采场坚硬顶板破断特征试验及分析

屠记东

安徽理工大学矿业工程学院 安徽 淮南 232001

长久以来，煤炭一直作为我国的主要能源资源，且在短期内煤炭的消费占比也不会大幅度下降[1][2]。综合机械化放顶煤开采让采煤工作面的生产更加高效，但是同时这种开采方法也可能会造成工作面矿压显现剧烈，在厚煤层和顶板坚硬两种影响同时存在的情况下，矿压显现现象也会更加突出[3]。

近年来，众多学者采用了理论分析、相似模拟试验和数值模拟等方法研究顶板破断规律及控制措施，并取得了许多成果[4-6]。钱鸣高等[7]以开采覆岩移动实测曲线为基础，建立岩块铰接力学模型，得到砌体梁结构的合理性，认为砌体梁结构稳定性取决于离层区上方铰接岩块，提出岩层内部位移曲线的方程；张宏伟等[8]基于关键层和材料力学相关理论研究了同忻煤矿8100 综放工作面开采过程中覆岩破坏特征，揭示了主关键层和亚关键层对覆岩破坏的发育起着扼制和控制作用，并通过数值模拟等方法证明了其正确性；黄庆享等[9]通过物理相似模拟试验，揭示了大采高采场直接顶变厚以及顶板结构铰接点向上移动的机理，对“等效直接顶”进行了定义并建立了“双关键层”理论，为顶板控制提供理论依据。

综上所述，我国在顶板破断方面取得了很大研究成果，但在坚硬顶板破断规律方面研究较少，因此本文开展基于分布式光纤传感技术下的厚煤层综放开采相似模拟试验，研究掌握了坚硬顶板破断规律，对分布式光纤在相似模拟试验应用中提供了参考。

1 工程背景

涡北矿8205工作面位于82采区下部，其由风巷、机巷、切眼等巷道所构成，标高范围在－674.1 - －731.2m内，东侧为回采完毕的8204工作面。8-1煤厚3.8-6.3m，平均4.8m。8-2煤厚2.6-4.8m，平均3.5m，两层煤间含灰色块状泥岩夹矸，厚为0.8-6.0m，平均2.5m。8煤组老顶为粉~细砂岩，厚21.11-24.25m，平均22.9m。以此为例构建厚煤层模型相似模拟试验模型，从而研究坚硬顶板破断规律具有很大意义。

2 相似模拟试验方案

2.1 相似配比方案

以涡北矿回采的8#煤层所在工作面为对象，建立模型，模型岩层力学参数如表1所示。

表1 相似模型主要岩层参数确定表

根据相似原理、实际条件及实验室情况，确定几何相似参数Cl=0.01；容重相似比Cr=0.6；应力相似比Cσ=0.006，根据大量试验选择合适的相似材料及正确的配比铺设试验模型。

2.2 试验方案

按照相似参数制作相似模拟模型，设计模型尺寸长×宽×高=300cm×30cm×140cm，试验模型的岩层按照工作面综合钻孔柱状图设计。模型开采前在相似模型的左右两侧各预留20m煤柱，试验从右边开始用工具切割模型煤层，首先对82煤进行切割，高度为3.5cm，等同于实际现场高度3.5m，第一次开挖不放顶，后续割82煤放前顶，包括81煤和夹矸泥岩，高度共7.5cm，等同于实际现场高度7.5m。对试验模型两小时开挖一次，每次向前掘进10cm，等同于实际现场掘进10m，一直持续掘进直至停采线。

本次模拟试验运用了分布式光纤观测，光纤观测线被设置在81煤上方10m的老顶砂岩中，其水平放置平行于模型岩层，如图1（a）所示。本次试验共计布设位移测点435个，每个位移测点使用方形纸片，再由大头针固定在模型表面的对应位置上，后续使用GetDate软件取点并对比监测各测点移动量，监测基准取位移测点十字线中心。上覆岩体的应变规律监测采用光纤解调仪对光纤数据进行采集和处理，图1（b）。根据上述方法监测开挖过程中模型内任意点的应变和位移。

图1 光纤布置及监测仪器图

3 相似模拟试验结果分析

为了观察煤层开采上覆岩层裂隙发育规律，在相似模拟试验过程中通过相机拍摄的每次开挖前后的照片以对比分析，顶板首先产生离层裂隙，再先后出现顶板破断、裂隙萎缩发育、采空区压实等过程。

3.1 顶板破断规律分析

8#煤层从开切眼处开始掘进，离层裂隙在工作面掘进至30m处时在直接顶出现；推进70m位置时，工作面直接顶失稳，直接顶发生第一次垮落且原有裂隙进一步扩展；推进到80m位置时，基本顶初次破断，原有离层裂隙消失，代表这时工作面迎来初次来压即初次来压步距为80m，随着基本顶初次破断，未破断的顶板出现弯曲下沉现象，随着顶板破断也会在工作面上产生新的裂隙，基本顶在采场掘进至110m时发生第二次破断，代表这时工作面迎来第一次周期来压现象，顶板出现明显下沉现象，后续再随着工作面不断向前掘进，顶板破断垮落的范围逐渐变大，周期来压步距平均为25m推进260m位置时到达终采线，开挖完毕静置两小时后，停止开挖，模拟结束，此时观察发现覆岩整体下沉明显，覆岩呈现出规律的倒台阶垮落形态。

图2 煤层开采过程模型图

由图可见坚硬顶板工作面来压较晚，随着工作面推进，顶板难以垮落出现悬空状态，随着继续掘进顶板的悬空部分越来越长。采场掘进至70m时，直接顶出现垮落，但是坚硬顶板依旧保持悬空状态，工作面继续掘进到极限破断距80m时，坚硬顶板发生破断，垮落岩体整块掉落在工作面且仍有较高的完整性，裂隙在坚硬顶板破断垮落时有明显发育，之后随着工作面掘进进入周期来压，坚硬顶板依次垮落，由之前垮落岩体支撑，且采空区空间逐渐变小。

随着工作面开采距离增大，裂隙的形态也更明显。由垂直方向观察裂隙场可以看出其延伸趋势明显为从下往上，随着工作面推进到一定距离，离层裂隙会发生跳跃，这意味着此时采场迎来了较大的矿压显现现象；由水平方向观察可得裂隙随着工作面掘进从左向右延伸，裂隙场左边起始于切眼处向右煤壁处延伸，分析可见，坚硬顶板裂隙演化与其他裂隙场演化有相同之处和特殊之处。相同的地方是采场的裂隙都与采场向前开采距离正相关，向前开采距离越大，裂隙演化也会更加鲜明；特殊之处在于厚煤层坚硬顶板的裂隙演化与顶板破断有密切联系，在坚硬顶板未垮落时，裂隙发展较缓慢，但是坚硬顶板一旦垮落，会产生强烈冲击力，覆岩失稳的范围也会变大，也对于裂隙的产生与发育有促进作用。

3.2 分布式光纤监测分析

模型铺设时采用分布式光纤监测，并由光纤解调仪实测了掘进过程中岩层的应变变化情况。分布式光纤监测的关键在于将传感光纤埋入试验模型岩层内部，基于布里渊光时域反射技术，使用光纤作为监测元件和信号传输介质，在岩层与光纤同步变形的环境下进行应力应变测试，从而监测出模型岩层对应位置光纤的应变改变。相似模拟试验过程中由光纤解调仪测出的光纤数据如图3所示。

如图所示，光纤应变曲线在掘进至70m时发生明显变化，光纤两处应变突增，曲线出现两处峰值，左侧峰值略有起伏无较大变化。随着工作面向前掘进，顶板不断垮落，覆岩出现水平离层裂隙，此时光纤承受点载荷作用，水平张拉裂隙位置的光纤承受的拉应力发生激增，所以应变曲线右侧出现峰值且随着掘进距离增大逐渐向右移动。相似模型左侧的的顶板破断时为整块掉落，而右侧岩层首先经历弯曲变形的情况，达到周期来压步距时覆岩坚硬顶板再发生坍塌，所以后续光纤应变曲线峰值大小呈周期变化且在覆岩破断前曲线峰值到达最大。

图3 模型煤层开采过程光纤应变曲线

4 结论

根据相似模拟试验的方法模拟涡北矿8205工作面的开采过程中顶板破断规律、裂隙场演化规律，得到以下主要结论：

(1)坚硬顶板工作面来压较晚，随着工作面推进，顶板难以垮落出现悬空状态，先发生直接顶破断，到达极限破断距时坚硬基本顶发生了破断垮落，坚硬顶板发生破断时，垮落岩体整块掉落在工作面且仍有较高的完整性。由之前垮落岩体支撑，随距顶板距离的增加，下沉量逐步减小。

(2)在坚硬顶板未垮落时，裂隙发展较缓慢，但是坚硬顶板一旦垮落，会产生强烈冲击力，覆岩失稳的范围也会变大，也对于裂隙的产生与发育有促进作用。

(3)随着工作面向前掘进，顶板不断垮落，覆岩出现水平离层裂隙，此时光纤承受点载荷作用，水平张拉裂隙位置的光纤承受的拉应力发生激增，所以应变曲线出现峰值。相似模型左侧的的顶板破断时为整块掉落，而右侧岩层首先经历弯曲变形再发生坍塌，所以后续光纤应变曲线峰值大小呈周期变化且在覆岩破断前曲线峰值到达最大。