大倾角煤层开采覆岩破断机制研究*

肖家平，杨 科，刘 帅，周 波

(1.淮南职业技术学院 能源工程系，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001)

0 引言

研究大倾角煤层(埋藏倾角为35°～55°的煤层)覆岩破断过程及垮落形态是矿井顶板冒落、支护系统失稳等灾害防治的理论基础[1-2]，特别是对生态脆弱矿区的地表再绿化具有重要的现实指导意义。国内外专家学者采用不同的研究方法，对覆岩破断规律进行了大量的研究，为大倾角煤层开采提供了理论基础与现场借鉴。

关于不同条件下的大倾角煤层开采覆岩破断过程，石平五等[3]研究了大倾角特厚煤层开采过程中围岩的破坏过程，实现了国内西北地区采空区上部的地表绿化；高明中等[4]研究了厚冲积层大倾角煤层群开采岩体破断运移特征；丁德民等[5]对大倾角煤层充填开采条件下不同开采方式对覆岩破断的影响进行了分析；Kulakov[6]，Bodi[7]基于现场宏观现象，探讨了坚硬顶板下覆岩破断后顶板安全控制问题；周波等[8-10]研究了顶板三维板梁结构的传力机制及其承载能力特征，提出了破碎煤巷围岩预强化技术。上述研究止于对覆岩破断现象的再描述，对大倾角煤层覆岩内部的非对称破断机理还需进一步深入研究。

近年来，许多研究手段被用来分析覆岩破断过程中的顶板断裂形态，取得了较好的效果。例如，王金安等[11]、施峰等[12]基于弹性力学薄板理论计算方法，得到了大倾角煤层开采基本顶破断过程；王红伟[13]借助相似模拟试验研究了大倾角煤层开采上覆岩层非对称的变形垮落形态；高会春等[14]利用数值计算软件定量分析大倾角煤层覆岩运移规律，对最大颗粒位移量和地表最大沉降量进行量化分析,得到了这2个变量与走向方向推进长度的多项式函数关系；张宏伟等[15]、张勋等[16]运用多手段得到了特厚煤层分层开采覆岩破坏规律。以上各种研究手段为大倾角煤层覆岩破断演化过程的精准分析提供了便利。

上述研究丰富了大倾角煤层开采理论，得到了覆岩破断的宏观特征，提高了工作面的回采安全，但却没有解释大倾角煤层覆岩破断的内在机制。因此，本文通过数值模拟、相似模拟和理论计算，对大倾角煤层开采覆岩破断机制进行了研究， 旨在揭示大倾角煤层开采上覆岩层的破断、垮落、充填内在机制。

1 工作面地质与工程条件

潘二煤矿1212(3)工作面为13-1煤层首采面，地质构造为简单单斜构造，煤层倾角35°～45°，倾角平均值为40°，工作面标高-495～-375 m，工作面沿倾斜方向布置。采用倾斜分层内错式采煤法，分2层回采，上分层工作面宽度为120 m，下分层工作面宽度为100 m，走向长650 m，煤层平均厚为5 m，上分层开采2 m，下分层开采3 m，工作面开采设计如图1所示。

图1 工作面开采设计Fig.1 Working face mining design

2 覆岩破断的非对称特征

根据相似材料模拟实验以及数值模拟分析，大倾角煤层回采后，受煤层倾角影响，在工作面两端(上回风巷、下运输巷)形成应力集中区，且上端岩层采动应力集中区较下端应力集中区范围更大。在工作面上覆岩层形成应力释放区，且工作面中上部区域的应力释放区范围明显大于下部的应力释放区，呈现出顶板应力场的非对称分布规律。

受煤层倾角的影响，围岩变形破坏、垮落运移亦呈现出非对称特征。当煤层回采后，直接顶、基本顶及上覆岩层失稳形成冲击载荷的频次和量级增大，覆岩破坏范围和破碎程度自上位岩层至下位岩层加剧。顶板冒落矸石向工作面后方滑、滚运动特征明显，工作面倾向下部区域采空区充填压实程度大，工作面下部出现阶梯状的关键块承载结构，如图2所示。

3 覆岩非对称特征形成机理

3.1 覆岩变形力学分析

大倾角煤层采出后，直接顶随移架垮落、滑移，工作面中上部区域直接顶冒落、下滑，充填下部采空区，并在上覆未垮落岩层载荷作用下逐渐压实，首先形成如图3(a)所示的工作面充填压实结构。1212(3)工作面首采上分层工作面，形成覆岩垮落、滑移空间，同时由于工作面倾向长度(120 m)和走向长度(650 m)都较大，直接顶跨落后，可认为基本顶达到极限跨距时，只要其下方存在一定的自由空间，基本顶将发生断裂失稳。

图2 覆岩应力场及垮落特征Fig.2 Overburden stress field and collapse characteristics

由于基本顶厚度远小于走向长度，可以将其简化为矩形薄板。利用弹性力学中已相对成熟的小挠度薄板理论，结合直接顶垮落矸石对工作面下部的充填效应，建立如图3(b)所示的基本顶破断力学模型。x轴为沿煤层的走向，y轴为沿煤层倾斜方向。a1为基本顶沿倾斜方向长度，m；b为基本顶沿走向方向长度，m。工作面回采初期直接顶尚未垮落，较完整，模型简化为四边固支的边界条件，运用能量法中的Rayleigh-Ritz法进行计算。

选取的基本顶挠曲函数ω为：

(1)

边界条件为：

(2)

式中：ω为基本顶挠曲函数；cmn为挠曲函数待定系数；m，n为双重三角级数，一般取1；x，y，a1，b等意义同前。

对于四边固支的薄板，变形能U为：

(3)

对于板面上的载荷，其所作的功W为：

(4)

则薄板势能为：

(5)

利用最小势能原理， ∂∏/∂cmn=0，可求得：

(6)

则挠曲线函数表达式为：

(7)

式中：E为岩层的弹性模量，MPa；h为基本顶岩层厚度，m；μ为泊松比；q1为薄板受到的外部载荷，MPa；α为煤层倾角，(°)。

图3 基本顶力学模型Fig.3 Basic top mechanical model

应用弹性力学薄板理论对基本顶挠度进行分析，普遍认为挠度最大区域为薄板首先变形断裂位置。基本顶岩层受拉出现断裂裂纹，裂纹处应力释放，能量由断裂裂纹向基本顶两边转移，出现大小不同的应力峰值，且在破断的瞬间应力值大于原岩应力。由式(7)可知，基本顶薄板首先在偏中上部区域破断，形成断裂裂纹。由于基本顶下部存在足够的自由空间高度，断裂裂纹两侧将受压继续变形失稳。此时，基本顶断裂裂纹两侧薄板边界条件变为“三边固支、一边简支”的矩形薄板，如图4所示。

图4 基本顶首次断裂后模型Fig.4 Model of the basic top after the first fracture

3.2 覆岩破断机理分析

若基本顶上、下部第2次出现破断裂纹，在覆岩载荷作用下，此裂纹与第1次破断裂纹之间的岩体失去承载作用发生垮落、滑移，充填采空区，如图5(a)所示。

同理，若基本顶上、下部第3次出现破断裂纹，悬露岩体失去承载作用，岩块垮落滑移，第2次充填采空区，如图5(b)所示。

那么，若基本顶上、下部薄板第n次出现破断裂纹，悬露岩体失去承载作用，岩块跨落滑移，第n-1次充填采空区。

图5 基本顶断裂演化示意Fig.5 Schematic diagram of the basic top fracture evolution

根据上述对基本顶垮落过程的分析可知，垮落过程具有时序性(时间和顺序)。现对上述垮落过程作如下解释：

1)基本顶的每次破断都伴随着破断处应力的释放与基本顶破断两侧较完整岩体能量的吸收，形成应力集中。在上覆岩层载荷及此集中应力的影响下，自n-1(n>2)次破断起，基本顶上、下部薄板挠度往基本顶第1断裂裂纹方向转移，如图4、图5所示。

2)基本顶的每次破断滑移都对工作面下部充填，致使下部充填区域增大，在破断至n-1(n>2)次时，下部充填区域增大至基本顶不存在薄板结构而停止破断，在工作面下部形成第一关键块承载结构，上部沿断裂线形成最终断裂结构，如图6(a)所示。

3)在基本顶破断至n-1(n>2)次时，基本顶上覆岩层悬露，上覆岩层继续出现断裂裂纹，即倾向高度上也存在岩层破断的时序性，如图6(b)所示。

4)根据上述大倾角工作面倾向破断机理分析可知，工作面上覆岩层的破断是相互影响，相互联动的时序性破断(联动时序性破断)，最终形成大倾角煤层倾向的非对称破断特征，如图6(c)所示。

4 讨论

研究表明，大倾角煤层开采形成的非对称破断形态与各岩层形成关键块体的机理有着直接关系，同时，关键块体形成的拱形承载结构对工作面的稳定性至关重

图6 覆岩非对称拱结构演化Fig.6 Evolution of asymmetrical arch structure of overlying rock

要。由于大倾角煤层赋存条件的复杂多变(巨厚砂岩直覆、上覆无坚硬岩层)，保证各赋存条件下工作面的安全回采显得尤为重要。根据关键块体形成机理，建立上述2种赋存条件下大倾角煤层回采顶板破断模型，如表1所示。

对2种模型作如下解释：

1)根据上覆岩层破断的联动时序性破断效应，工作面下位顶板破断只存在单层岩层间的联动破断，破断过程中逐渐拨露上覆足够厚的、具有较强抗变形能力的岩层(巨厚砂岩)。由于巨厚砂岩的存在，倾斜方向上下岩层的破断无联动效应与时序性，没有形成具有承载结构的破断拱，进而随工作面的推进，巨厚砂岩顶板达到极限弯矩，发生破断，冲击工作面，发生动力灾害(冲击地压)，模型如图7(a)所示。同时根据上述分析，若上下岩层发生联动时序性破断，则岩层不易太厚，强度不易过高。因此采用深孔预裂爆破技术，使巨厚砂岩变为较多薄岩层，促使联动时序破断的发生，在岩层破断至高位关键层时停止发育，形成稳定的拱形承载结构。

2)软弱岩层的抗变形能力较弱，相较硬岩层的联动时序性破断效应从速度和发育高度都较大，模型如图7(b)所示，若煤层埋深较浅，破断效应则会发育至地表，出现塌陷，危及地表建筑物等，若发育至河流流域，水流沿裂隙倒灌至工作面，危及工作面工人及设备安全。因此，需人为控制破断的速度与高度，使之形成较稳定的承载拱形形态。采用充填开采技术(充填采空区)，减小工作面倾向上部的空顶区域，对上覆岩层起到支撑作用，减小岩层的悬顶距，使上位岩层充当关键层的作用，进而形成非对称拱形结构。

图7 不同顶板条件覆岩破断模型Fig.7 Overburden fracture model of different roof conditions

5 结论

1)根据薄板理论，大倾角工作面基本顶由“四固支”向 “三固支、一简支”边界条件转变，中上部挠度最大，易产生以拉破坏为主的断裂裂纹，断裂裂纹逐渐向基本顶两侧及相邻岩层演化。

2)在上覆岩层载荷和断裂裂纹两侧集中应力作用下，基本顶两侧未破断岩层及上覆岩层再破断，表现出联动时序性破断特征，并充填采空区，形成以关键块构成的大倾角非对称拱形承载结构。

3)采用预裂爆破技术激发巨厚砂岩顶板工作面的联动时序性破断，利用充填开采技术阻止软弱顶板工作面的联动时序性破断，可促使关键块组成的拱形承载结构形成，保证大倾角工作面安全回采。