综放采场上下位岩层结构相互作用对垮落带分布影响的研究①

李红涛

(华北科技学院 安全工程学院，北京东燕郊 101601)

综放开采已经成为我国厚煤层正规开采的主要采煤方法。综放开采时，砌体梁结构仍然存在，但其位置远离采场，并在下位岩层的上部中，可形成“散体拱”结构［1］，“散体拱”结构相对于上位岩层砌体梁而言被称之为小结构，文献［2］的研究认为下位岩层形成的“散体拱”结构构成了综放采场覆岩不规则垮落带和规则垮落带［3］的分界线，同时该结构对采场有一定的影响。综放采场砌体梁大结构和其下位“散体拱”小结构的同时存在，随着开采的不断进行两者相互影响是必然的。

因此，本文将以下位岩层形成散体拱为前提，深入探讨上位岩层结构和下位岩层拱结构的相互作用对不规则垮落带和规则垮落带的影响。

1 上覆岩层垮落后综放采场围岩系统

众所周知，采场围岩系统主要是指上位岩层和下位岩层。传统的矿山压力理论都是视下位岩层为刚体［4］，即认为上位岩层的变形可以经由下位岩层全部传递给采场，并由此来确定顶板下沉量等采场参数。然而，实践证明在放顶煤开采时，这与实际有较大的误差。借鉴目前的研究成果并考虑下位岩层散体拱结构的存在，综放采场围岩支承系统如图1所示，主要由工作面液压支架、下位岩层散体拱结构、采空区已压实矸石、工作面前方煤体和上位岩层等五部分组成。

1.1 上覆岩层垮落后综放采面围岩分区

依据综放开采时工作面上覆岩层运动的特点和在开采过程中排放顶煤的特殊性，可以将上覆岩层已经垮落后的综放采面围岩空间大致分为五个区域［6］。

图1 上覆岩层垮落后采场围岩状况图

相似模拟实验具有直观再现煤层采出后上覆岩层变形、破断和冒落全过程的特点，通过对综放采场的相似模拟，放顶煤开采采场覆岩运移状况如图1所示，由图1可以看出，随着割煤过程的结束和顶煤的放出以及垮落直接顶运动空间的加大，在放煤区上方的顶煤和已垮落压实的矸石之间形成了垮落直接顶流动的空间，垮落的直接顶散体岩块不断的流入放煤区，放空区上方的直接顶岩块的运动幅度显著大于顶煤上方和已压实矸石上方直接顶岩块的运动幅度，因此，流入放煤区上方空间的岩块比其它地方岩块的赋存状态混杂，因而是形成不规则垮落的空间。随着不规则垮落带不断压缩覆岩运动空间，散体块体之间产生相互咬合，形成下位岩层的“散体拱”小结构，“散体拱”具有一定的稳定强度，从而使得上部岩层相对稳定垮落，形成规则垮落带，将采场进行分区如图2所示。

I区为支撑区，它的主体为液压支架，传力介质刚度最大，近似于刚性体;

图2 上覆岩层垮落后采场围岩空间分区

II区为下位岩层散体拱影响区，它的主体为下位岩层散体拱及上部规则垮落带;

III区为充填区，它的主体为已经压实的下位岩层矸石;

IV区为煤体和下位岩层，它的主体为支承压力影响区内的煤体下位岩层;

V区周期性垮落的上位岩层。

在开采过程中，这五个区域的位置，不仅是空间的函数，也是一个时间的函数。区域的位置及其内在关系随工作面的推进而连续变化的。各区域间的分界比较模糊，但分区明显。

1.2 上覆岩层垮落后的综放采面围岩力学系统

在与上覆岩层垮落后综放采面周围空间分区相对应的基础上，可建立起上覆岩层垮落后综放采面围岩的力学刚度系统［4］。在这个力学系统中，施力体Ⅴ为断裂后的上位岩层，可把它看作近似刚体，工作面载体为液压支架1，也看作刚性体。上位岩层的载荷及其支承压力，由圣维南体即弹塑性体2、虎克体即弹性体Ⅲ和马克斯威尔体即弹粘性体Ⅳ共同承担，其中Ⅱ所承受的载荷传递给液压支架和采空区已近似压实的矸石。上覆岩层垮落后综放采面围岩力学刚度模型如图3所示。

这里需要特别说明的是Ⅱ区模型的定性，一方面，根据文献［1］的有关研究，顶煤可视为弹塑性体;另一方面，由于下位岩层拱结构及其上方的规则垮落带分别构成了塑性体(拱的承载是一定的，当载荷大于拱的承载能力时将自我变形调整，这种自我变形调整是不可逆的，因此可视为塑性体)和弹性体。因此，将两部分合并统称为弹塑性区。

该围岩力学系统各区域内介质的刚度，有以下几个方面的特点:

图3 围岩力学系统

1)上位岩层，采场后方已压实的矸石及液压支架近似等效为刚体;

2)在整个力学系统内，区域Ⅱ内的传力介质为下位岩层拱及其上方的规则垮落带，其力学刚度最低，其次为Ⅲ区已压实的矸石，再次为前方承受支承压力的煤体。在整个围岩力学系统中，介质的力学刚度K有以下关系:

K5为上位岩层及支架刚度。

2 上位和下位岩层结构相互作用对垮落带分布影响的分析

上位岩层砌体梁结构活动前期，上位砌体梁及其上覆软岩层重量由Ⅲ区和Ⅳ区承受，此时上位砌体梁结构与Ⅱ区下位岩层散体拱及其上部规则垮落带不接触时，II区拱结构只承受其上方的规则垮落带的重量不受外载荷 (这也是为什么此时支架载荷比较小的原因)，即

式中，Q静—下位岩层拱上部规则垮落带重量。

因而，此时不规则垮落带和规则垮落带的分布不受上位岩层砌体梁活动的影响。

上位岩层砌体梁活动后期，上位岩层砌体梁下部层失稳垮落，形成对下位岩层拱结构的冲击，即下位岩层拱结构承受外载荷Q动为:

上位岩层下部失稳垮落时对下位岩层拱结构的冲击力，F=mv/Δt;

式中，m——冲击岩块的质量;

v——冲击接触时速度;

Δt——冲击作用时间。

对于冲击动载荷，一般存在两种情况:

1)下位岩层拱结构上方规则垮落带较厚，使之与上位岩层接触或间隙很小，则上位岩层下部失稳岩块失稳造成的冲击能量被规则垮落岩层吸收，转变为静载荷。

式中，x2i——规则垮落带弹性压缩量。

2)下位岩层拱上方的规则垮落带高度不足够，使之与上位岩层有较大间隙时，

则下位岩层拱上方规则垮落带上界面与上位岩层下界面之间间隙为:

式中，hz——下位岩层厚度;

hm——煤层厚度;

Kp——下位岩层岩石碎胀系数。由Δh可求算出上位岩层下部失稳岩块冲击时接触速度。

由上述两种情况的分析，可知上位岩层下部失稳岩块形成对下位岩层拱结构的冲击动载荷的充要条件是:

1)冲击岩块应有一定的质量;

2)冲击时要有一定的自由下落高度，才能达到较大的冲击速度;

3)直接冲击作用于下位岩层拱结构上的时间短。

综放工作面在开采过程中的状态及上位岩层的运动状况，可以通过对图4的分析来说明。

图4 围岩空间及上位岩层运动关系

图中，L1——上位岩层关键块的长度;

θ——上位岩层关键块的回转角度;

h1——采高;

h2——顶煤厚度;

h3——下位岩层垮落厚度;

h4——下位岩体充填高度;

h5——下位岩层散体拱的高度;

h6——上位岩层关键块尾端最终高度;

Δh——上位岩层与充填层间的间隙。

上位岩层砌体梁下部层位失稳造成的冲击载荷将由Ⅱ区和Ⅲ区共同承担，与此同时情况变得较为复杂，由于冲击载荷较大下位岩层拱上方的规则垮落带只能吸收很小一部分载荷转化为静载荷，大部分的载荷将冲击下位岩层拱结构进而使得下位岩层散体拱变形失稳，在散体拱通过自我调整不能够适应应力环境的变化时，原散体拱将遭到破坏，散体拱将向高位发展，此时不规则垮落带和规则垮落带的分布发生实质性的变化，不规则垮落带和规则垮落带继续向高位发展。在上位岩层砌体梁活动作用下，下位岩层散体拱变形过程，如图5所示。

图5 下位岩层“散体拱”变形演化过程

不规则垮落带和规则垮落带向高位发展的情况根据上位岩层砌体梁活动的情况而定，当原散体拱上部的规则垮落带全部转化为不规则垮落带的一部分仍不能适应上位岩层砌体梁的活动时，那么，上位岩层砌体梁的下部结构将失稳垮落成为规则垮落带，通过垮落过程中的自身挤压形成高位挤压拱。当高位挤压拱还是不能适应外部应力时，上位岩层砌体梁结构将继续失稳垮落，最终将会出现整个采场的围岩失稳，采场围岩上位岩层结构和下位岩层结构相互作用的结果如图6所示。

图6 上、下位岩层结构相互作用结果

3 结论

1)上位岩层结构和下位岩层结构相互作用的实质是上位岩层结构中的关键块的活动和下位岩层“散体拱”结构的相互作用;

2)上位岩层结构的活动通过对下位岩层“散体拱”结构的影响，进而影响下位岩层不规则垮落带和规则垮落带的分布;

3)下位岩层结构活动并不一定会对下位岩层不规则垮落带和规则垮落带的分布高度有实质性的影响。

4)上位岩层结构和下位岩层相互作用对垮落带分布影响的研究，丰富了人们对综放采场覆岩垮冒规律的认识。

［1］ 张顶立，钱鸣高.综放工作面围岩结构分析［J］.岩石力学与工程报，1997，16(4): 320－326

［2］ 李红涛，刘长友，汪理全.综放条件下上位直接顶“散体拱”结构的形成机理及其失稳演化研究煤炭学报［J］，2008，33(4): 378－381

［3］ 汪理全，李中颃.煤层 (群)上行开采技术［M］.北京:煤炭工业出版社，1995

［4］ 钱鸣高，刘听成主编.矿山压力及其控制(修订本).北京:煤炭工业出版社，1992

［5］ 宋振骐主编.实用矿山压力控制［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1998

［6］ 朱诗顺，李鸿昌.综放工作面支架与围岩相互作用的研究［J］.矿山压力与顶板管理，1993，3(4):69－75