煤矿覆岩空间结构OX-F-T演化规律研究

第31卷第3期岩石力学与工程学报Vol.31No.32012年3月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringMarch，2012收稿日期：2011–10–10；修回日期：2012–01–08基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)项目(2010CB226805)；国家自然科学基金资助项目(51174285)；江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)作者简介：窦林名(1963–)，博士，1983年毕业于西安矿业学院采矿系采矿工程专业，现任教授、博士生导师，从事矿山压力、冲击矿压、采矿地球物理等方面的教学与研究工作。E-mail：[e-mail]煤矿覆岩空间结构OX-F-T演化规律研究窦林名，贺虎(中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州221116)摘要：煤矿工作面高强度、大尺度快速推进，导致采场覆岩运动范围增大，空间结构复杂。多工作面情况下，工作面与采空区覆岩结构协同运动，相互影响，造成的矿山动力灾害，称之为覆岩空间结构失稳型动力灾害。根据工作面上覆岩层边界状态的不同，将覆岩空间结构分为OX，F与T型3类。研究OX-F-T演化特征，即顶板O-X破断形成的OX结构为覆岩基本形式，同时又作为相邻工作面的边界条件，一侧为OX结构形成F型覆岩结构，两侧存在OX则形成T型覆岩结构。阐述不同结构的断裂运动规律，并将各结构进行详细分类。利用现场SOS微震监测系统，分别选取代表OX，F与T覆岩结构的单一工作面、双工作面、孤岛工作面，分析各工作面开采过程中的震源分布规律。针对不同覆岩结构特征，提出不同的防治措施，为冲击震动的预防工作提供理论指导。关键词：采矿工程；覆岩空间结构；冲击灾害；关键层；综采综放；微震中图分类号：TD324文献标识码：A文章编号：1000–6915(2012)03–0453–08STUDYOFOX-F-TSPATIALSTRUCTUREEVOLUTIONOFOVERLYINGSTRATAINCOALMINESDOULinming，HEHu(StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandSafeMining，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou，Jiangsu221116，China)Abstract：Theruptureandmovementscopeofoverlyingstrataincreasesharplysincethehighstrengthandrapidexploitationofthelongwallminingfaces；andthespatialstructureformedbyfracturedstratabecomesmuchmorecomplex.Theoverlyingstratawouldmoveandinteractcoordinatelywhenmoreworkfacesexist；henceleadingtominingdynamicdisastersthatdefinedasspatialstructureinstabilityinthispaper.Basedontheboundaryconditions，threebasicformsthatnamedOX，FandTstructureareidentified，respectively.TheOX-F-TevolutionoftheoverlyingstrataispresentedthattheO-Xfractureistheelementalstructureofoverlyingstrataandalsotheboundaryofadjacentworkface，onesideisOXconstituteFstructure，andbothsidewithOXisTstructure.Thecharacteristicsanddetailedclassificationsforeachtypeareelaborated.Themicroseismicsystemisusedforon-sitemonitoring，single，doubleandisolatedworkfacesthatrepresenttheOX，FandTstructureareselectedrespectivelytoresearchthedistributionrulesofseismicevents；theresultsconfirmedtheOX-F-Tspatialstructurefeature.Atlast，specializedmethodsareproposedtargetedtoworkfaceswithdifferentspatialstructures.Theresearchresultsprovidetheoreticalguidancefordynamicdisasterpreventionandcontrolincoalmines.Keywords：miningengineering；spatialstructureofoverlyingstrata；dynamicdisaster；keystrata；fullymechanizedminingwithsublevelcaving；microseismicity•454•岩石力学与工程学报2012年1引言近年来，以综采放顶煤、大采高开采，无煤柱护巷技术为代表的一系列先进采煤科技在我国得到了广泛应用与长足发展[1-3]，从而使长壁工作面开采尺度与推进速度急剧上升。随着无煤柱(小煤柱)成功应用到综放工作面，纵向与横向层面上覆岩运动范围远大于综采工作面，由此引发的采动应力场、覆岩空间结构演化规律更加复杂[4-6]。大规模、高强度的开采扰动不仅导致垮落带覆岩剧烈运动，并且周围采空区中已经存在的空间平衡结构也将进一步失稳，而未断裂的岩层会与工作面协同破断运动，从而诱发冲击矿压等煤岩动力灾害，对于此类冲击矿压，本文称之为空间结构失稳型。煤岩震动冲击灾害在我国呈爆发式增长态势，目前已超过120余处矿井有发生矿震与冲击报道，累计破坏巷道30多千米，造成大量人员伤亡与财产损失[7]。在山东兖州矿区、新汶矿区、淮北海仔煤矿、河南义马矿区等均存在巨厚主关键层，随着开采尺度的增大，主关键层断裂失稳诱发矿震不仅影响井下采掘工作面安全，更对地面社区造成影响，由于震源距地表距离近，烈度堪比5级以上地震[8-9]，已经逐步演化为矿区社会公共安全问题，这些问题的解决需建立在对覆岩空间结构形成与失稳以及煤岩动力破坏机制的研究上。钱鸣高等[9-10]建立的“砌体梁”与“关键层”理论，为研究煤矿采动覆岩结构的形成与失稳提供了理论依据。但是以往的研究范围多局限于单一工作面距离采场较近的老顶岩层以及煤层前方几十米内支承压力区域内，而与冲击矿压等动力灾害相关的岩层范围已经到达主关键层，在层面方向上也远远超过本工作面采动范围[11]。姜福兴等[12]提出了覆岩空间结构的概念，并根据采场的边界条件，分为θ，O，S和C型4类结构，拓展了传统矿压研究范围的限制，具有重要的指导意义，但是并没有给出结构形成与失稳条件，和煤岩动力灾害关系联系不紧密。本文基于关键层理论，并根据现场微震监测，提出覆岩空间结构的OX-F-T演化模型，以期为空间结构失稳型冲击矿压机制研究与预防提供理论基础。2覆岩空间结构形成条件对于多工作面回采，两相邻采空区覆岩能否形成相互作用的空间结构，主要取决于两者之间的煤柱宽度。大煤柱能够有效地隔离采空区覆岩裂隙的联系，一般情况下，工作面之间20m以上的煤柱即可将两工作面间覆岩运动隔离开来。因此，当工作面煤柱小于一定值时，工作面之间覆岩将会形成协同运动，形成相互作用的空间结构。2.1顶板断裂线因素由矿压理论可知，老顶岩层的断裂发生在煤壁中，如果煤柱宽度过小，两相邻采空区顶板覆岩断裂线将会重合在一起，覆岩直接联系。利用弹性基础梁模型，可以解出老顶断裂线距离煤壁的位置[10]：100200d(2)tanMsrQrMrQL(1a)其中，1212/()24/()24()()kEINEIkEINEIsNEIrkEI(1b)式中：k为Winkler地基系数，与上下夹支的软岩层的厚度及力学性质有关；EI为老顶岩梁的抗弯刚度；0M，0Q，N分别为工作面煤壁位置(x=0)所对应的截面弯矩、剪力和轴力。老顶断裂线位置主要受下层垫层，即直接顶煤壁的性质以及自身力学性质影响，根据现场测试一般为2～10m，因此考虑老顶断裂线因素，煤柱最小宽度判据为：mind2LL≥。2.2煤柱破坏因素当煤柱的宽度可以阻止覆岩断裂线重合时，由于采空区侧向支承压力的作用，煤柱上方将会形成应力集中，在高支承压力作用下，煤柱会发生变形破坏，甚至发生煤柱型冲击矿压。煤柱破坏后，将失去支撑作用，引起上方覆岩结构的连锁运动，断裂后的平衡结构可能失稳运动，没有发生断裂的覆岩由于下方离层区域的扩大，将会经历初步断裂与周期断裂，从而引发新的矿压显现。目前常用的煤柱稳定性设计方法有极限平衡理论以及经验公式法[13]。在高应力区域，不但要考虑煤柱的塑性破坏，还要满足核区率稳定要求。因此，可得第31卷第3期窦林名等：煤矿覆岩空间结构OX-F-T演化规律研究•455•min2LR≥(2)式中：R为煤柱屈服区宽度，为煤柱弹性区宽度。根据极限平衡理论可得近水平煤层屈服区宽度R为00000tanln2tantanxcHmARcPA(3)式中：m为煤柱高度；A为侧压系数；0，0c分别为煤体与顶底板岩层交界面的内摩擦角与黏聚力；为应力集中系数；为岩层的平均容重；H为煤柱埋深；xP为支架对巷帮的支护阻力。根据稳定性理论，核区率宽度应满足：20.650.850.9WRW软煤中硬煤硬煤，，(4)式中：W为煤柱宽度。因此，综合顶板断裂线与煤柱稳定所需宽度条件，形成覆岩空间结构的煤柱宽度为mindmax22LLR≤，(5)3覆岩空间结构分类3.1单一工作面OX结构单一工作面OX结构四周边界为实体煤或足以隔断采空区联系的大煤柱。单一工作面开采后覆岩OX结构的本质是钱鸣高等[9]提出的顶板O-X破断后形成的覆岩结构形态，平面上呈现OX状，走向与倾向剖面断裂后岩体呈“砌体梁”结构平衡状态。如图1所示，OX结构形态与范围由本工作面长度、煤层厚度、关键层层位与物理力学性质决定。根据关键层的破断与否，OX型空间结构可分为2种结构：(1)主关键层破断后，全空间OX结构；(2)主(亚)关键层尚未破断时，半空间OX结构。OX型空间结构因为四周为实体煤，开采过程中矿压显现主要受覆岩各关键层“砌体梁”结构形成与失稳过程造成的应力场变化与冲击动载的影响。存在多层亚关键层时，在满足一定条件下会出现关键层的复合破断[8]，工作面的矿压显现更为强烈。覆岩O-X破断形成的OX型结构是覆岩空间结构演化的基本形式，同时也是其他空间结构形式的边界条件与演化过程的重要组成部分。(a)单一工作面覆岩O-X破断形成OX结构平面图(b)OX结构沿走向剖面的“砌体梁”结构图1OX覆岩空间结构示意图Fig.1SketchesoftheOXoverlyingstrataspatialstructure3.2相邻工作面F结构一侧相邻采空区，并且两工作面煤柱宽度小于隔离采空区所需最小宽度，而另一侧为实体煤或者大煤柱的工作面，如图2所示，由于其覆岩边界条件一侧为实体，一侧为相邻工作面OX型结构的弧三角板，似字母F，因此，命名为F型覆岩空间结构。F结构的主要特点是小煤柱侧采空区覆岩会对工作面开采造成显著影响，即下一工作面覆岩会与采空区覆岩结构的一部分协同运动，而本工作面上部覆岩随开采的进行也将经历OX结构演化特征，即F结构