薄基岩顶板工作面突水溃砂及切顶灾害试验研究

薄基岩顶板工作面突水溃砂及切顶灾害试验研究

河南省新乡市453000Summary：突水溃砂灾害已成为影响浅层煤炭资源安全开采的关键问题之一，突水溃砂是由浅埋深、薄基岩、富含潜水的厚松散覆盖层特殊水文工程地质环境决定，涉及采区工程地质构造、水文地质、工程地质、煤层、覆层和开采方式等诸多因素。基于此，本文详细论述了薄基岩顶板工作面突水溃砂及切顶灾害试验。Keys：顶板工作面；突水溃砂；切顶灾害试验煤层一次采出厚度大，导致直接顶冒落高度增加。而且在薄基岩情况下，顶板破断后不易形成稳定结构。顶板破断易造成工作面突水溃砂，严重影响工作面生产。因此，研究分析薄基岩顶板工作面突水溃砂及切顶灾害试验意义重大。一、试验台主体在满足几何、运动、动力相似基础上，研制了综合试验平台，用于模拟顶板切落、动载、突水溃砂的同时发生。试验平台包括：可垂直与水平加载试验台主体，能采集动载荷支架系统，向试验台提供压力的电液控系统，以及红外成像相机、高速相机、超声波探测仪等辅助观测手段。二、模型设计与铺设1、模型设计。为模拟薄基岩、厚松散层高强开采工作面，以某煤矿31406综采工作面为工程背景。煤层厚度3.2m，主要含水层为31.2m厚的粗砂岩，松散层厚50m，其中黄土层厚35.5m，风积砂层15.25m，通过液压加载系统施加不同外力来模拟不同松散层厚度。2、模型铺设。试验采用平面应变模型，几何相似比为100∶1。开挖前，通过电液加载系统向模型表层黄土施加0.008MPa外力，以补偿地应力。三、试验结果与分析1、顶板破断、失稳和裂隙发育规律。为在有限模型长度下获得更多来压信息，开挖前，模型右边界解除了约束，以形成自由面，工作面从右向左推进。当工作面推进30cm时，伪顶随工作面推进随采随冒；当工作面推进到60cm时，直接顶在煤壁上方突然垮落，而且由于支架作用，支架顶梁后方也存在拉裂隙，并且因模型右边界约束被去掉，整块直接顶向采空区方向发生回转变形；当推进到70cm时，直接顶垮落更明显，并已在采空区触矸；当推进到80cm时，来压已趋于稳定。工作面继续向前推进，到100cm时，基本顶突然大面积切落，形成超前破断，超前距离20cm，超前破断产生裂缝在煤壁前方及上方约45°方向延伸；直接顶贯通后，裂隙向上发展约90°，裂隙贯通基本顶延伸至松散层；推进至110cm时，基本顶在小范围内离层，裂隙更发育，导通含水层，少量水渗入工作面；当推进至130cm时，直接顶将再次垮落，并在采空区形成铰接结构。当工作面推进到180cm时，基本顶再次破断，破裂步距约60cm，并回转，在工作面推进中，顶板产生的离层裂隙被压实，破碎岩块间咬合点从岩块下部转移到上部，水砂通道闭合；工作面前方产生新裂隙，并随着工作面推进逐渐发育；工作面继续推进，基本顶将周期性破断并形成铰接结构。通过超声波测试结合超声波速数据，能反映工作面推进中顶板内部裂隙的发育。在本次试验的超声波测试中，用对测方式将仪器两极分别放在模型厚度两侧相应测点上，仪器两极通过凡士林与模型耦合接触，测得超声波信号数据。从注水前到开挖200cm，波速通常会下降，这是由开挖引起的岩体破坏引起的裂隙造成，因波速在不同介质中传播速度从大到小：固体、液体、气体。注水前波速小于注水后未开挖波速，因测点1布置在含水层，并正好对应内部水槽，注水前，相当于在气固体混合介质中传播，注水后在液固混合介质中传播。根据测点的波速分析，从模型开挖到推进60cm期间，波速呈下降趋势，表明基本顶裂隙逐渐发育；当推进60～80cm时，波速上升，表明基本顶有下沉而未垮落趋势，因此一些裂缝会被压实；推进至100～180cm后，波速显著降低，因顶板超前破断，产生延伸至地表竖直裂缝，且随工作面推进，裂缝继续发育张开；在180cm后，基本顶再次破断，但岩块间形成铰接结构，基本顶趋于稳定，裂隙被压实，因此波速有上升趋势。测点4波速较低原因是其附近存在较大裂隙或空洞，但变化幅度与测点1～3处波速相似。2、突水溃砂与顶板切落并发灾害。从试验中红外相机拍摄结果发现，顶板大面积切落产生的竖直裂隙是突水溃砂的有利通道，但在水平方向上，裂隙可能会短距离转折，然后继续向下延伸。转折处裂隙是防止突水溃砂的有利条件，转折处裂隙将随工作面推进而逐渐压实，水砂通道会闭合。在实际生产中，为防止两种灾害对工作面影响，应及时移架，加大支架初撑力，减少切顶事故的发生；可适当加快工作面推进速度，以快速闭合水砂通道。3、支承压力变化规律。为观测工作面前方支承压力分布，沿工作面推进方向，在煤层底板岩层右侧10cm处每隔20cm布置一个SZY-3-B型压力盒，分别为压力盒1～11。如图1所示。图1

压力盒位置在模型开挖初期，煤层顶板相对稳定，压力盒1平均支承压力为0.02MPa，上覆岩层部分载荷通过支架传递至底板岩层；随着模型继续向前开挖，工作面上覆岩层中先出现一条延伸至工作面上方的微小裂隙。当推进至60cm时，覆岩中又出现一条向工作面上方延伸的裂隙，顶板沿裂隙突然切落。此时，工作面前方和后方支承压力显著增加；工作面处支承压力保持在较小值；模型继续向前开挖，达到70cm时，直接顶垮落更明显，压力盒5处支承压力突增并始终保持较高值；当推至100cm时，覆岩在工作面前方骤然破断，整体切落，将支架压死，工作面继续推至120cm时，压力盒5处支承压力达到最大；顶板破断后，支承压力峰值降低并移动至煤壁深度，呈现动态分布特征。模型右侧预留一个10cm宽空隙，导致上覆岩层垮落后回转，在采空区远处形成支点以平衡，上覆岩层大部分载荷作用在此支点。压力盒1的支承压力始终较高，平均支承压力为0.05MPa。四、顶板切落灾害的力学分析1、顶板块体间滚动摩阻因素力学机理。根据“砌体梁”理论，破断岩块可通过相互挤压和咬合来维持岩层平衡状态。随着工作面向前推进，基本顶将变形并形成垂向裂隙，当接触点剪切力大于摩擦力时，形成滑落失稳。有学者研究了岩块间滑落失稳的滑动摩擦因数，并建立了滑动摩擦因数与凸起角度间关系的力学模型。事实上，当水砂流体涌入顶板裂隙时，顶板块体由之前的滑动摩擦逐渐变为滚动摩擦。在外力不变条件下，同一界面滚动摩擦力远小于滑动摩擦力，所以若砂砾涌入裂隙，更易诱发切顶滑落灾害。2、不同摩擦阻力下顶板稳定性。当岩层断裂时，有时断裂呈现一定角度，在不考虑溃砂引起的摩擦因数降低情况下，块体间关系如图2所示。图2

岩块咬合点处的平衡对于图2a所示岩块位置，一般情况下，顶板岩石内摩擦角为38～45°，因此节理面与岩层交角小于45°(对应内摩擦角38°)～52°(对应内摩擦角45°)时，将发生滑落失稳。对图2b所示情况，滑落失稳相对较难发生。也就是说，节理面倾斜方向与工作面推进方向一致时，结构不易实现平衡，相反，有利于控制顶板。若水砂涌入顶板裂隙，大量砂颗粒充入块体，块体间摩擦力将从滑动摩擦转移到滚动摩擦。结合力学模型及顶板块体力学失稳机理，在实际生产中，通过及时移架，增加支架初撑力，即变相增加块体间摩擦力。同时，应加快工作面推进速度，使水砂通道快速闭合，减缓减摩速度，从而避免顶板切落引起的动载冲击，降低突水溃砂及顶板切落灾害发生率。综上所述，薄基岩煤层赋存条件稳定，厚度大，变异性小，倾角小，适合根据顶板基岩厚度布置采高大合适采高、推进距离长、推进速度快的高强度开采回采工作面。随着一次采出厚度采厚的增加，顶板裂隙发育增加，直接顶