郝 學(xué)，胡祖祥，邢立奮，徐小奔

(1.煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001; 2.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001；3.山西平遙縣興盛煤化有限責(zé)任公司，山西 平遙 031100)

我國(guó)煤礦經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期大規(guī)模的開采，淺部資源日益枯竭，深部資源開采已成為常態(tài)，隨著采深及煤層復(fù)雜程度的增加，開采時(shí)必然會(huì)導(dǎo)致礦井沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生頻率增加[1-5]。開采煤層時(shí)原巖應(yīng)力狀態(tài)遭到破壞，在應(yīng)力重新平衡的過(guò)程中，覆巖產(chǎn)生彎曲、斷裂和垮落，使巖層及地表產(chǎn)生移動(dòng)、變形和破壞，此時(shí)煤體變得較為脆弱，瓦斯?jié)舛燃皾B流方向難以控制，由此可能會(huì)帶來(lái)一系列災(zāi)難性后果[6-10]，給煤層開采區(qū)巷道的布置和維護(hù)，以及礦區(qū)安全高效生產(chǎn)帶來(lái)諸多不利影響。

許多學(xué)者針對(duì)地應(yīng)力及圍巖應(yīng)力進(jìn)行了大量研究：康紅普等[11]在潞安礦區(qū)中運(yùn)用水壓致裂法對(duì)地應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)量，形成了一套與煤巷錨桿支護(hù)相配套的快速地質(zhì)力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)；崔世海等[12]利用光柵式應(yīng)力傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)巷道圍巖壓力的實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)；謝廣祥等[13]通過(guò)對(duì)采場(chǎng)圍巖宏觀應(yīng)力殼演化規(guī)律進(jìn)行了探索，得出應(yīng)力殼演化是工作面推進(jìn)過(guò)程中采動(dòng)高應(yīng)力在圍巖空間的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程的結(jié)論；孔德森等[14]通過(guò)計(jì)算軟件對(duì)深部巷道圍巖在復(fù)合應(yīng)力場(chǎng)中的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)巷道底板不論在何種應(yīng)力狀態(tài)下，其變形和發(fā)生塑性破壞的程度都比較高；郭啟良等[15]在大量地應(yīng)力實(shí)測(cè)工作中，得出當(dāng)?shù)貧?yīng)力場(chǎng)中各方向應(yīng)力不等時(shí)，水壓致裂裂縫的方向定位于最大水平主應(yīng)力方向上的變化規(guī)律；歐陽(yáng)紅承[16]通過(guò)觀測(cè)煤層瓦斯壓力變化和圍巖應(yīng)力變化的情況，確定了突出煤層上保護(hù)層開采的保護(hù)范圍及保護(hù)效果。目前的研究主要集中于地應(yīng)力及宏觀采動(dòng)應(yīng)力的變化規(guī)律，對(duì)具體綜采工作面頂板圍巖應(yīng)力特征變化規(guī)律研究相對(duì)較少。筆者采用相似模擬的方法對(duì)開采過(guò)程中圍巖應(yīng)力特征進(jìn)行研究和分析。

1 工程概況

以淮南礦業(yè)集團(tuán)謝橋礦1232(1)綜采工作面為研究對(duì)象。該工作面位于西翼C組 (11-2～13-1煤層)采區(qū)11-2煤層西翼三階段，地面標(biāo)高為+20.5～+29.5 m，工作面標(biāo)高為-540.6～-604.3 m，工作面傾斜長(zhǎng)約154 m。煤的密度1.40 t/m3，煤層平均傾角13°，平均煤厚2.49 m，日進(jìn)度8 m。該工作面煤層直接頂為平均厚度3.32 m的泥巖、砂質(zhì)泥巖，直接頂上方為平均厚度6.24 m的細(xì)砂巖，煤層直接底為平均厚度2.35 m的泥巖，老底為1.76 m的粉細(xì)砂巖。

2 建立相似模擬模型

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置為長(zhǎng)4.2 m平面模擬實(shí)驗(yàn)架，按照比例 1∶100 設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)室實(shí)際模型尺寸：長(zhǎng)×高×寬為420 cm×200 cm×25 cm。模擬巖層以煤系地層為主，對(duì)厚度在0.5 m以上的巖層采用分層模擬，將不足0.5 m厚的巖層與鄰近巖層合并綜合模擬。平面模擬實(shí)驗(yàn)架的四周采用槽鋼進(jìn)行約束，將相應(yīng)比例厚度的黃土層和鐵磚鋪設(shè)在上方自由端，實(shí)際模型如圖1所示。DM-YB1820動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示，其是目前國(guó)內(nèi)進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試的一種性價(jià)比較高的新型精密儀器，可測(cè)量應(yīng)力應(yīng)變、拉壓力、壓強(qiáng)、轉(zhuǎn)矩等物理參數(shù)。鋪設(shè)模型時(shí)，在工作面煤層和巖層中設(shè)置應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，將測(cè)點(diǎn)與儀器槽口相連接，最終在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總。

圖1 EWM二維模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)

2.2 相似材料和配比

實(shí)驗(yàn)采用細(xì)砂、石膏、石灰作為主要相似材料。以相似理論為基礎(chǔ)，依據(jù)礦區(qū)煤巖層巖性和大量不同實(shí)驗(yàn)配比資料，選定的各模型材料最佳合理配比如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒牧吓浔?/p>

各分層材料用量按下式計(jì)算：

G=Lbhγ

(1)

式中：G為模型分層材料總質(zhì)量；L為模型長(zhǎng)度；b為模型寬度；h為模擬分層厚度；γ為模擬分層材料的密度。

2.3 模型設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)以相似三定理為基本依據(jù)，根據(jù)模擬煤礦的巖層巖性及工作面條件，確定相似常數(shù)。

1)幾何相似常數(shù)。根據(jù)工作面的條件和實(shí)際巖層情況，確定幾何相似常數(shù)Cl=1/100，模擬高度2.37 m，用人工加壓的方法代替其他高度的巖層總量。

2)容重相似常數(shù)。根據(jù)煤礦的地質(zhì)資料、力學(xué)性質(zhì)，取容重相似常數(shù)Cγ=1/1.67。

3)應(yīng)力相似常數(shù)。根據(jù)幾何相似常數(shù)和容重相似常數(shù)，取應(yīng)力相似常數(shù)：

Cσ=ClCγ=(1/100)×(1/1.67)=1/167

(2)

4)時(shí)間相似常數(shù)。由于幾何相似常數(shù)Cl=1/100，所以取時(shí)間相似常數(shù)：

(3)

5)相似模擬巖層開挖受實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)際尺寸的限制，無(wú)法從開挖工作面一直模擬到地表，用人工加壓的方法對(duì)未模擬到的巖層進(jìn)行補(bǔ)償，重力補(bǔ)償載荷如下：

qml=CγClγp(H-Hm)=7.166 t/m2

(4)

式中：γp為上覆巖層的平均密度，取其平均值 2 500 kg/m3；H為煤層的埋深，取570 m；Hm為上覆巖層的厚度，取91.32 m。

已知重力補(bǔ)償載荷為7.166 t/m2，實(shí)驗(yàn)裝置長(zhǎng)為4.2 m、寬為0.25 m，根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)的橫截面面積可計(jì)算出模型需加載荷為：

G=7.166 t/m2×4.2 m×0.25 m=7.52 t

(5)

2.4 應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

相似模擬模型模擬范圍下至8煤層底板以下12.12 m，上至13-1煤層頂板以上18.3 m，共計(jì) 44層，總厚度為197.5 m。模擬11-2煤層開采時(shí)，煤層圍巖應(yīng)力分布規(guī)律。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭蟹?3層共布設(shè)120個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)自8煤層向上編號(hào)依次為1-1到2-60，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)具體布置如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

模型制作完成，放置15 d左右進(jìn)行風(fēng)干，待模型達(dá)到實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度后，在模型頂部施加垂直載荷，載荷施加結(jié)束后即可開始11-2煤層的開采，從始采線位置開挖至終采線位置。在距邊界50 cm處掘進(jìn)開切眼，沿工作面走向推進(jìn)200 cm，在模型上推進(jìn)速度近似為4 cm/h。根據(jù)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，得出工作面開采過(guò)程中煤層及上覆巖層的超前支承壓力變化規(guī)律。

3.2 頂板巖層垮落演化規(guī)律

頂板巖層垮落高度及發(fā)育形態(tài)對(duì)圍巖應(yīng)力變化有相應(yīng)的影響，工作面推進(jìn)不同距離時(shí)的巖層垮落示意圖如圖4所示。

(a)工作面推進(jìn)至50 m時(shí)

由圖4可見，隨著工作面不斷推進(jìn)，上覆巖層垮落高度不斷增大，垮落帶及斷裂帶呈不斷向上發(fā)展的規(guī)律。在工作面向前推進(jìn)的過(guò)程中，直接頂暴露面積不斷增大，在重力作用下頂板彎曲下沉，由于直接頂相對(duì)于基本頂?shù)淖冃瘟扛?，因此產(chǎn)生離層現(xiàn)象。當(dāng)工作面推進(jìn)至50 m時(shí)，在基本頂自重和上覆巖層作用下，砌體梁結(jié)構(gòu)平衡失穩(wěn)，基本頂初次來(lái)壓，受基本頂破斷巖塊回轉(zhuǎn)影響，工作面頂板下沉，此時(shí)垮落高度為10.50 m，垮落角為68°，基本頂與上部巖層離層間隙增大，裂隙密度達(dá)到最大；初次來(lái)壓后斷裂帶巖層結(jié)構(gòu)始終經(jīng)歷“穩(wěn)定—失穩(wěn)—穩(wěn)定”的變化，形成周期來(lái)壓，當(dāng)推進(jìn)至75 m時(shí)基本頂?shù)诙沃芷趤?lái)壓，垮落高度23.87 m，此時(shí)頂板下沉量增大，上方斷裂帶失穩(wěn)，基本頂產(chǎn)生豎向裂隙并向上延伸，隨著開采繼續(xù)進(jìn)行，使得原本屬于基本頂?shù)哪遣糠謳r層進(jìn)入到垮落帶中；當(dāng)推進(jìn)至120 m時(shí)，垮落高度繼續(xù)增大至56.40 m，垮落角66°，上覆垮落巖層沿層理方向有向工作面下方下滑趨勢(shì)；當(dāng)推進(jìn)至160 m時(shí)，上覆巖層繼續(xù)向下垮落，垮落帶中縱向裂隙發(fā)育充分，此時(shí)裂隙已發(fā)展到完全形態(tài)，斷裂帶也已演化至最大發(fā)育高度，此時(shí)垮落高度67.00 m，垮落角68°，垮落帶與斷裂帶呈臺(tái)階式發(fā)展，垮落區(qū)域基本呈現(xiàn)為等腰梯形形態(tài)。

3.3 工作面推進(jìn)不同距離時(shí)煤層內(nèi)應(yīng)力變化規(guī)律

為分析超前支承壓力隨工作面推進(jìn)時(shí)的變化情況，繪制出11-2煤層內(nèi)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變片數(shù)據(jù)的變化曲線，如圖5 所示。

圖5 工作面推進(jìn)不同距離時(shí)煤層內(nèi)的應(yīng)變量變化曲線

由圖5可見，工作面初采時(shí)，開切眼前后煤體中應(yīng)力重新分布，此時(shí)煤體處于彈性狀態(tài)，在距離開切眼10 m處 1-37 測(cè)點(diǎn)開始受到影響，說(shuō)明此時(shí)煤體承載能力較低，受采動(dòng)影響較大，煤體內(nèi)原有裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展發(fā)育衍化出新的裂隙，結(jié)構(gòu)體的轉(zhuǎn)動(dòng)及結(jié)構(gòu)面的滑移導(dǎo)致內(nèi)部空洞不斷擴(kuò)大，工作面前方20 m處煤體受到采動(dòng)影響。隨著工作面推進(jìn)，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)后，煤體變形進(jìn)入塑性變化階段，先后影響到1-36、1-35 測(cè)點(diǎn)，當(dāng)工作面推進(jìn)至30 m時(shí)，距工作面70 m處的1-34測(cè)點(diǎn)應(yīng)力增加。由此可知，在工作面推進(jìn)過(guò)程中煤層前方70 m范圍內(nèi)受到采動(dòng)應(yīng)力影響。

煤體內(nèi)最大應(yīng)力值隨著工作面推進(jìn)不斷升高，應(yīng)力增量在推進(jìn)100 m后逐漸減緩并趨于穩(wěn)定。自煤層開采直到開采結(jié)束前，監(jiān)測(cè)到1-37、1-36、1-35、1-34測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)變量分別為192、169、131、107，開采后上覆巖層大部分都是半拱式的“煤壁—已垮落的矸石”支撐體系支撐，因此煤壁一端支撐著因離層而導(dǎo)致暴露巖層的大部分重量。煤壁內(nèi)的壓力隨直接頂跨度的增大而增大，在初次來(lái)壓前，煤壁內(nèi)的支承壓力達(dá)到了最大值，因而煤幫變形塌落，通常將其作為工作面頂板來(lái)壓的一個(gè)重要標(biāo)志?；夭梢鸬膽?yīng)力場(chǎng)是連續(xù)的，以相同趨勢(shì)的壓力波向前推進(jìn)，所以各測(cè)點(diǎn)的增長(zhǎng)趨勢(shì)相同。

3.4 工作面推進(jìn)不同距離時(shí)頂板圍巖應(yīng)力變化規(guī)律

在測(cè)得2-23至2-35各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處應(yīng)變片數(shù)據(jù)后，分別繪制出推進(jìn)不同距離時(shí)的應(yīng)變量變化曲線，如圖6所示。

(a)工作面推進(jìn)30 m時(shí)

由圖6可見，沿煤層走向看，工作面前方煤巖體均經(jīng)歷了由原巖應(yīng)力到應(yīng)力升高再到應(yīng)力降低的過(guò)程。其中原巖應(yīng)力區(qū)分布于80 m范圍之外，距煤壁較遠(yuǎn)；煤體越靠近開采面強(qiáng)度越低，集中支承壓力向煤體內(nèi)部轉(zhuǎn)移，受斷層構(gòu)造、老巷切割等因素影響，工作面前方應(yīng)力會(huì)重新分布，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力疊加，直到某一半徑處大于或等于集中應(yīng)力，其中10～80 m內(nèi)為應(yīng)力增高區(qū)；在工作面前方10 m范圍內(nèi)為應(yīng)力降低區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)煤巖體發(fā)生屈服，煤體破碎導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生大量裂隙，孔隙率增大，此時(shí)該區(qū)域已不能承受較大的應(yīng)力作用，因此應(yīng)力較低。工作面前方3個(gè)區(qū)域隨回采工作的進(jìn)行不斷擴(kuò)大，當(dāng)工作面推進(jìn)至30 m時(shí)，應(yīng)力降低區(qū)為工作面前方7 m內(nèi)，應(yīng)力增高區(qū)為7～76 m；當(dāng)工作面推進(jìn)至150 m時(shí)，工作面前方10 m范圍內(nèi)為應(yīng)力降低區(qū)，應(yīng)力增高區(qū)為10～80 m。

各曲線應(yīng)力峰值點(diǎn)距煤壁10～12 m，超前支承壓力峰值隨工作面的推進(jìn)逐漸增大。當(dāng)工作面推進(jìn)至30 m時(shí)，最大應(yīng)變量為14，應(yīng)力集中系數(shù)k為1.59，峰值點(diǎn)距煤壁10 m，此時(shí)工作面前方煤體內(nèi)應(yīng)力較小；當(dāng)推進(jìn)至50 m時(shí)，隨著直接頂暴露面積不斷增大，在達(dá)到極限跨距時(shí)直接頂開始垮落，老頂產(chǎn)生裂隙破斷、支撐能力減弱，支承壓力超過(guò)煤壁邊緣煤體的承壓強(qiáng)度，工作面煤體進(jìn)入塑性破壞狀態(tài)，此時(shí)最大應(yīng)變量為62，應(yīng)力集中系數(shù)為1.83；當(dāng)推進(jìn)至120 m時(shí)，煤體水平擠壓力增大，由單向壓縮狀態(tài)逐漸變?yōu)槿驊?yīng)力狀態(tài)，煤體抗壓強(qiáng)度逐漸增高最終形成三鉸拱式的平衡；當(dāng)推進(jìn)至150 m時(shí)，工作面前方12 m處出現(xiàn)應(yīng)力峰值，最大應(yīng)變量為292，與推進(jìn)至 120 m 時(shí)相比，應(yīng)力峰值上升速度減緩，應(yīng)力集中系數(shù)k為3.47，其中應(yīng)力集中系數(shù)超過(guò)1.2的區(qū)域在工作面前方5～50 m內(nèi)。隨著工作面的推進(jìn)，上覆巖層垮落高度逐漸增大，煤層破碎帶范圍不斷增大。

4 結(jié)論

1)以淮南礦業(yè)集團(tuán)謝橋礦1232(1)綜采工作面為工程背景，通過(guò)相似模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)綜采工作面頂板圍巖應(yīng)力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，可以得出超前支承壓力峰值、超前支承壓力影響范圍及“三區(qū)”范圍隨工作面推進(jìn)不斷增大的變化規(guī)律，可為兩淮礦區(qū)煤層實(shí)際開采提供一定理論指導(dǎo)。

2)隨工作面不斷推進(jìn)，頂板圍巖離層、垮落等現(xiàn)象的發(fā)生使巖體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致煤巖體內(nèi)應(yīng)力重新分布，應(yīng)力增高區(qū)域?qū)挾仍黾?，?yīng)力峰值不斷向煤壁深部移動(dòng)。上覆巖層最大垮落高度為 67.00 m，超前支承壓力峰值距工作面10～12 m，最大應(yīng)變量為292，應(yīng)力集中系數(shù)k為3.47，超前支承壓力影響范圍為煤層前方70 m內(nèi)。

3)采煤工作面前方明顯分為原巖應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)和應(yīng)力降低區(qū)，且隨工作面的不斷推進(jìn)“三區(qū)”范圍是不斷擴(kuò)大的，通過(guò)對(duì)“三區(qū)”范圍的研究，可為開采過(guò)程中巖體內(nèi)部應(yīng)力的控制及支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。