Evolution of broken structure of hard thick roof and analysis of impact hazard area
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摘要:
针对硬厚顶板破断及结构演化对工作面冲击显现的影响，以东滩煤矿63上05工作面硬厚顶板条件为背景，运用理论分析和数值模拟分析了硬厚顶板破断失稳的临界条件及其结构演化过程，并划分工作面冲击危险区域。结果表明：顶板厚度和强度与块体破断时端部垂直载荷成正比，直接顶与基本顶的结构形态由“V”形演化成“U”形；顶板初次和周期跨落步距相较于常规情况明显增大，且基本顶结构演化较直接顶具有迟滞性；顶板垂直应力以应力拱形式演化，开采过程中在采空区中形成多处应力集中。基于研究结果，划分63上05工作面冲击危险区域并利用微震监测技术验证准确性。
Abstract:Aiming at the influence of hard and thick roof fracture and structural evolution on the impact of working face, taking the hard and thick roof condition of 63 upper 05 working face in Dongtan Coal Mine as the engineering background, the critical condition and structural evolution process of hard and thick roof fracture and instability are studied by theoretical analysis and numerical simulation, and the dangerous area of working face impact is divided. It is concluded that the thickness and strength of the roof are proportional to the vertical load at the end of the block breaking. The structure of immediate roof and main roof gradually evolved from “V” type to “U” type. The first and periodic steps of the double hard thick roof increase obviously compared with the conventional condition, and the evolution of the basic roof structure is more retarded than that of the direct roof. The vertical stress of the roof evolves in the form of stress arch, and many stress concentration phenomena are formed in the mined-out area during mining. Based on the above research results, the impact danger area of 63 upper 05 working face was divided and the accuracy was verified by microseismic monitoring technology.
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坚硬顶板作为诱发冲击地压发生的一种典型地质条件，具有强度大、抵抗破坏的能力强的特点，在采空区形成大面积悬顶，不易垮落，导致应力和能量积聚而引起冲击地压的发生,已经成为煤矿顶板控制的一大难题[1-4]。研究发现，矿震和冲击地压等煤矿动力灾害的发生往往和坚硬顶板岩层密切相关[5-6]，加之开采所处的高地应力赋存环境，使得顶板破断特征异常复杂[7]。
工作面开采上覆岩层会发生大规模运动和破断，由于岩层的厚度和坚硬程度不同，在运动过程中所表现出的破坏形式和结构也有所不同[8-10]。关于覆岩结构破断与演化研究成果，众多学者根据不同开采条件提出了多种覆岩结构演化模型。窦林名等[11]通过现场观测与微震监测技术描述了不同边界条件下顶板断裂的异常规律，并根据其断裂特征提出了覆岩结构的“OX-F-T”演化形态，同时给出相对应的防治措施；姜福兴等[12]提出了长壁采场覆岩空间结构的概念，基于微震监测结果和不同采场边界条件，将覆岩空间结构划分为中间有支撑的“θ”形、中间无支撑的“O”形、“S”形和“C”形4类；张宏伟等[13]根据关键层理论分析了特厚煤层综放开采坚硬顶板的破断特征和采场覆岩结构演化特征，建立了大空间采场坚硬覆岩柱壳结构力学模型，揭示了特厚煤层综放工作面开采过程中产生大小周期来压，采动影响范围大、易产生冲击载荷等特殊矿压现象的机理；朱卫兵等[14-15]、于斌等[16]建立了关键层“横O-X”形破断的“三角板”结构模型，为大空间采场强矿压显现的防范控制提供理论依据；赵科等[17]采用数值模拟和微震监测分析验证硬厚顶板岩层破断运动与矿震关系，研究表明硬厚顶板岩层初次破断前，工作面上方的非关键岩层以组合形式运动，矿震能量小于104 J，当推进350 m时，硬厚岩层发生断裂，工作面附近强矿震频发。
以上学者对硬厚顶板条件下覆岩结构形态和演化特征进行了深入研究，取得了显著成果，而对于硬厚顶板结构演化规律研究相对较少。为此通过数值模拟和微震检测等手段，分析硬厚顶板结构破断及应力演化规律，明确硬厚顶破断对实际生产工作面的冲击危险性，对工作面危险区域的精准判识具有重要理论意义。
1. 工作面概况
1.1 基本情况
东滩煤矿位于兖州煤田东部，63上05工作面位于东滩煤矿南翼六采区中部，北邻63上04采空区，南邻63上06工作面（未开采），东西两侧为实体煤。煤层平均埋深689.85 m，煤厚5.15 m，倾角平均4°。北侧为轨道巷，南侧为运输巷，间距265 m，终采线运输巷侧距南翼辅运巷70 m，轨道巷侧较运输巷侧向西调斜15 m。工作面布置如图1所示。
1.2 硬厚顶底板情况
63上05工作面直接顶为粉砂岩，均厚11.68 m，普氏系数为6～7；基本顶为中砂岩，均厚14.35 m，普氏系数为8～9；直接底为粉砂岩，均厚6.42 m，基本底为中细砂岩，均厚为17.29 m。工作面直接顶和基本顶都相较常规情况表现出明显的硬厚特征。工作面顶底板岩性如图2所示。
2. 硬厚顶板破断临界条件力学分析
硬厚顶板破断特征如图3所示。硬厚顶板破断，块体间相互挤压咬合，形成砌体梁结构。3块相邻的破断块体组成了硬厚顶板砌体梁，承载了上覆岩层的重力。岩块B在两端岩块的相互挤压下，末端产生一定的旋转下沉量，岩块C比岩块B初始下沉量小；后方岩块经过旋转下沉，在采空区达到平衡状态，块体间存在一定挤压应力。
随采空区范围增大，直接顶垮落的岩块不能及时的充满采空区，导致支架后方采空区大面积悬顶。以工作面来压期间临界破断岩块C为研究对象，块体在上层岩层重力、相邻岩块的挤压以及工作面支架作用下达到平衡状态。岩块C受力特征如图4所示。
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图 4 顶板岩层前方破断块体受力特征Figure 4. Bearing characteristics of broken block in front of roof strata破断块体占整个顶板长度的比例较小，故将上覆岩层载荷视为等效载荷q，岩块C右端受前方顶板水平和竖直方向上的合外力Td、TF。左侧受中间块体的挤压支撑，水平和竖直方向合外力T、Tf，工作面支架阻力qz。
由于破断块体相互挤压，岩块挤压处为塑性状态岩石。由此，设$ a $为岩石的塑性变形尺寸，破断块体承受水平挤压力作用点为塑性变形尺寸的中点，岩块C塑性变形尺寸a如下：
$$ a=\frac{1}{2}(h-l \sin \;\alpha) $$ (1) 式中：l为破断块体长度，m；h为破断块体厚度，m；α为破断块体的回转变形角度，（°）。
根据破断块体的承载及运动特征，建立其水平、竖直及力矩平衡条件如下：
$$ \left\{\begin{array}{l} T_{{\mathrm{d}}}=T,\; T_{{\mathrm{F}}}+T_{\mathrm{f}}+\mathrm{q}_{{\mathrm{z}}} l_{{\mathrm{z}}}=q l \\ T_{{\mathrm{d}}} \dfrac{a}{2}+\dfrac{1}{2} q l^{2}=T_{{\mathrm{f}}} l+\dfrac{1}{2} q_{{\mathrm{z}}} l_{{\mathrm{z}}}^{2}+T\left(h-w-\dfrac{a}{2}\right) \end{array}\right. $$ (2) 式中：ｗ为破断块体末端下沉量，m；lz为工作面支架控顶区长度，m；qz为工作面支架阻力，N。
根据式（2）求解破断块体末端的水平挤压力如下：
$$ T=\frac{{q}_{{\mathrm{d}}} l^{2}}{h-l \sin\; \alpha} $$ (3) 式中：qd为与破断块体整体承载特征相关的等效载荷，$ q_{{\mathrm{d}}}=\left(q l^{2}-2 T_{{\mathrm{f}}} l+q_{\mathrm{z}} l_{{\mathrm{z}}}^{2}\right) / l^{2} $。
令破断块体间相互挤压作用形成的挤压应力为σp，则：
$$ \sigma_{{\mathrm{p}}}=\frac{T}{a}=\frac{2 q_{{\mathrm{d}}} l^{2}}{(h-l \sin \;\alpha)^{2}} $$ (4) 令破断块体间的挤压应力与岩石抗压强度[σc]的比值为Ｎ，岩石抗压强度[σc]与其抗拉强度[σt]的比值为i，结合式（4）与岩梁断裂时的承载与岩石抗拉强度间的关系，可以得到如下关系式：
$$ q_{{\mathrm{d}}}=\frac{N\left[\sigma_{{\mathrm{c}}}\right](h-l \sin\; \alpha)^{2}}{2 l^{2}}=\frac{\left[\sigma_{{\mathrm{c}}}\right] h^{2}}{6 i K l^{2}} $$ (5) 式中：K为与岩梁边界条件相关的系数。
联立式（1）～式（5），得到岩块C的承载特征如下：
$$ \left\{\begin{array}{l} T=\dfrac{\left[\sigma_{{\mathrm{c}}}\right] h \sqrt{N}}{2 \sqrt{3 K i}},\; w=h\left(1-\sqrt{\dfrac{1}{3 i K N}}\right) \\ T_{{\mathrm{f}}}=\dfrac{q l}{2}+\dfrac{q_{z} l_{z}^{2}}{2 l}-\dfrac{\left[\sigma_{{\mathrm{c}}}\right] h^{2}}{12 l i K} \\ T_{{\mathrm{F}}}=\dfrac{q l}{2}-\dfrac{q_{z} l_{z}\left( l_{z}+2 l\right)}{2 l}+\dfrac{\left[\sigma_{{\mathrm{c}}}\right] h^{2}}{12 l i K} \end{array}\right. $$ (6) 由式（6）可以看出，破断块体承受的水平挤压力及末端下沉量受岩层自身厚度和强度及两端支撑条件影响；破断块体两端的垂直载荷不仅与上覆岩层载荷及工作面支架阻力有关，还受到顶板岩层厚度和强度的影响[18]。将顶板岩层自身厚度与岩石强度看作变量分析近煤壁侧破断块体的垂直载荷TF，利用MATLAB软件进行数学分析，得到的破断块体竖直载荷TF如图5所示。由图5可以看出：块体破断时端部竖直载荷TF与顶板的强度和厚度成正比。
3. 硬厚顶板结构演化模拟分析
3.1 数值模型
采用UDEC软件模拟东滩煤矿63上05工作面开采硬厚顶板结构的演化过程。为消除模型边界效应，工作面左右各留60 m边界效应区，模型尺寸长为400 m、高为108 m，从左向右开采，开采步距10 m，模型左右两侧和底部位移约束，顶部施加18.2 MPa等效载荷，计算中采用摩尔-库伦屈服准则。模型中煤岩层力学参数见表1。
表 1 煤岩层力学参数Table 1. Mechanical parameters of coal and rock岩 石
类 型密度/
（kg·m−3）体积模
量/GPa剪切模
量/GPa黏聚力/
MPa抗拉强
度/MPa内摩擦
角/（º）泥岩 2 500 5.13 8.75 2.38 3.24 26 中砂岩 2 700 8.10 20.56 8.15 5.78 30 泥岩 2 550 5.13 8.75 2.38 3.24 26 粉砂岩 2 700 8.12 12.87 4.30 5.25 28 煤 1 450 2.45 5.98 2.76 2.69 35 粉砂岩 2 800 8.12 12.87 4.30 5.25 28 细砂岩 2 900 9.23 21.34 7.56 6.89 32 3.2 顶板结构演化
63上05工作面开采硬厚顶板结构演化过程如图6所示。
工作面推进至50 m时直接顶发生弯曲变形，与上部岩层之间出现离层。当工作面推进到70 m时，直接顶垮落，与上部泥岩层之间的离层进一步扩张，初次垮落产生的破断块体较大，块体间存在咬合作用，形成砌体梁结构，结构形态呈“V”形，基本顶发生弯曲变形。工作面推进至110 m时，基本顶初次垮落，直接顶在采空区内形成压实稳定区，结构形态呈“U”形，此时基本顶结构形态呈“V”形；由于顶板属于硬厚顶板，对上覆岩层有1个较大承载作用，故两顶板初次垮落步距较常规情况相比明显增大。同时结构差异导致两顶板之间的离层高度为1.43 m；当工作面推进到130 m时，两硬厚顶板再次同时发生失稳垮落，采空区的压实稳定区进一步扩大，直接顶与基本顶结构形态呈“U”形，两顶板之间的离层空间发生闭合。当工作面推进到170 m时，基本顶开始发生周期性垮落，垮落步距约40 m，直接顶形成砌体梁结构支撑上覆岩层，并降低了基本顶发生垮落时对工作面的冲击，此时直接顶悬顶距离长达50 m。当工作面推进到180 m时，直接顶跨落，步距约为50 m，基本顶与直接顶之间的离层发育明显，由于顶板的层位和岩性的差异，基本顶结构形成相较直接顶滞后40 m。工作面继续推进到220 m时，基本顶再次发生破断，破断步距为50 m，此时可以看出直接顶和基本顶垮落步距为40～50 m。基本顶周期垮落时释放的能量及上覆岩层质量会影响工作面附近势能增大，容易诱发冲击地压灾害。
3.3 顶板应力演化
63上05工作面开采直接顶和基本顶在开采过程中垂直应力变化如图7所示。
顶板随工作面推进出现变形—破坏—垮落等一系列运动，顶板应力因此而重新分布。可以看出，垂直应力以应力拱的形式推移演化，拱内应力分布具有不均匀性，拱脚处的应力最大。在工作面开挖0～180 m时，应力拱范围在高度和宽度上不断增加，在应力拱内部垂直应力值降低，属于应力降低区，在开切眼附近以及工作面前方则存在应力集中。在开挖至170 m时，在采空区中后部出现应力集中区，应力集中系数2.40～3.15，冲击危险性较高。在开挖至180 m时，应力拱的高度和宽度不再变化，只发生位置的改变，应力拱发育至最高，应力拱的跨度为130～140 m。基本顶的垂直应力值整体高于邻近层位，对于采动应力场的演化起主导作用，原因在于基本顶与直接顶之间存在一定的离层空间，基本顶容易积聚大量弹性能，受到采动影响释放能量，能量传播至工作面附近时，会使工作面附近的煤岩体应力在短时间内增加，容易诱发冲击地压。
4. 冲击危险区域划分及效果验证
4.1 冲击主控因素
1）硬厚顶板结构演化。根据数值模拟结果可知，0～180 m直接顶和基本顶发生初次破断，两顶板之间离层空间最高为3.50 m，顶板容易发生回转运动而释放能量，诱发冲击地压，此后开采时顶板结构稳定，工作面一侧形成的砌体梁结构对工作面起到很好的支撑掩护作用，但硬厚顶板周期破断时，释放能量较大，冲击地压发生的可能性增大。
2）采动应力。根据数值模拟结果可知，围岩应力以应力拱的形式推移演化，工作面开挖至0～180 m时，应力变化较大，在工作面前方出现应力集中，工作面开挖至180 m以后时，应力拱范围达到稳定，但在采空区中后部形成多处应力集中区，应力集中系数在2.40~3.15，受采动影响容易诱发冲击地压。
3）相邻采空区的影响。63上05工作面轨道巷与63上04采空区留设3.5 m煤柱，在63上05工作面开采扰动下相邻63上04采空区内的坚硬顶板可能发生二次失稳，容易造成63上05工作面煤体积聚弹性能。
4.2 冲击危险区划分
63上05工作面冲击危险区域综合划分结果如图8所示。
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图 8 63上05工作面回采阶段冲击地压危险区域Figure 8. Dangerous area of rock burst in 63 upper 05 working face1）63上05工作面回采期间轨道巷自切眼起至与63上04采空区形成一次“见方”的范围，共计265 m，在顶板结构与采动应力的影响下，加之受63上04采空区和一次“见方”的影响，预测该区域为强冲击危险区。
2）63上05工作面回采期间轨道巷从一次“见方”阶段推进到与邻近63上04工作面采空区形成二次“见方”的285 m范围内为中等冲击危险。
3）轨道巷剩余区域在回采期间受开采因素的影响减弱，预计轨道巷剩余区域共计
1114 m在回采期间确定为弱冲击危险区。4）63上05工作面运输巷受顶板结构与采动应力的影响，运输巷自切眼起至180 m范围内，预测该区域为中等冲击危险区。
5）运输巷剩余区域在回采期间受开采因素的影响减弱，预计运输巷剩余区域共计
1450 m在回采期间确定为弱冲击危险区。6）63上05工作面停采线距63上04工作面轨道联络巷距离为56.2～65.3 m，工作面开采对轨道联络巷有一定影响，预测联络巷有弱冲击危险。
4.3 验 证
震源分布情况及能量大小如图9所示。
由图9可以看出：随着63上05工作面的推进，震源多数集中在采空区后方的应力降低区以及邻近的63上04采空区，少部分集中在煤壁前方应力升高区以及原岩应力区；工作面推进至0～100 m区域时，直接顶发生初次破断，基本顶发生弯曲变形，此时工作面附近以小能量微震事件为主；工作面推进至100～200 m区域时，基本顶发生初次破断，两硬厚顶板开始出现组合运动，直接顶出现大面积悬顶，悬顶距离为50 m，使得此阶段与上一阶段相比，微震事件发生频次增加明显，其中能量级别在105～106 J微震事件有9次，多集中在63上05工作面轨道巷及63上04采空区中；工作面推进到200～300 m以及500～600 m区域时，即一次“见方”和二次“见方”区域，受到63上04采空区以及双硬厚顶板破断的影响，微震事件发生频次与大能量震动事件与其他的回采阶段相比明显增多。整个回采过程中能量级别在105～106 J微震事件发生区域主要集中在63上05工作面轨道巷一侧以及邻近的63上04工作面采空区中，63上05工作面运输巷附近以小能量震动居多，微震事件发生频次与轨道巷附近相比明显减少。表明对63上05工作面冲击危险区域预测结果较为准确。
5. 结 语
1）建立了硬厚顶板破断失稳力学模型。模拟结果表明：硬厚顶板破断后块体的回转下沉和承载受岩层自身属性（主要表现为顶板的厚度和强度）和赋存条件的影响，且顶板厚度和强度与块体破断时端部竖直载荷TF成正比。
2）直接顶与基本顶的结构形态由砌体梁组成的“V”形演化成“U”形。直接顶初次垮落步距为70 m，周期垮落步距为50 m；基本顶初次垮落步距为110 m，周期垮落步距为40～50 m；双硬厚顶板初次垮落步距与周期垮落步距相较于常规情况明显增大，且基本顶结构演化较直接顶相比具有迟滞性。顶板垂直应力以应力拱的形式推移演化，开采中后期容易在采空区中部形成多处应力集中。
3）预测63上05工作面回采期间具有1个强冲击危险区，2个中等冲击危险区，3个弱冲击危险区，微震监测验证了预测结果准确性。
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图 4 顶板岩层前方破断块体受力特征
Figure 4. Bearing characteristics of broken block in front of roof strata
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图 8 63上05工作面回采阶段冲击地压危险区域
Figure 8. Dangerous area of rock burst in 63 upper 05 working face
表 1 煤岩层力学参数
Table 1 Mechanical parameters of coal and rock
岩 石
类 型密度/
（kg·m−3）体积模
量/GPa剪切模
量/GPa黏聚力/
MPa抗拉强
度/MPa内摩擦
角/（º）泥岩 2 500 5.13 8.75 2.38 3.24 26 中砂岩 2 700 8.10 20.56 8.15 5.78 30 泥岩 2 550 5.13 8.75 2.38 3.24 26 粉砂岩 2 700 8.12 12.87 4.30 5.25 28 煤 1 450 2.45 5.98 2.76 2.69 35 粉砂岩 2 800 8.12 12.87 4.30 5.25 28 细砂岩 2 900 9.23 21.34 7.56 6.89 32 
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