块，是非对称型结构(图5a)中岩块A、B). 此时的垮落岩层高度已经超过7.5 m，垮落岩层上方继续出现裂缝，来压显现剧烈，垮落岩层呈台阶岩梁式切冒(图5b)).

图5 基本顶首次周期来压及台阶岩梁式切冒图

由图5可见，直接顶首次周期来压步距约为16 m，上覆岩层大范围垮落时，顶板岩层基本沿全厚切落，工作面为垮落带和裂隙带“两带”。

当工作面推进到64 m，采动影响继续扩展，上覆岩层受到的传递影响愈加明显，表现为发生剧烈的、更大范围的垮落，基本顶出现第二次周期来压(图6a)). 随着工作面继续推进，在工作面煤壁上方出现了长度约为15 m的坚硬悬顶不垮落，对工作面生产安全形成了一定威胁(图6b)中C部分)。

图6 基本顶第二次周期来压及坚硬不垮落悬顶图

随着工作面继续向前推进，坚硬悬顶周期性垮落，在其上方的岩层也随之冒落，来压迅猛，如在此之前不进行强制放顶，将会很难支护，甚至压力猛增、压死液压支架(图7).

图7 坚硬顶板突然垮落及其上方岩层垮落图

当工作面继续向前推进到约120 m时，采动影响基本传递到表土层，对地面形成一定影响(图8a)). 此时，可以明显计算得出基岩破断角，开切眼一侧为75.7°，煤壁一侧为72.2°(图8b)). 另外，可以明显看出，在工作面基本顶岩层首次周期来压之后，周期来压步距基本上是“一大一小”交替出现，较大值为16 m左右，较小值为13 m左右。

图8 采动影响传递到地表及基岩破断角图

当工作面推进到停采线附近时，上覆岩层的采动影响已经全部稳定，可见开切眼侧和煤壁侧两条基岩破断线分别倾斜向上延伸，最终形成梯形漏斗状岩层垮落形式(图9).

图9 工作面推进到停采线及顶板垮落图

由图9可见，工作面出现台阶下沉，特别是在煤壁处是以较大角度(或垂直)切落，在这种采动影响不断向前传递和向上延伸之后，引起了地面一定的平缓下沉量，但是此下沉量并不大。

2.2 覆岩结构稳定性分析

由覆岩的垮落过程可见，基本顶初次垮落时会出现非对称型结构，周期垮落时会出现“一大一小”的周期来压步距，抽象出其力学模型(图10)进行分析。

图10 非对称三角拱力学模型图

基本顶岩块A和岩块B之间的挤压接触面长度为：

可以近似地认为水平力T的作用点位于该长度的一半处。

根据平衡条件，ΣMa=0、ΣMc=0及ΣY=0，并将x代入可得：

式中：

1) 滑落失稳分析。

为了防止基本顶破断岩块在煤壁处发生滑落失稳，则要求满足条件：

T·tanφ≥Qa

式中：

tanφ—破断岩块之间的摩擦系数，根据现场统计结果和室内试验分析一般取0.5.

得到：

i+sind2≤0.46

通常在回转角小于4°的情况下，都可以认为不会发生滑落失稳[4]，即i≤0.46-sin4°=0.39

以基本顶周期来压过程中的A、B岩块为例，假设A岩块是较大的一块，长度16 m，厚度8 m；B岩块是较小的一块，长度13 m，厚度8 m，则

iA=0.5>0.39

iB=0.62>0.39

这说明，42112工作面上覆岩层中基本顶的周期性垮落以滑落失稳为主，同现场顶板的切冒和台阶岩梁现象也相符合。

2) 回转变形失稳分析。

破断岩块之间的回转变形失稳条件[5]为：

式中：

由此公式定性可知，块度越小、回转角越大，该三角拱结构越易于发生回转变形失稳，对顶板控制相对而言也比较有利。此时对于覆岩结构的分析和研究可以引入Reissner中厚板理论和Mindlin中厚板理论。

3 结 论

在开采期间，工作面上方垮落岩层基本上是典型的台阶岩梁形式，在煤壁处出现较大角度(甚至是垂直)的切落，所以来压剧烈且迅猛，顶板控制存在一定难度，局部地段甚至可能会存在压死支架的现象，覆岩破坏表现为整体形式，工作面第一次垮落之后，裂缝不断向前扩展和向上延伸，最终贯通到地面，对地表造成一定的下沉量。

工作面直接顶初次垮落步距为27.5 m，基本顶初次垮落步距约为35 m，而周期垮落步距基本为初次垮落步距的一半，并呈现出“一大一小”交替出现的趋势，即16 m和13 m，这与现场实测和理论分析的结果相符合。

上覆岩层以垂直运动为主，随着工作面的不断向前推移，顶板位移量不断变大。顶板岩块垮落时，顶板位移速度最大，覆岩下沉逐渐扩展，基本顶岩块垮落的表现形式为滑落失稳。基本顶岩块的块度越小、回转角越大，该三角拱结构越易于发生回转变形失稳，对顶板控制相对而言也比较有利。