巨厚坚硬岩层运移对采场超前支承压力影响实验研究

许 斌，张 沿，徐维正

(山东科技大学 采矿工程研究院，山东 泰安 271000)

在我国多个矿区都含有巨厚坚硬岩层[1]，例如：海孜煤矿的巨厚火成岩、杨柳煤矿的巨厚火成岩、华丰煤矿的巨厚砾岩、鲍店煤矿巨厚红层砂岩等，并且曾经发生过多次动力现象甚至动力灾害。例如：支架压架、大能量矿震事件、冲击地压[2，3]等。众多学者针对具有巨厚坚硬岩层条件下的矿区进行了大量的研究，如翟明华[4]等通过分析巨厚坚硬岩层下冲击地压的发生规律，提出了此类矿井冲击地压存在“关键工作面效应”、“震动诱冲效应”和“冲击震动效应”3个特点及防治对策。尚晓光[5]等提出了地面直井分段水压致裂防控深井巨厚硬岩运动型矿震的方法。张广超[6]等通过建立远场高位厚硬岩层破断力学模型，采用符拉索夫厚板理论解算出了高位厚硬岩层初次破断临界力学判据，重点分析了厚硬岩层破断规律与岩石抗拉强度、厚度、倾向悬露长度的关联性。李云鹏[7]等建通过建立“多层位板式结构”系统模型，阐明了复杂坚硬岩层条件下特厚煤层综放开采覆岩破断过程具有渐进、复合等特征。赵通[8]等根据矿压显现程度和顶板控制难易程度，把回采区域划分为三个区域，并提出厚硬岩层下煤层开采岩层分区控制的原则和方法。还有许多学者采用理论计算[9]和相似模拟试验[10，11]的方法，对采场上覆巨厚砾岩层的运动规律进行研究，并分析其运动对冲击地压诱发因素的影响。上述研究促进了煤矿行业的发展，对冲击地压等动力灾害的防治[12，13]具有重要的意义，然而针对采场超前支承压力受巨厚坚硬岩层运移影响后的研究较少，有待进一步深入研究。通过进行大量的实践研究和理论依据能够表明：诱发冲击地压、煤矿矿震等严重动力灾害的主要原因是由于采动应力集中所导致的[14，15]。所以需要研究在特殊地质条件下，尤其是在具有巨厚坚硬岩层条件下的煤层开采引起的压力演化规律，此研究成果能够为煤矿动力灾害防治提供重要的理论依据，而且对实现有巨厚坚硬岩层条件下的煤矿安全开采具有重要的意义。

本研究通过将巨厚坚硬岩层作为研究对象，综合物理相似模拟和机械模拟研究方法，对覆岩巨厚坚硬岩层采场回采期间超前支承压力的演化规律和变异特征进行研究，掌握巨厚坚硬岩层下采场超前支承压力的演化规律和变异特征，实现煤矿的安全开采。

1 巨厚坚硬岩层运动对采场压力影响的物理模拟实验研究

1.1 物理模拟实验方案

模拟试验台尺寸为3 m(长)×0.4 m(宽)×1.8 m(高)。该模型采用了河砂作为骨料，采用了石膏并配合碳酸钙作为胶结材料。根据杨柳煤矿104采区的地质情况及岩体的力学参数作为参考，设计了相似模拟试验模型。模型的开采煤层厚度为8 m，模型共铺设5层关键层，主关键层60 m厚，距开采煤层有80 m的距离。在该模型的两端都保留了25 cm的煤柱，该模型的回采长度为2.5 m，其几何相似比为1/200。

在物理模拟实验模型当中布置两条压力监测线，一条位于巨厚坚硬岩层内，另外一条位于开采煤层中，压力传感器布置方案如图1所示，各个传感器与其开切眼的距离见表1。

表1 各个传感器与其开切眼的距离Table 1 Distance between sensors and open-off cut

图1 压力传感器布置方案Fig.1 Layout of pressure sensors

1.2 实验结果分析

通过监测和分析采场在不同的推采过程中煤层压力传感器压力值的变化情况来得到采场中巨厚坚硬岩层运移对采场压力演化规律的影响。

煤层压力传感器的压力值变化随着采场的推进可分为三个阶段：Ⅰ压力升高区；Ⅱ压力降低区；Ⅲ压力恢复区。支承压力演化的三个阶段如图2所示。

图2 不同推进距时煤壁超前支承压力变化规律Fig.2 Changing law of front abutment pressure at different retreating distance

从图2中超前支承压力的演化曲线我们可以得到，超前支承压力因为不同的采场推进距离会有较大的差别。从初次开采阶段推采240 m到265 m时，采场中的巨厚坚硬岩层发生了破断，最大支承压力从0.19 MPa上升到0.42 MPa，相比于初次开采阶段其最大值增长了121%。伴随推进距离的增加，其压力影响范围也从初始的220 m增加到了260 m，与开始的影响范围相比增长了18%。当采场推进至270 m时，由于巨厚坚硬岩层的中部发生断裂破坏，此时的压力最大值也从0.42 MPa忽然减小到0.14 MPa，与最大值相比下降了66.7%。压力的影响范围也因其断裂而缩小，影响范围从260 m减少到210 m，与破裂之前相比下降了19.2%。

因为采场中巨厚坚硬岩层的存在，所以使得采场的压力峰值和影响范围都异常增大，且采场前方还有采场中的巷道两侧的煤体因为长时间承受极高的压力，在其中非常容易积聚大量的弹性能量。对于煤体来说当其具有冲击倾向性时，在受外力扰动情况下，由于其煤体的内部长期积聚了大量的弹性能，所以非常容易引起冲击矿压和剧烈矿震等严重的采场动力灾害。

如图3所示，在3#压力传感器(距开切眼265 m)处，压力传感器的压力峰值、影响范围和压力峰值均达到最大值，伴随着采场的持续推进，当到达4#压力传感器(距开切眼270 m)时，压力传感器上的三种数据又突然减少。这些结果均表明，巨厚坚硬岩层的破断不仅会对采场超前支承压力造成影响，而且也会对采场支承压力显现以及各种采场动力灾害的发生造成影响。

图3 煤层压力传感器峰值、峰值位置及压力影响范围Fig.3 Peak value，peak position and pressure influence range of coal seam pressure sensors

2 巨厚坚硬岩层运动对采场压力影响的变异特征机械模拟研究

2.1 机械模拟实验方案

针对以往相似材料模拟实验不能满足部分实验以及工程需要的缺陷[16]，通过机械模拟实验可以研究或演示在采场推进过程中的覆岩结构形变演化过程，上覆岩层破裂突变与覆岩运移和地表运动的对应关系。机械模拟实验具有操作方便、自动化程度高、试验过程稳定、数据精度较高、材料拆卸安装方便及重复性好等特点[17]。

为了揭示巨厚坚硬岩层对采场超前支承压力的影响，通过建立两个模型进行比较：

模型1：覆岩中存在一层厚60 m，距采煤层间距80 m的巨厚坚硬岩层。模型2：用同等厚度载荷对巨厚坚硬岩层进行替换，除此以外的其它的岩层条件不变。模型1和模型2的详细情况如图4所示。

图4 机械模拟实验模型Fig.4 The experimental model of mechanical simulation

在此基础上，针对两种不同情况下采场支承压力的变化进行了研究，得到了巨厚坚硬岩层运动对采场压力的影响规律。

实验中几何相似比为Cl=200，容重相似比Cγ=3，强度相似比Cσ=300。为研究方便，后文中所呈现的所有实验数据均按照相似比换算成实际值。

在机械模拟实验模型中，在煤层中一共布置了112个BW-5型压力传感器，相邻传感器之间的间距为7 m，压力传感器布置及距开切眼距离如图5所示。

图5 覆岩测线及测点布置Fig.5 Arrangement of measuring points and line

2.2 覆岩中有无巨厚坚硬岩层时采场超前支承压力演化规律

2.2.1 采场覆岩中有巨厚坚硬岩层支承压力演化规律

覆岩中有巨厚坚硬岩层时采场超前支承压力演化规律如图6所示。由图6中超前支承压力的演化曲线可知，当覆岩中存在巨厚坚硬岩层时，采场支承压力演化规律具有以下特征：

图6 覆岩中有巨厚坚硬岩层时采场超前支承压力演化规律Fig.6 The evolution law of the front abutment pressure of working face when there is super thick and hard stratum in the overlying strata

1)阶段Ⅰ：推进距离为0～283.2 m，也就是在巨厚坚硬岩层破断前；阶段Ⅱ：推进距离为306.8～448.4 m，也就是在巨厚坚硬岩层破断之后；采场支承压力演化的两个阶段。

2)阶段Ⅰ：当采场的推进距离在不断的增加时，其超前支承压力的峰值也在不断地增加，呈现递增的趋势，当采场推进到283.2 m的时候，从图中数据可以看出其最大支承压力峰值达到了38.42 MPa，其压力集中系数与影响范围分别为2.48和56 m，在煤壁前方14 m处，其压力峰值达到了最大值。

3)阶段Ⅱ：当推进数据为306.8 m的时候采场中的巨厚坚硬岩层因为采场的持续推进随之发生了破断，从垂直压力的变化曲线可以看出，在306.8 m前后压力峰值有明显的变化，其压力峰值突然下降。巨厚坚硬岩层的破断会对采场压力峰值，压力集中系数以及压力影响范围造成较大的影响，由图可得，在发生破断后，压力峰值大幅度降低，从38.42 MPa骤降至27.43 MPa，压力集中系数也从2.48减小到了1.77，比例系数分别下降了28.6%。在巨厚坚硬岩层破断前，压力影响范围由56 m减小至42 m，下降了25%。

2.2.2 采场覆岩中无巨厚坚硬岩层支承压力演化规律

覆岩中无巨厚坚硬岩层时采场超前支承压力演化规律如图7所示，由图7可知，当覆岩中没有巨厚坚硬岩层时，采场支承压力演化规律具有以下特征：

图7 覆岩中无巨厚坚硬岩层时采场超前支承压力演化规律Fig.7 The evolution law of the front abutment pressure of working face when there is no super thick and hard stratum in the overlying strata

1)支承压力会因为采场的推进距离的增加而随之发生变化，由上图可以看到，在图中多次呈现压力高峰区，对应的推进距离分别为47.2、70.8、94.4、165.2、212.4、259.6、306.8和354 m。在其中每次呈现压力高峰区时都代表采场基本顶的一次来压。

2)由图中数据可以得知，支承压力的变化受基本顶破断的影响较小，并且采场支承压力的峰值基本都小于35 MPa。

3)相比于具有巨厚坚硬岩层的采场覆岩而言，没有巨厚坚硬岩层的采场超前支承压力较大。

有无巨厚坚硬关键层是造成以上现象的主要原因，当采场上覆岩层存在巨厚坚硬岩层时，巨厚坚硬岩层只承受其上覆岩层的重量，在开采的早期阶段，采场中的煤壁只需要承受其上方到巨厚坚硬岩层之间的岩层的重量，所以在刚开始的时候其压力值比较小。但是当采场上方没有巨厚坚硬岩层时，位于其上方的巨厚坚硬岩层的破断距短，故采场中的煤壁需要承受其上方所有岩层的重量，不仅仅只是上覆岩层的重量，所以当采场中没有巨厚坚硬岩层时其超前支承压力平均较大。但是在有巨厚坚硬岩层的情况下的时候当推进距离不断增加时，其下伏岩层逐渐垮落，巨厚坚硬岩层承受的自重及上覆岩层载荷通过煤壁上方岩层转移至煤壁，故此会造成煤壁前方压力集中程度明显且压力异常增大。

由此可得出结论，当采场持续推进时，采场煤壁的前方容易积聚大量的弹性能，而且煤壁前方会因为高强度和大范围的应力集中导致前方的破坏深度增加。在巨厚坚硬岩层破断后，应力会转移，此时煤壁前方的压力和其积聚的弹性能就会得到缓解与释放。在开采初期的时候，没有巨厚坚硬岩层的采场的应力集中程度要比有巨厚坚硬岩层的采场的强。

2.3 采场超前支承压力演化规律变异特征分析

为研究采场覆岩中有巨厚坚硬岩层的采场超前支承压力演化的规律及其特征，通过进行模拟研究有巨厚坚硬岩层的模型1与无巨厚坚硬岩层的模型2的超前支承压力峰值、压力集中系数与影响范围进行对比来得到结论。

2.3.1 巨厚坚硬岩层对压力峰值的影响

不同推进距离时模型1和模型2压力峰值和压力集中系数演化规律的对比如图8所示，压力峰值和压力集中系数演化规律曲线可大致分为三个阶段。压力峰值和压力集中系数受巨厚坚硬岩层的影响规律如下：

图8 压力演化规律Fig.8 The evolution law of the front abutment pressure

1)阶段Ⅰ：此阶段处于巨厚坚硬岩层影响缓慢期，推进距在0～236 m之间。由两图对比可得，当处于阶段Ⅰ时，两种模式的变化趋势基本相同相差不大。当采场覆岩中有巨厚坚硬岩层时，在初采阶段其压力峰值和压力集中系数都比无巨厚坚硬岩层采场的要小。

2)阶段Ⅱ：此阶段处于巨厚坚硬岩层影响剧烈期，推进距在236～306.8 m之间。由图可以看出，在此阶段时模型1的压力峰值和集中系数都比模型2的要大，模型1的最大最大压力峰值为38.2 MPa，最大压力集中系数为2.48。模型2的最大压力峰值为33.22 MPa，最大压力集中系数为2.15。由以上数据可得，模型1的压力峰值为模型2的1.15倍，压力集中系数为模型2的1.15倍。

3)阶段Ⅲ：此阶段与阶段Ⅰ相同，其处于影响缓慢期，推进距在306.8～448.4 m之间。由图可得，在此阶段模型1的压力峰值和压力集中系数基本都比模型2的要小。

根据以上规律，在巨厚坚硬岩层发生破断前，其对采场支承压力的影响范围集中且影响程度剧烈。对上覆岩层起主要承载作用的是采场的主关键层，也就是采场中的巨厚坚硬岩层。由巨厚坚硬岩层超前于下伏垫层弹性基础梁断裂可知，造成采场煤壁载荷程度小的原因是因为巨厚坚硬岩层的承受载荷是由下伏垫层承担的，故传递性差。所以阶段Ⅰ中模型1的压力峰值与集中系数小于模型2的压力峰值与集中系数。

2.3.2 巨厚坚硬岩层对压力影响范围的影响

压力影响范围演化规律如图9所示，其展示了Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ三个阶段的演化规律曲线，分别是在不同推进距的情况下两种模型压力影响范围的比较。压力峰值与压力集中系数受巨厚坚硬岩层影响的规律如下：

图9 压力影响范围演化规律Fig.9 The evolution law of pressure influence range

1)阶段Ⅰ，此阶段为巨厚坚硬岩层影响的缓慢期，推进距在0～188.8 m之间。此时从图中可以看出两种模型的压力影响范围相差不大，基本相同。

2)阶段Ⅱ，此阶段为巨厚坚硬岩层影响的剧烈期，推进距在188.8～306.8 m之间。从图中可以看出，模型1的影响范围骤增，其压力影响范围最大时为91 m，而模型2的影响范围随着工作面的推进逐渐减小，其压力影响范围最大时为48 m，由以上数据可以得出模型1最大压力影响范围为模型2最大压力影响范围的1.9倍，模型1的压力影响范围明显大于模型2的压力影响范围。

3)阶段Ⅲ，此阶段与阶段Ⅰ相同，其处于影响缓慢期，推进距在306.8～448.4 m之间。与阶段Ⅰ相同，两者之间的压力影响范围相差不大，基本相同。

通过以上规律，相比于覆岩中没有巨厚坚硬岩层的采场，当覆岩中有巨厚坚硬岩层时，其破断前的采场压力影响范围异常增大，约为没有巨厚坚硬岩层采场的1.9倍。

2.3.3 压力峰值和压力影响范围演化规律分析

压力峰值和压力影响范围的关系如图10所示，通过图10可以看出，当覆岩中有巨厚坚硬岩层的时候，随着工作面的推进，其压力峰值和影响范围均存在较大的波动，但是基本保持平行，相差不大。当覆岩中无巨厚坚硬岩层的时候，其压力峰值与影响范围存在上下波动，但随着工作面的推进，波动逐渐趋向平稳，且变化曲线基本平行保持一致。由此可以看出两者的演化规律一致性较高，且随着压力峰值的增大必然会导致采场前方煤壁的影响范围增加。

图10 压力峰值和压力影响范围的关系Fig.10 The relation between the peak pressure and the influence range of pressure

2.3.4 巨厚坚硬岩层对采场支承压力影响的变异特征

1)巨厚坚硬岩层影响缓慢期：即巨厚坚硬岩层在相对稳定状态或已经发生破断时期。在这个阶段，有巨厚坚硬岩层采场支承压力峰值比无巨厚坚硬岩层采场的小，所以对采场超前支承压力的影响比较微弱。

2)巨厚坚硬岩层影响剧烈期：在巨厚坚硬岩层发生破断之前到发生破断的过程之间。在此阶段，巨厚坚硬岩层下采场超前支承压力集中程度更高，影响范围更广，影响程度更剧烈。

3 结 论

1)从初采阶段至巨厚坚硬岩层发生破断时，超前支承压力峰值增长了121%，压力影响范围增加了18%。当巨厚坚硬岩层发生断裂时，超前支承压力峰值减小了66.7%，压力影响范围减小了19.2%。

2)临近巨厚坚硬岩层破断前，覆岩中有巨厚坚硬岩层时的超前支承压力峰值和影响范围分别为无巨厚坚硬岩层时的1.15倍和1.9倍。在巨厚坚硬岩层发生破断前时其对采场超前支承压力的影响最大。应力集中程度高，影响范围广，影响程度剧烈。

3)巨厚坚硬岩层处于稳定状态时或已发生破断后，采场超前支承压力峰值和影响范围相对于无巨厚坚硬岩层采场来说相对较小，对采场超前支承压力的影响相对较弱。

4)超前支承压力峰值和压力影响范围随采场推进的演化规律具有较高的协调一致性，压力峰值的增大必然导致采场前方煤壁的影响范围增加。