大埋深高地压弱结构面顶板岩层诱发冲击

地压离心模型试验

段宏飞¹，姜振泉¹，朱术云¹，孙强¹，刘德乾²，杨伟峰¹

(1. 中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州，221116；

2. 河北工程大学 土木工程学院，河北 邯郸，056038)

摘要：针对赵楼矿井首采区近1 km深部拟开采的3煤(即山西组稳定可采煤层)冲击地压问题，考虑断层切割顶板的实际情况，概化出弱结构面顶板工程地质模型并进行离心模型试验。研究结果表明：对于离心模型模拟的弱结构面顶板条件，直接顶来压过程中煤柱压力较低，而老顶来压过程对煤柱受力的影响明显，是引起冲击地压的主要动力来源；顶板被断层切割时，顶板岩层的完整性受到破坏，应力在构造部位重新分布，形成构造应力集中，是引发冲击地压的危险部位；回采工作面揭露断层后，下盘顶板沿断层面失去煤体支撑而形成“悬臂梁”，由此大大降低了顶板的支撑强度，容易发生因顶板突然断裂而形成的冲击压力，这种构造条件下厚-巨厚层极坚硬顶板易发生冲击地压。研究结果为赵楼矿井巷道的合理布置、支护及采动冲击地压的潜势性评价提供了重要的参考依据。

关键词：大埋深；弱结构面；离心模型；冲击地压

中图分类号：TD31         文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2011)09-2774-09

Centrifuge model tests on rock brusting induced by great depth highly stressed roof strata of weak structural plane

DUAN Hong-fei¹, JIANG Zhen-quan¹, ZHU Shu-yun¹, SUN Qiang¹, LIU De-qian², YANG Wei-feng¹

(1. College of Mineral Resources and Earth Science, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China;

2. School of Civil Engineering, Hebei University of Engineering, Handan 056038, China)

Abstract: For the problem of rock busting of three coals intended to be exploited nearly 1 km depth of Zhaolou Mine, considering the actual situation of the fault cutting roof, the geological model of weak structural plane was built and centrifuge model tests were conducted. The results show that the direct roof weighting process has comparatively low pressure on coal pillar, whereas the main roof weighting process has more significant influence on it, which is the primary power origin of rock bursting. In the context where the roof is cut by faults, the integrity of roof strata is damaged, stress redistributes at construction site, tectonic stress concentration is formed which is dangerous position inducing rock brusting. Footwall roof loses support from coal body and then transforms into cantilever beam after the extracting working face exposes the faults, thus the support intensity of the roof greatly reduces, and it is prone to occur rock brusting produced by sudden rupturing roof. Thick to hugely thick roof and extremely hard roof are easy to form rock brusting in this structure. The research provides an important reference for rational arrangement, reinforcement and mining rock brusting of roadway of Zhaolou Mine.

Key words: great depth; weak structural plane; centrifuge model; rock brusting

华北石炭二叠系煤田是我国重要的产煤矿区之一，然而，上部煤层近乎枯竭，许多矿井纷纷转入下组煤开采阶段。随着矿山开采深度的增加，地应力不断增大，深部开采的矿压问题日益严重，煤矿冲击地压问题已成为影响煤矿安全生产的重大关键问题之一。对于冲击地压的研究，国内外学者^[1-7]开展了大量的研究，先后从不同角度提出了一系列重要理论，如强度理论、刚度理论、能量理论、冲击倾向性理论、突变理论、分形理论等。这些理论对冲击地压的研究起到了很大的推动作用，但是，由于冲击地压现象复杂，采用传统的数学、力学等学科很难建立相应的数学模型。目前，对于深部岩体采动覆岩变形和顶板聚压规律，刘巍等^[8-12]采用相似材料模拟实验进行了研究，然而，由于其无法真实模拟原岩压力条件和介质的力学环境，其研究成果受到限制。与其相比，离心模型实验以能使模型自重提高到与原型相同的状态并具有再现原型特征的特点，在岩土工程领域应用十分广泛^[13-15]，而用于煤矿地下开采的工程力学问题研究尚处于起步阶段，迄今为止，国外已有的应用实例主要限于煤矿围岩稳定问题的模拟试验^[16-17]，国内仅限于采动覆岩移动中深厚土体沉陷变形问题的研     究^[18-19]，而关于深部采动岩体覆岩变形和顶板聚压诱发冲击地压的研究更少^[20]。为此，本文作者在充分研究兖矿集团赵楼矿井首采区深部拟开采的3煤(即山西省稳定可采煤层)冲击地压影响因素的基础上，考虑断层切割顶板的实际情况，建立顺断层倾向开采的弱结构面(以下统称为弱结构面)顶板工程地质模型并进行离心模型试验，得出弱结构面煤岩层采动过程中工作面后方煤柱(即切眼煤柱)、前方煤柱、直接顶和老顶岩层应力集中程度和变形情况，得到3煤开采冲击地压潜势性特征及其显现规律，由此确定矿压显现危险部位，引导后期开采过程中矿井冲击地压的预防和治理。

1  赵楼矿井首采区发生冲击地压的机理分析

赵楼井田位于郓城县城东南约22.0 km，巨野县城西13.0 km。南北长约9.9 km，东西宽12.0~15.9 km，面积为144.89 km²，是兖矿集团在菏泽煤田的首采矿井。煤层坚硬且具有强烈的冲击倾向性，地质构造复杂多变，次级构造分布广泛，存在构造应力。根据钻孔资料分析，首采区主采的3煤埋深平均约1 km，包括150 m的基岩和850 m左右的新生界松散层。该煤层位于山西组中、下部，厚为0~11.36 m，平均为5.19 m，属较稳定煤层，结构较简单，含0~3层夹石；夹石岩性多为泥岩、炭质泥岩；顶板多为泥岩、粉砂岩、中砂岩、细砂岩，偶见粗砂岩；底板多为泥岩、粉砂岩。

1.1  煤岩体的强度与岩性组合

煤岩体的强度与岩性组合是发生冲击地压的物质条件。赵楼3煤及顶、底板试样力学性能见表1。由表1可以看出：直接顶板中细砂岩强度高，其单轴抗压强度超过130 MPa，抗拉强度接近10 MPa，弹性模量在40 GPa以上，按《工程岩体质量分级标准》属坚硬岩类，而且其弹性变形和脆性破坏特征非常明显，有利于发生冲击地压。

1.2  煤岩体冲击倾向性

煤层具有冲击倾向性是煤层发生冲击地压的必要条件。赵楼煤矿3煤顶板各分岩层的弯曲能量见表2。由表2可以看出：赵楼煤矿3号煤层复合顶板弯曲能量指数为38.35 kJ，大于10.00 kJ而小于100.00 kJ，按《岩石冲击倾向性分类及指数的测定方法》分类依据，3煤顶板中细砂岩岩层属2类，为具有弱冲击倾向性的顶板岩层。但需指出的是：实验室进行的煤岩冲击倾向性鉴定结果反映的是煤、岩弹性特征和弹性应变能的聚集特性，反映了赵楼煤矿3煤及其顶板岩层具有形成冲击地压的物质基础。但在实际采掘过程中，在一定的地应力状态、构造聚压条件下，形成冲击地压的可能性及强度，在很大程度上取决于煤岩复合体的强度及变形破坏特性。赵楼矿3煤顶板岩层的单轴抗压强度都较高，单层厚，采样深度将近1 km，地压对煤、岩层产生冲击性的作用加大，会在一定程度上加重冲击倾向性。

赵楼煤矿3煤试样冲击倾向性各级指数及判定结果见表3。由表3可以看出：3煤中分层煤样冲击能量指数的平均测试值为4.96，按《煤层冲击倾向性分类及指数的测定方法》分类依据，在1.50~5.00的弱冲击倾向性范围；但其弹性能量指数的平均测试值为5.24，大于5.00，属强冲击倾向性范围；动态破坏时间的平均测试值为45 ms，小于50 ms，属强冲击0倾向性范围。根据煤层冲击倾向性的3个指数的各自特性，动态破坏时间的隶属度为0.4，冲击能量指数和弹性能量指数的隶属度各为0.3，由此判定赵楼煤矿3煤煤样的中分层煤属于3类，为具有强冲击倾向性的煤层；3煤上、下分层动态破坏时间的平均测试值分别为42 ms和46 ms，都小于50 ms，属强冲击倾向性范围，冲击能量指数的平均测试值分别为7.39和8.12，都大于5.00，属强冲击倾向性范围；由此判定赵楼煤矿3煤上、下分层均属3类，为强冲击倾向性的煤层。根据3个分层煤样冲击倾向性测试结果，赵楼煤矿3煤的冲击倾向性属于3类，为具有强冲击倾向性的煤层。

表1  赵楼矿井3煤及顶、底板试样力学性能

Table 1  Mechanical properties of 3 Coal and its roof and floor of Zhaolou Mine

表2  赵楼煤矿3煤顶板各分岩层的弯曲能量

Table 2  Bending Energy of 3 Coal Roof Strata of Zhaolou Mine

表3  赵楼煤矿3煤试样冲击倾向性各项指数及其判别结果

Table 3  Index and discrimination results of burst tendency of 3 Coal

1.3  矿井构造发育规律和地应力环境

井田内不同方向的断层和褶皱相互交织，构成了一幅较复杂的构造图像。尽管如此，由于赵楼井田褶皱构造发育宽缓、简单，而断裂构造较复杂，因此，井田构造特征主要由断层控制。但是，井田中断裂构造的发育是极不均匀的。已有资料表明，断裂构造具有明显的分区性，并且依据井巷揭露情况，尚有一定数量的未知断层。其中，井田内断裂受区域构造的控制，可分为近NS，NW，NE及NNE向4组；其中以NE向断层较多，NW向断层组多为落差、延展长度较小的断层。矿区内除田桥断层、赵河东断层、赵河断层、毕垓断层、陈庙断层、康垓断层、Fx27以及Fx20，Fz14，Fz18，Fz19，F20，F29和 F33落差较大外，其余均为落差低于50 m的中、小断层。总结分析各勘察阶段的成果，结合井巷开拓中实际揭露的断层，对井田内的断层进行综合研究，共总结断层167条，其中：NNE向断层34条，NE向断层72条，NW向断层35条，近NS向断层26条。

煤层中的应力状态是煤层发生冲击性破坏的重要条件。可以定性了解构造聚压的程度及性质，为采动覆岩变形破坏过程的动能聚集条件评价提供关键依据。赵楼煤矿于2007—01完成了2个测点的原岩应力测试工作，取得了地应力和状态的实测数据(见表4)。采用钻孔套芯应力解除法进行测试，测点位置如图1所示。实测位置的原岩初始应力有如下特点：

(1) 地应力场的最大主应力为水平应力，最大水平应力的方向为NE75?~83?。

(2) 水平应力大于垂直应力，最大水平主应力为垂直应力的1.47~1.83倍，对井下岩层的变形破坏方式及矿压显现规律有很大的影响。

(3) 实测的最大水平主应力为最小水平主应力的1.15~1.45倍，水平应力对巷道掘进的影响具有较明显的方向性。

(4) 实测的垂直应力大于按照上覆岩层厚度和容重计算的垂直应力。

表4  应力解除法测得的应力及比值

Table 4  Stress proportion of stress relieving method

图1  应力解除法地应力测量位置示意图

Fig.1  Schematic diagram of in-situ stress measurement in stress relieving method

2  弱结构面顶板岩层离心模型试验

2.1  试验设备

试验在南京水科院NS-50型土工离心机(见图2)上进行。该离心机最大容量为50 g?t；最大加速度为250 g(1 g=9.8 m/s²)；有效旋转半径为2.51 m。

图2  NS-50型土工离心机系统结构示意图

Fig.2  Structural schematic diagram of centrifuge of NS-50

2.2  试验设计

2.2.1  离心模型相似比

要从模型性状准确地预测原型性状，模型试验必须满足相似准则。若采用与原型同样性质的材料制模，且使模型与原型所处的应力状态一致，则可以使模型与原型相似。离心模型相似基本准则为g_m=ng_p(其中，n为模型率，且n=l_p/l_m)。它表示模型与原型材料一致时，若长度量纲l缩小n倍，则模型的重力加速度g_m必须比原型的g_p增大n倍，这样才能保持模型与原型中重力所产生的应力一致。然而，本次离心模拟试验设计的目的是直接顶和老顶形成一次完整的初次垮塌过程，考虑到原型3煤直接顶板和老顶由极坚硬的细砂岩和中砂岩构成，结合试验所用离心机的有效加载水平，严格按相似比制作离心模型。模型可能会因顶板模拟岩层的强度较高而影响其在试验过程中变形破坏的显现程度，甚至可能出现顶板不垮塌的情况，为此，参照前期相似模拟试验的模型制作经验，采用对煤层及顶板岩层全部按36%比例进行了弱化处理。原型煤层顶板岩层的平均重度γ_p取25 kN/m³，离心模型相似材料的平均重度γ_m设计为16 kN/m³，各种离心模型物理量相似比见表5。

表5  离心模型试验各物理量相似比

Table 5  Similarity ratios of centrifuge model test

沿工作面走向简化为平面应变问题，两侧各留一定宽度的保护煤柱，上覆松散土层的重力作用采用补偿压力模拟体现。

2.2.2  试验模型设计

本次试验主要研究弱结构面顶板岩层采动覆岩变形和受力情况，为了考虑采动过程中弱结构面的影响，试验模型顶板分布有一倾角为45°的顺断层倾向结构面模型，分别在直接顶、老顶及煤层相应位置设置测点，所有测点均埋设微型土压传感器，连续测取设计测点在煤层采动过程中的压力(离心机平稳加速开始每隔5 s取值)。测点编号分别为：后方煤柱为1，前方煤柱为2，直接顶为3，4(试验中出现故障)和5，老顶为6~9，其中，在弱结构面处的测点在结构面上、下各布置1个。测点设置及结构示意图、实物照片如图3所示。

图3  模型结构示意图和实物模型

Fig.3  Model structure diagram and physical model

2.2.3  试验模型设计参数

试验模型设计参数见表6~8。

表6  模拟层位主要物理力学性能

Table 6  Physical mechanics properties of simulating coal roof strata

表7  离心模型煤层及顶板材料力学性能

Table 7  Physical mechanics properties of coal seam and materials of roof in centrifuge model

表8  离心模型煤层及顶板材料配比

Table 8  Simulation materials proportion of coal seam and roof in centrifuge model

2.3  试验过程控制

(1) 试验采用的设计加速度为156 g，离心机转速为435 r/min，在3 min内从启动达到设计转速。

(2) 每次开挖煤层长度为5 cm，共开挖40 m。模型开挖前先进行加载，测定各点原始压力，然后进行第1次开挖，加载到设计加速度，待各测点压力稳定后，停机观测顶板破坏尺寸，进行第2次开挖，然后加载→停机→开挖→加载，直至开挖到40 cm为止。对各测点数据进行处理，取加载稳定后的数值，主要研究各测点的压力变化值^[21]。

(3) 模型转动轴上装有40个银质滑环通道用于信号传输，并配有一套CCD摄像系统，可随时监测试验过程中模型的变化，试验模型箱一测为可装卸的有机玻璃，作为试验过程中模型的监测窗口。

3  离心试验结果及分析

根据离心模拟试验结果，除传感器4在试验过程出现故障外，其余10个传感器都连续输出测试数据，且模型拆卸后初始归位，表明试验过程中传感器工作正常，测试数据可信度较高。

3.1  顶板变形情况

模型开挖标志段的顶板变形情况如图4所示。从图4可见：开挖15 cm加载稳定后直接顶稳定，开挖20 cm后(揭露断层弱结构面)离心加载前直接顶即出现部分垮塌，加载稳定后直接顶全部垮塌，且老顶下部出现明显水平离层裂缝；开挖25 cm加载稳定后，老顶下部60%厚度的顶板垮塌，且至开挖30 cm加载稳定后垮塌长度加大，但顶部仍未全部垮塌；至开挖35 cm加载稳定后，老顶全部垮塌。

图4  开挖标志段的顶板变形情况

Fig.4  Schematic diagrams of roof deformation of centrifuge model in different mining steps

3.2  煤柱压力变化情况

根据离心模型试验的结果，模拟采动过程中后方和前方煤柱压力集中程度(相对于初始状态压力的升高幅度)，通过如图5所示的采动过程煤柱压力变化曲线予以体现。

3.3  直接顶板压力变化情况

离心模型试验模拟煤柱开挖过程直接顶板的压力变化，如图6所示。试验中，除测点4传感器出现故障没有读数外，其余3个都正常工作。在测试过程中，因开采聚压和卸压导致不同位置压力变化幅度较大。

图5  煤柱压力分布

Fig.5  Distribution of pressure on coal pillar

图6  直接顶压力分布

Fig.6  Distributions of pressure on direct roof

3.4  老顶板压力变化情况

离心模型试验模拟煤柱开挖过程老顶的压力变化，如图7所示。老顶每隔10 cm在同一高度布置4个传感器，弱结构面上下各布置1个传感器，共5个传感器，试验中都正常工作。在测试过程中因开采聚压和卸压导致不同位置压力变化幅度较大。

图7  老顶压力分布

Fig.7  Distributions of pressure on main roof

4  试验结果综合分析

4.1  采动过程煤柱的受力特点

离心模型模拟的弱结构面顶板条件的煤柱在煤层开挖过程的应力集中现象和趋势性非常明显，且煤柱压力的聚集程度及其变化明显受顶板结构条件的   影响。

(1) 据后方煤柱压力随开挖的变化过程，在采动过程中，后方煤柱的压力集中程度与顶板变形的关联性比较明显。离心模型模拟的结果显示出煤柱明显受力集中于直接顶垮塌前的压力急剧升高阶段。如图6~7所示的顶板变形情况，直接顶一般在10 m开挖段加载稳定后出现最高压力聚集，此时，老顶也开始明显显现压力聚集。与其相对应的是后方煤柱压力自采空10 m开始急剧变化(见图5)，至开挖15 m煤柱压力集中程度基本达到峰值或接近峰值；其后随老顶变形、垮塌，煤柱压力虽有所变化，但变化幅度不大，反映出后方煤柱的主要压力聚集形成于直接顶和老顶的初次来压共同显现阶段。

(2) 据后方煤柱压力聚集程度的差异情况，离心模型中其压力集中幅度在10 MPa以上，仅为模拟初始压力(20 MPa)的50%。

(3) 离心模型的前方煤柱测点布置于距切眼40 cm位置。根据模型模拟反映的情况，前方煤柱压力明显聚集的超前步距较大，煤柱压力聚集分别超前35 m和25 m即达到相对稳定的状态(见图6和图7)。从前方煤柱在开挖过程的受力程度看，弱结构面顶板的压力聚集程度较低，均为50%左右。

4.2  采动过程顶板的聚压特点

煤层开挖引起上覆顶板的应力重新分布和下沉变形，随着采空段的加长，顶板岩层内的应力也随着顶板变形扩展而发生变化。根据采动过程直接顶和老顶各测点位置的应力变化(见图6和图7)，结合顶板变形破坏情况，可以总结出弱结构面顶板来压过程压力聚集特点的基本规律及不同顶板条件的差异。

(1) 在顶板被弱结构面切割情况下，在采动过程中顶板虽表现有一定的受力不连续性，但直接顶和老顶结构面两侧的受力强度没有出现太大的差异(见图6和图7)。

(2) 弱结构面切割在直接顶板产生的最明显的力学效应导致了结构面两侧出现变形不连续性。如图8所示，弱结构面顶板被揭露后，测点下盘显现受拉状态，而上盘仍处于受压状态。这种变形差异性特征在模型加载过程有明显反映，如图8所示。

(3) 如图6所示，在开挖过程中，直接顶板各测点处于悬空前均表现为受压应力作用，且所受压强度随采空临近逐步升高。测点悬空后则转为受拉张作用，且拉应力也随继续开挖而不断升高，直至垮塌。说明顶板垮塌主要是拉张应力聚集所致，而直接顶的垮落步距与其抗拉强度密切相关。

(4) 从聚压程度看，老顶与直接顶的差异非常显著。从图6可以看出：直接顶随开挖的压力聚集程度相对平缓，且强度较低，几个测点位置强度普遍在6 MPa左右；而开挖后老顶的压力聚集程度明显比直接顶的强，至老顶垮落前测点8的最大聚压强度达到14.6 MPa(见图7)。

(5) 根据模拟反映的情况，直接顶测点受力状态(由受压转为受拉)的变化大致与悬空状态的同步。而老顶测点的受力状态变化明显滞后于直接顶的状态变化，滞后程度取决于直接顶的变形，且直接顶初次来压过程的压力聚集速度明显要高于老顶的聚集速度。从图7可以看出：虽然测点3上盘和测点7同处相同断面(距切眼15 m)，测点3上盘(直接顶)悬空前最大压力聚集程度为6.1 MPa，悬空后最大拉应力聚集程度达-4.2 MPa时垮塌；而测点7(老顶)开挖30 m时压力聚集程度为7.6 MPa，开挖至35 m才转为受拉，受拉强度为-4.8 MPa。其他直接顶与老顶对应测点在采动过程中的压力变化，也大致表现出与上述类似的差异性。直接顶与老顶在来压时间、聚压强度及受力状态等方面的差异性反映了采动覆岩移动变形的基本特点，符合采动矿压的递变和扩展规律。

图8  弱结构面两侧变形差异性图示

Fig.8  Deformation differences on bilateral weak structural plane region

5  结论

(1) 煤岩力学性质测试反映出3煤直接顶板中细砂岩强度高，其弹性变形和脆性破坏特征非常明显；经过对煤样的冲击能量指数、弹性能量指数和动态破坏时间指标的测试，结果表明3煤具有强冲击倾向性，经过对3煤顶板砂岩弯曲能量指数的计算，结果判断顶板具有弱冲击倾向性，综合分析矿井具备了冲击地压发生的地质条件。

(2) 直接顶板悬空前处于受压状态，悬空后较短时间内即转为受拉状态，其垮落步距主要取决于岩层的结构和抗拉强度；老顶在来压时间、聚压强度及受力状态方面与直接顶板存在明显的差异。一方面老顶聚压过程比较缓慢，其受力状态的转变较直接顶明显滞后，一般是悬空一定距离后才逐渐由受压状态转换为受拉，至老顶初次垮塌前的临界状态。

(3) 切眼煤柱压力变化大致与直接顶板的来压过程同步，至直接顶垮塌前的临界状态，老顶也开始明显聚压，此时切眼煤柱压力基本达到最高；对于离心模型模拟的弱结构面顶板条件(直接顶厚度较小且强度较低，老顶厚度较大且强度较高)，直接顶来压过程煤柱压力较低，而老顶来压过程对煤柱受力的影响明显，是引起冲击地压的主要动力来源。

(4) 在顶板被断层切割情况下，顶板岩层的完整性受到破坏，应力在构造部位重新分布，形成构造应力集中，是引发冲击地压的危险部位。但采掘工艺也会导致构造的影响产生差异：在工作面顺断层倾向推进情况下，弱结构面部位两侧顶板形成变形不连续；回采工作面揭露断层后，下盘顶板沿断层面失去煤体支撑而形成“悬臂梁”，由此大大降低了顶板的支撑强度，容易发生因顶板突然断裂而形成的冲击压力，在这种构造条件下，厚-巨厚层极坚硬顶板易发生冲击地压。

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(编辑 陈灿华)

收稿日期：2010-08-12；修回日期：2010-11-10

基金项目：国家青年科学基金资助项目(40802076)；中国矿业大学青年科研基金资助项目(2009A029)；江苏省博士后基金资助项目(1001047C)

通信作者：段宏飞(1983-)，男，山西大同人，博士研究生，从事煤矿工程地质与岩土工程的研究；电话：15852149599；E-mail: dhfcumt9@126.com