典型地質(zhì)條件下采動覆巖變形破壞規(guī)律的試驗(yàn)研究

王新豐，李隆欽，邱引貴

(1.湘潭大學(xué) 巖土力學(xué)與工程安全湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411105；2.湘潭大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，湖南 湘潭 411105；3.湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411105)

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典型地質(zhì)條件下采動覆巖變形破壞規(guī)律的試驗(yàn)研究

王新豐1,2,3，李隆欽2，邱引貴2

(1.湘潭大學(xué) 巖土力學(xué)與工程安全湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411105；2.湘潭大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，湖南 湘潭 411105；3.湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411105)

為了研究典型地質(zhì)條件下厚煤層采動過程中的覆巖運(yùn)移規(guī)律和頂板破斷機(jī)理，以某礦16223典型地質(zhì)工作面的厚煤層開采為工程背景，基于相似原理和量綱分析理論，運(yùn)用相似模型試驗(yàn)系統(tǒng)分析工作面采動期間的頂板破斷過程、垮落形態(tài)、覆巖變形特征及應(yīng)力演化規(guī)律。研究表明：采動覆巖具有初始破壞的突發(fā)性、中期破壞的階段性和后期破壞的延展性特征，裂隙發(fā)育和貫通過程呈現(xiàn)方向性和區(qū)間性特點(diǎn)，覆巖的失穩(wěn)變形表現(xiàn)出非線性和不連續(xù)性，頂板應(yīng)力在巖層活動的不同時(shí)期存在明顯的應(yīng)力分區(qū)和不均勻特性。研究結(jié)論可為典型地質(zhì)條件下的煤層開采技術(shù)研發(fā)和巖層控制措施制定提供借鑒和參考。

典型地質(zhì)；采動覆巖；破壞規(guī)律；模型試驗(yàn)；巖層控制

厚煤層綜合機(jī)械化開采是我國煤炭開采的主體，也是今后相當(dāng)長時(shí)期內(nèi)的重點(diǎn)發(fā)展方向。隨著煤礦開采的觸角向深部延伸進(jìn)程的增加，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、斷層褶皺突發(fā)、水文環(huán)境惡劣、地溫地壓強(qiáng)烈等典型地質(zhì)條件下的厚煤層開采現(xiàn)象增多，復(fù)雜地質(zhì)條件下煤炭安全開采的緊迫性和嚴(yán)峻趨勢更加明顯。由于煤系地層的開采環(huán)境復(fù)雜，采動過程中工作面礦壓會受到巖層活動、圍巖結(jié)構(gòu)、地質(zhì)條件、地溫地壓、裂隙產(chǎn)狀、水文瓦斯等諸多因素影響[1-2]，開展典型地質(zhì)條件下采動覆巖破壞規(guī)律和巖層控制課題的研究變得愈加重要。

圍繞典型地質(zhì)條件下厚煤層開采期間綜采工作面的礦壓顯現(xiàn)問題，國內(nèi)外采礦學(xué)者運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、現(xiàn)場實(shí)測等研究手段從特定地質(zhì)條件下厚煤層開采工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)、堅(jiān)硬頂板的位態(tài)分布與垮落狀況、采動覆巖移動演化的時(shí)步效應(yīng)、采動應(yīng)力場的分布特征和導(dǎo)水裂隙帶的微震探測等方面[3-8]對工作面回采期間采動覆巖的變形機(jī)理、巖移規(guī)律和破壞模式進(jìn)行了卓有成效的研究工作。

筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，以某礦西三采區(qū)16223典型地質(zhì)工作面13-1煤的安全開采為工程背景，通過相似材料模型試驗(yàn)研究典型地質(zhì)條件下采動覆巖的失穩(wěn)破壞機(jī)制、圍巖轉(zhuǎn)載的位移形變特征和采動應(yīng)力的時(shí)空演化效應(yīng)，為后續(xù)工作面的安全開采和圍巖防控奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 工程地質(zhì)背景

某礦16223工作面位于西三上部采區(qū)，東起西三采區(qū)上山，西至潘三-丁集礦井井田邊界，北至F20-1斷層，南至F20-1斷層以南350 m。東部的西三11-2煤皮帶機(jī)上山和西翼回風(fēng)上山正在施工，南部下伏11-2煤16421運(yùn)順正在掘進(jìn)。工作面走向長1 450 m，傾斜長236 m。該面煤層以13-1煤為主，煤層厚度3.1～5.0 m，平均煤厚3.9 m。煤層傾角2°～15°，平均傾角7°，賦存穩(wěn)定。煤層總體呈單斜狀，面內(nèi)發(fā)育一組寬緩的向斜、背斜，軸向南西傾伏，且工作面軌順端切眼緊鄰Fd2正斷層布置，將對工作面生產(chǎn)產(chǎn)生一定的影響。工作面地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地溫地壓突出，瓦斯含量較大，正逆斷層錯(cuò)綜分布，工作面總計(jì)22條斷層，包括15條正斷層，7條逆斷層，礦井涌水量大，巖層裂隙發(fā)育，連通性及富水性弱，屬于比較典型的復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境。工作面直接頂為頁巖、泥巖、砂巖等組成的復(fù)合頂板，平均厚度4.3 m；基本頂為細(xì)砂巖，平均厚度10.3 m。工作面采用全部垮落法管理頂板。

2 相似模型試驗(yàn)

2.1 相似原理

相似材料模型試驗(yàn)?zāi)軌蚓唧w真實(shí)地反映模擬原型的物理性能和力學(xué)性質(zhì)，再現(xiàn)圍巖失穩(wěn)變形破壞的遞變演化過程，彌補(bǔ)現(xiàn)場監(jiān)測的不足，可以對計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行有效驗(yàn)證，是研究采礦工程復(fù)雜難題的重要方法[9]。模型試驗(yàn)需根據(jù)相似原理和相似類比理論，依托現(xiàn)場原型的工程地質(zhì)背景，開展類似圍巖結(jié)構(gòu)平面模型構(gòu)筑巖體下的采場覆巖變形破壞試驗(yàn)研究工作。

2.2 模型設(shè)計(jì)

相似模型試驗(yàn)在二維平面模型架上進(jìn)行，按1：100的幾何比制作模型。模型的幾何尺寸設(shè)計(jì)為3.0 m×0.3 m×1.4 m(長×寬×高)，相當(dāng)于模擬140 m的巖層結(jié)構(gòu)。依照相似理論和量綱界定的要求，以相似常數(shù)及現(xiàn)場條件(頂、底板巖層的厚度、巖性及強(qiáng)度等)為依據(jù)換算成模型中的具體參數(shù)，制定對應(yīng)的材料配比。試驗(yàn)選取細(xì)砂為骨料，以石灰和石膏為膠結(jié)物，為了準(zhǔn)確獲取相似材料配比參數(shù)，特地選擇大量巖石試塊進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，并經(jīng)反復(fù)調(diào)整，最終獲得各層相似材料的最佳配比表如表1所示。依據(jù)最佳配比表確定材料配比、容重、分層厚度及模型尺寸用量情況，據(jù)此制作試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，試?yàn)過程中可在各分層間鋪撒云母粉以利于層間觀測。

表1 工作面現(xiàn)場條件與模擬參數(shù)對比表

根據(jù)工作面巖層的最優(yōu)配比制作配料，按層鋪設(shè)?？紤]到當(dāng)時(shí)的氣候特點(diǎn)和氣溫因素，模型堆放一周左右，晾曬風(fēng)干后添加前后擋板。圍巖荷載以鐵塊配重的方式分3次垂直加載，前后間隔8 h左右。配重加載過程中，為避免一次加載過大導(dǎo)致模型失穩(wěn)，應(yīng)注意觀察模型巖層的結(jié)構(gòu)變化，加載速度不宜過快，實(shí)現(xiàn)均勻加載?；夭汕皽y量巖層位移作為基礎(chǔ)變化量，方便對比分析。

2.3 測點(diǎn)及測線布置

(1)應(yīng)力測點(diǎn)布置。本次應(yīng)力監(jiān)測采用壓力盒匹配應(yīng)力傳感器為CM-1A-10的電阻應(yīng)變儀，用于觀測煤巖的應(yīng)力變化規(guī)律，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用7v14數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(包括數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)通訊設(shè)備、計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)分析軟件包)，可以直接將傳感器測量的數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，并進(jìn)行動態(tài)采集和分析。應(yīng)力采集系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 應(yīng)力采集系統(tǒng)

鋪設(shè)模型時(shí)分別在煤層頂板的細(xì)砂巖中部和砂質(zhì)泥巖底部埋設(shè)壓力盒，壓力盒共埋2層，每層第一個(gè)壓力盒從模型左側(cè)60 cm處(距離開切眼10 cm)開始布置，間隔30 cm逐次埋入壓力盒，每層鋪設(shè)7個(gè)壓力盒，總共鋪設(shè)14個(gè)壓力盒，壓力盒編號依次為1#～14#。模型加載前后各觀測一次，作為基準(zhǔn)；開挖前后各觀測一次，通過電阻應(yīng)變儀獲取應(yīng)變，再經(jīng)標(biāo)定曲線計(jì)算出應(yīng)力數(shù)值，兩者對比得出開采期間的應(yīng)力變化，繼而得出現(xiàn)場的有關(guān)規(guī)律。

(2)位移測線布置。在模型表面采用十字布點(diǎn)法布置位移測點(diǎn)，采用電子經(jīng)緯儀對測點(diǎn)進(jìn)行位移觀測。在煤層上方的細(xì)砂巖底部、砂質(zhì)泥巖底部和花斑泥巖中部分別布置1號、2號和3號位移測線，每條測線布置25個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)間的水平間距均為10 cm，3條觀測線共計(jì)75個(gè)測點(diǎn)。模型左側(cè)開采線50 cm，右側(cè)停采線50 cm，開采線從左至右開始布置測點(diǎn)。同時(shí)在支架底端布置控制點(diǎn)，由于模型每2 h開采一次，采高4 m，一次推進(jìn)5 cm，共分40次采完，因此觀測頻率設(shè)置為工作面每推進(jìn)20 cm，即每開采4次做一次觀測。測線布置示意圖如圖2所示。

圖2 測線布置示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 頂板破壞規(guī)律

煤層采出后，采空區(qū)周圍原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，引起應(yīng)力的重新分布，導(dǎo)致煤層頂板發(fā)生變形、破壞和移動。對模型試驗(yàn)的開挖過程進(jìn)行追蹤觀測發(fā)現(xiàn)：采動覆巖的變形破壞是一個(gè)漸進(jìn)發(fā)展和循序破壞的失穩(wěn)過程，經(jīng)歷了初始階段的突發(fā)性破壞、中期階段的間斷性破壞和后期階段的延展性破壞3個(gè)時(shí)期。煤層開采后，將首先引起直接頂垮落。當(dāng)工作面推進(jìn)到25 m時(shí)，直接頂開始垮落，垮落高度為1.2 m。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，老頂懸露面積越來越大，當(dāng)懸露面積達(dá)到極限跨距時(shí)，老頂斷裂形成三鉸拱式平衡，同時(shí)發(fā)生破斷巖塊的回傳失穩(wěn)，頂板出現(xiàn)臺階下沉[11]。

當(dāng)開挖到45 m時(shí)，地質(zhì)因素的影響開始顯現(xiàn)，基本頂發(fā)生初次斷裂并相繼垮落，垮落后的工作面前方頂板呈懸臂狀，后方呈倒臺階狀?；卷敵醮螖嗔阎螅ぷ髅胬^續(xù)向前開挖，開挖到60 m時(shí)老頂發(fā)生二次斷裂，斷裂步距約為15 m；老頂斷裂后，距煤層頂板8～10 m的巖塊形成鉸接巖梁，工作面煤壁后方5～10 m的頂板巖體斷裂形態(tài)呈倒臺階狀。在煤層不斷的開挖過程中，巖體的變形破壞不斷向前、向上發(fā)展，并出現(xiàn)周期性的斷裂和垮落。

當(dāng)工作面推進(jìn)到100 m時(shí)，煤層頂板層間裂隙增加明顯，出現(xiàn)離層，且隨著工作面推進(jìn)度的增加離層量逐漸增大，裂隙發(fā)育向覆巖上部和水平層面遠(yuǎn)處擴(kuò)展，貫通區(qū)位于裂隙帶上部區(qū)間，貫通方向由近及遠(yuǎn)、由下而上，覆巖破壞的結(jié)構(gòu)模式由梁式結(jié)構(gòu)向類拱形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，后期在拱形平衡結(jié)構(gòu)的抑制作用下離層發(fā)育漸趨平緩，巖層運(yùn)動趨于穩(wěn)定。煤層開采過程中，覆巖變形垮落的形態(tài)演變特征如圖3所示。

圖3 頂板垮落演變形態(tài)

3.2 覆巖變形特征

隨著工作面的不斷推進(jìn)，采場圍巖時(shí)刻處于動態(tài)變化過程。巖層運(yùn)移會導(dǎo)致其產(chǎn)生縱向變形，發(fā)生頂板下沉，形成下沉盆地。巖層內(nèi)部下沉盆地的范圍受采動影響較大，隨著開采空間的不斷變化，下沉盆地的形狀由碗狀變?yōu)椴坌妥詈筮^渡到平底盤狀。開采寬度較小時(shí)，下沉盆地呈對稱分布，隨著開采寬度不斷增大，下沉盆地也由原來的對稱分布變?yōu)椴粚ΨQ分布，下沉值逐漸增大。

圖4～圖5所示的動態(tài)下沉曲線反映了頂板不同測點(diǎn)在開采過程中的位移變化特征。選取具有代表性的1號和2號位移測線進(jìn)行對比分析，可發(fā)現(xiàn)隨著工作面推進(jìn)度的增加，巖層頂板下沉趨勢明顯，其中1號觀測線14號觀測點(diǎn)的最大下沉值為37.5 mm，2號觀測線40號觀測點(diǎn)的最大下沉值為34.2 mm，說明離煤層頂板的距離越遠(yuǎn)，下沉值越小，下沉曲線越傾向于平底盤狀，巖層的位移變化趨勢較為緩和，覆巖活動趨于穩(wěn)定。

圖4 1號位移測線動態(tài)下沉曲線

圖5 2號位移測線動態(tài)下沉曲線

圖6 1號測線不同測點(diǎn)的垂直位移曲線

圖7 2號測線不同測點(diǎn)的垂直位移曲線

圖6～圖7所示為頂板不同測點(diǎn)隨工作面推進(jìn)度的位移變化關(guān)系，1號和2號兩條位移測線的垂直位移曲線均呈折線形分布。1號測線的測點(diǎn)5、8、13、17、21分別是位于煤層上方8 m的細(xì)砂巖底部距開切眼20 m、50 m、100 m、140 m和180 m的位置，2號測線的測點(diǎn)30、33、38、42、46分別是位于煤層上方35 m的砂質(zhì)泥巖底部距開切眼20 m、50 m、100 m、140 m和180 m的位置。據(jù)圖分析，隨著測點(diǎn)距開切眼位置的后移，位移曲線相應(yīng)向后推移，具有明顯的延伸趨勢。測點(diǎn)位置距開切眼距離越近，位移曲線下降的趨勢越為明顯，也較快達(dá)到穩(wěn)定[12]。1號測線距煤層頂板較近，位移變化較為明顯，2號測線布置在1號測線上方，位移變化滯后于1號測線，受開采時(shí)間和開采空間的影響，兩條測線不同測點(diǎn)的位移變化具有自身的規(guī)律性，且覆巖的失穩(wěn)變形表現(xiàn)出非線性和不連續(xù)性特征。

3.3 應(yīng)力演化規(guī)律

煤層開挖活動引起頂板垂直應(yīng)力的重新分布和發(fā)展演化，模型試驗(yàn)通過布置在巖層中的壓力盒記錄煤層開采過程中采場頂板支承壓力的變化數(shù)值，通過繪圖軟件得到圍巖應(yīng)力的分布規(guī)律，如圖8所示。由圖8可知，當(dāng)工作面開采到130 m時(shí)，垂直應(yīng)力的最大值達(dá)到26 MPa，即支承壓力的峰值為26 MPa，各測點(diǎn)監(jiān)測到的垂直應(yīng)力平均值為23 MPa，工作面走向的應(yīng)力集中系數(shù)平均為1.6。模擬工作面超前影響范圍在60 m左右，距煤壁30 m左右時(shí)，影響劇烈程度增大，支承壓力的峰值趨向分布在15～25 m處。透析煤層頂板應(yīng)力場的時(shí)空演化規(guī)律可知，頂板應(yīng)力在巖層活動的不同時(shí)期存在明顯的應(yīng)力分區(qū)，即應(yīng)力降低區(qū)、過渡區(qū)及應(yīng)力增高區(qū)。在工作面處由于受到工作面頂板應(yīng)力拱平衡結(jié)構(gòu)的影響，圍巖應(yīng)力一直處于應(yīng)力降低區(qū)，應(yīng)力集中程度較小。而在工作面后方10～20 m處，圍巖應(yīng)力處于應(yīng)力增高區(qū)，應(yīng)力增幅明顯，集中程度較大。相比處于過渡區(qū)的圍巖而言，由于處在應(yīng)力降低區(qū)和增高區(qū)的緩沖區(qū)域，頂板應(yīng)力變化較為緩和，應(yīng)力分布呈現(xiàn)出明顯的不均勻性。

圖8 煤層頂板垂直應(yīng)力的變化曲線

4 結(jié)論

通過相似材料模型試驗(yàn)對典型地質(zhì)條件下的厚煤層綜采工作面采動期間覆巖斷裂場、頂板位移場和圍巖應(yīng)力場的時(shí)空演變規(guī)律進(jìn)行研究，可以得出如下結(jié)論：①采動覆巖的變形破壞是一個(gè)漸進(jìn)發(fā)展和循序破壞的失穩(wěn)過程，具有初始破壞的突發(fā)性、中期破壞的階段性和后期破壞的延展性特征。覆巖裂隙發(fā)育和貫通過程呈現(xiàn)方向性和區(qū)間性特點(diǎn)，裂隙發(fā)育向覆巖上部和水平層面遠(yuǎn)處擴(kuò)展，貫通區(qū)位于裂隙帶上部區(qū)間，貫通方向由近及遠(yuǎn)、由下而上。②采動覆巖的傳載運(yùn)移受開采時(shí)間和開采空間的影響顯著，位移變化量具有自身的規(guī)律性，覆巖的失穩(wěn)變形表現(xiàn)出非線性和不連續(xù)性特征。③圍巖應(yīng)力在巖層活動的不同時(shí)期存在明顯的應(yīng)力分區(qū)，即應(yīng)力降低區(qū)、過渡區(qū)及增高區(qū)。位于過渡區(qū)內(nèi)的緩沖期圍巖，應(yīng)力變化較為緩和，應(yīng)力分布呈現(xiàn)出明顯的不均勻性特點(diǎn)。

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WANG Xinfeng:Lect.; College of Environment and Resources, Xiangtan University, Xiangtan 411105,China.

Experimental Study on the Deformation and Failure Law of Overburden Rock under the Typical Geological Conditions

WANG Xinfeng, LI Longqin, QIU Yingui

In order to study the law of overlying strata movement and roof breaking mechanism in mining process of thick coal seam under typical geological conditions, taking the thick coal seam mining in 16223 working face of one coal mine under typical geological conditions as the engineering background, based on similarity theory and dimensional analysis theory, similarity model test was used to study roof breaking process and collapse shape,the deformation characteristics of overburden and stress evolutionary law in mining process of working face. The research shows that in the thick coal seam, the overlying strata of the coal bed have the characteristics of burst of initial failure, the stage of medium damage and extension of late damage. The fracture development and the process of penetrating are presented with the characteristics of orientation and interval. The instability of the overlying rock shows nonlinear and discontinuous deformation. Roof stress has obvious stress zoning and uneven characteristics in different periods of rock activity. The research conclusions can provide reference for developing coal seam mining technology and constituting formation control measures under typical geological conditions.

typical geological; mining overburden; damage law; model test; strata control

2095-3852(2017)03-0275-06

A

2016-12-30.

王新豐(1988-)，男，安徽亳州人，湘潭大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院講師，博士，主要研究方向?yàn)椴蓜訋r體力學(xué).

巖土力學(xué)與工程安全湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(16GES10)；湘潭大學(xué)自然科學(xué)基金項(xiàng)目(15XZX41)；湘潭大學(xué)博士科研啟動基金項(xiàng)目(15QDZ49).

TD32

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.03.007