浅埋薄基岩工作面水砂溃涌通道形成机理.pdf

第4 5 卷第1 2 期 2 0 2 0 年1 2 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 5 D e c ． N o ．1 2 2 0 2 0 移动阅读 杨俊哲，张彬，付兴玉，等．浅埋薄基岩工作面水砂溃涌通道形成机理[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 0 ，4 5 1 2 4 1 4 4 4 1 5 3 ． Y A N GJ u n z h e ，Z H A N GB i n ，F UX i n g y u ，e ta 1 ．F o r n l a t i o nm e c h a n i s mo fw a t e ra n ds a n di n n l s hc h a n n e li ns h a j l o wb u 卜 i e db e d r o c kf 孔e [ J ] ．J o u m a lo fc h i n ac o a ls o c i e t y ，2 0 2 0 ，4 5 1 2 4 1 4 4 4 1 5 3 ． 浅埋薄基岩工作面水砂溃涌通道形成机理 杨俊哲1 ，张彬2 ⋯，付兴玉2 ⋯，吴作启2 ⋯，季文博2 ’3 1 ．神华神东煤炭集团有限责任公司，陕西榆林7 1 9 3 1 5 ；2 ．煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京1 0 0 0 1 3 ；3 ．煤炭科学研究总院煤炭 资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京1 0 0 0 1 3 摘要为了研究浅埋薄基岩工作面溃水溃砂致灾原因，采用现场实测、理论分析、相似模拟等方法研 究了工作面切顶压架导致基岩裂隙导通工作面与含水松散层的发生机理。建立了覆岩组合承载结构 模型，论证了“主控层一软弱层”组合承载结构模型在神东矿区浅埋薄基岩工作面覆岩破断过程中的适 用性与合理性，通过组合承载结构模型对神东矿区浅埋薄基岩工作面覆岩组合结构稳定性进行了分 析并推导了覆岩组合结构滑落失稳判据，揭示了冲击荷载形成条件并给出了最大冲击荷载计算方法。 利用相似材料模拟实验开展了基栽比分别为0 ．6 2 5 ，0 ．7 5 0 ，0 ．8 7 5 ，1 ．1 2 5 四种工况的相似模拟实验，研 究不同“基载比”条件下覆岩结构破坏规律，实验结果表明基载比对主控岩层破断步距的影响方面初 次来压前4 类工况中直接顶均发生初次破断冒落，当基载比为0 ．8 7 5 ～1 ．1 5 0 时，直接顶初垮步距及冒 落厚度增幅减小；当基载比为0 ．7 5 0 ～1 ．1 2 5 时，初次来压步距呈现增大趋势，直接顶冒落厚度呈现减 小趋势；当基载比由0 ．6 2 5 增加至1 ．1 2 5 过程中周期来压步距呈现明显整体增大的趋势，周期来压相 对于初次来压冒落岩层厚度明显减小。基载比对覆岩结构形态的影响方面当基载比 0 ．7 5 时中上位岩层断裂岩块块度为江O ．0 9 ～ o ．5 0 ，部分岩层可形成稳定简支结构，覆岩表现为下位冒落、中上位“简支梁一简支梁”组合承载结构， 基载比由0 ．6 2 5 增加至1 ．1 2 5 过程中，对于块度i 0 ．5 0 的中位岩层断裂岩块，将形成单回转岩块结 构，该层位岩块架后切落始终存在，对于块度0 ．2 5 i 0 ．5 ，a n dt h ec u t ．o f fo ft h em c kb l o c k sa tt h i sl e v e la l w a y se x i s t s ．F r a c t u r e dr o c k b l o c k si nt h eu p p e rs t r a t aw i t hi 0 ．5w i l lf b 瑚as i m p l ys u p p o r t e db e a ms t r u c t u r e ，a n dt h eo V e r a Uo V e r b u r d e nw o u l d f o mac o o r d i n a t e db e a r i n gs t l l l c t u r e ，t h el o w e ro v e r l y i n gr o c k sc o l l a p s ea n dt h ec o m b i n e db e a r i n gs t n 】c t u r ea p p e a r e d i nm i d d l ea n du p p e rr o c kf 0 瑚a t i o n s ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa g r e e dw i t ht h et h e o r e t i c a lm o d e l s ．T h em e a s u r e dr e s i s t a n c e o ft h eb r a c k e ti nt h ei n i t i a lm i n i n ga r e ao f2 2 4 0 2w o r k i n gf a c ew a sb e t w e e n50 0 0 60 0 0k No na V e r a g e ，a n d0 b V i o u s d y n a m i cp r e s s u r eo c c u n - e dd u r i n gi n c o m i n gp r e s s u r e ．T h et o pp l a t ew a sc u to f rb yp r e s s u r ea n dt h ew o r k i n gf a c ea n d t h ea q u i f e rw e r ec o n n e c t e db yf r a c t u r ec h a n n e l s ．T h e r e f o r e ，i ti sp o s s i b l et oe f k c t i V e l yp r e v e n tt h eo c c u r r e n c eo fw a t e r a n ds a n di n l l J s h e sb yi n c r e a s i n gs t e n tr e s i s t a n c e ． K e yw o r d s w a t e ra n ds a n di n m s h ；s h a l l o wo v e r b u r d e na n dt h i nb e d r o c km i n i n gf a c e ；c o m p o s i t eb e a r i n gs t m c t u r e ；k e y s t m t u m ；o v e r l y i n gs t r a t am o v e m e n t 神东矿区首层煤炭资源开采过程中多次发生 溃水溃砂灾害。神东矿区首层煤炭资源普遍赋存 深度为1 0 0 ～1 5 0m ，平均煤层厚度为5m ，埋深浅、 厚度大、基岩薄、上覆松散层厚度大是首采煤层典 型赋存特征。煤矿溃水溃砂灾害的发生条件和致 灾机理十分复杂，与砂土体赋存形式、覆岩破坏及 基岩裂隙发育形态、煤层覆岩厚度和强度、上覆含 水层的规模和性质、覆岩破坏形式、开采方式等很 多因素有关。 针对浅埋薄基岩工作面溃水溃砂问题众多学者 开展了大量研究。许家林等提出了覆岩体系中关键 层的判别方法以及不同关键层组合条件对覆岩破坏 特征的影响机制旧J 。黄庆享等通过陕北浅埋煤层保 水开采的模拟研究与采动损害实测，揭示采动覆岩裂 隙主要由上行裂隙和下行裂隙构成，采动裂隙带的导 通性决定着覆岩隔水层的隔水性。实验分析上行裂 隙带发育高度的计算公式，模拟测定下行裂隙带的发 育深度，基于采动裂隙发育程度与采高和隔水岩组的 关系，提出以隔采比为指标的隔水性判据口‘5 。侯忠 杰基于“短砌体梁”结构和“台阶岩梁”结构理论，对 浅埋煤层砌体梁理论的适用性开展了研究∞J 。隋旺 华等深入分析溃砂颗粒在突水溃砂过程中的受力情 万方数据 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 况，深入研究了水力坡度、裂隙发育、能量演化在水砂 启动中的作用机制，形成了一整套溃水溃砂机理、预 警、防治的理论技术体系，并在现场实践中取得了良 好的应用效果。7 一o j 。许延春等通过开展含黏砂土流 动性试验和厚松散层内部微变形规律进行研究，探讨 了砂土体特征对溃水溃砂灾害启动的影响机理，针对 裂隙岩体损伤开展了注浆加固效果试验，得到r 不同 岩性定量评价注浆效果的方法，为现场实践提供了理 沦依据。“一3 『。郭惟嘉等研制了新型的岩层结构运动 演化数控机械模拟试验系统，从模拟实验角度再现了 覆岩涌水溃砂灾害孕育、发展及发生的全过程，获得 工作面开采过程中覆岩变形破坏、裂隙发育扩展、水 砂通道形成及水砂突涌参数和特征4 | 。张敏江等通 过室内模拟试验研究井下弱胶结流砂层的突涌机理， 提出了动水压力是弱胶结砂层破坏和移动的主要原 因的论断5 I 。范立民以大柳塔煤矿1 2 0 3 和2 0 6 0 l 工作面为例，研究了神府矿区矿井溃砂灾害形成的地 质环境条件、防治思路及方法。1 0J 。蔡光桃和武伟对 采煤冒裂带上覆松散土层在有采动裂隙的情况下发 生渗透变形破坏的种类、机理进行了研究，得出了采 煤冒裂带上覆松散土层发生从L 往下渗透变形破坏 的临界水力坡度与松散土层的物理力学性质和裂缝 宽度的关系Ⅲ。。 众多专家结合神东矿区地质采矿条件和具体溃 水溃砂灾害从覆岩裂隙、松散层砂土体属性和实验模 拟角度对薄基岩厚松散含水层工作而溃水溃砂机理 开展了深入研究并取得了丰硕成果。大量现场灾害 经验表明溃水溃砂灾害均伴随着工作面切顶压架的 发生，说明工作面切顶导致贯通性裂隙形成是溃水溃 砂灾害发生的必要因素。，笔者针对神东矿区浅埋薄 基岩工作面覆岩特征建立了组合承载结构模型，利用 相似材料模拟实验验证了理论模型的正确性，推导得 出了薄基岩厚松散层下回采组合结构失稳对应的覆 岩压力计算公式，提出了通过合理选择支架类型可以 避免切顶引起“水砂通道”形成的治理方法。以期为 榆神府矿区薄基岩厚松散含水层工作面安全开采提 供经验参考。 1 浅埋薄基岩工作面溃水溃砂实例 哈拉沟煤矿2 2 4 0 2 工作面为四盘区首采工作 面，工作【面长度为3 0 0n ，，推进长度21 4 4 ．5m 。工 作面设汁采高5 ．2m 。，初采区域基岩厚度2 9 ．5 ～ 6 4 ．7r n ，松散层厚度1 5 ～4 0n l ，其中含水松散层厚 度2 5 ～3 0m 。2 0 0 9 0 7 2 8 T 1 6 0 7 ，I 作面推进至 距离开切眼4 0m 位置，9 2 架处顶板有少量黄砂流 人工作面支架大脚处，并伴有少量淋水。1 9 时， 8 6 ～1 0 6 架有轻微溃砂，水砂涌出量约0 ．5n 。／h ； 1 2 0 架有泥水淋出，涌出量稳定在2 ～3m 3 ／h ；13 6 架处有淋水，涌出量约0 ．5m 3 ／h ；1 4 8 架有泥浆淋 出，涌出量约1m 3 ／h ，较稳定；1 5 0 ～1 6 0 架问顶板淋 水量增加，溃砂范围很快扩大至工作面机尾段；2 1 时，1 5 0 ～1 6 0 架之间水砂溃涌严重，积砂高度达到 工竹 嘶运输机电缆槽高度，导致支架立柱与电缆槽 全部被积砂封堵，支架推移油缸无法伸缩，造成支 架及溜槽无法正常移动，工作面机尾段无法正常推 进，井下溃水溃砂概况如图l 所示。 阁l溃水溃砂灾害处理现场 F i g ．1 S i t e fw a f e ra n ds a n 1 IJ u r s ta c ’i ∽1 1 t 2 0 0 9 0 7 3 0 r m 4 0 0 ，工作面机头段顶板来压，T 作面2 0 ～4 7 架处有水砂涌出，7 月3 1 日8 时左右， 工作面溃砂现象基本停止。。井下溃砂地点对应地表 位置在距工作面回风巷5 0m ，运输巷1 9 7m 处，形成 了1 个直径约4 7n ，左右的圆形塌陷区。塌陷区呈漏 斗状，漏斗深度约1 2m 左右，漏斗周边出现较大裂 缝，如图2 所示。 图2 溃砂点地表塌陷概况 p l i g ．2 S u I 如 。es u b s j 1 t 、1 1 eo fm a i nm o fd L I I ’i n gi n i I i a lw e i g h I i n g 2 覆岩组合承载结构模型的建立 2 ．1 溃水溃砂工作面矿压特征分析 2 2 4 0 2r 作面推进3 5m 时，采场覆岩发生初次 来压，未来门i 期问支架阻力平均为43 0 0k N ，来压期 问支架阻力平均为55 0 0k N ，立柱安全阀开启、煤擘 万方数据 第1 2 期 杨俊哲等浅埋薄基岩工作面水砂溃涌通道形成机理 片帮、底臌现象严重，呈现明显的动压显现，采场伴随 切顶现象发生，并出现溃砂灾害，工作面推进至4 0m 时初次来压结束。 随着工作面继续推进，采场覆岩发生周期性破 断。工作面推进5 0m 时，发生第1 次周期来压，未来 压期间支架阻力平均为34 7 0k N ，来压期间支架阻力 平均为50 0 0k N ，工作面推进至5 5m 时第1 次周期 来压结束；工作面推进6 3m 时，发生第2 次周期来 压，未来压期间支架阻力平均为36 2 0k N ，来压期间 支架阻力平均为51 7 0k N ，工作面推进至7 0m 时第 二次周期来压结束。初采期问矿压显现情况如图3 所示。 2 2 4 0 2 工作面初次来压呈现明显的动压显现，架 前切落的同时伴随着溃水溃砂灾害的发生；由于浅埋 30 0 0 3 04 05 06 07 0 工作面推进距离／m 图32 2 4 0 2 工作面初采区域矿压特征 F 培．3 S t r a t ab e h a v i o r so ft h ei n i t i a lm i n i n ga r e ao f2 2 4 0 2 w o r k i n gf a c e 薄基岩工作面覆岩破断受基岩与松散层厚度影响较 大，周期来压步距为7 ～1 6m ，来压持续长度为2 8m ，工作面多次来压情况见表1 。 表l2 2 4 0 2 工作面初采区域来压统计 T a b l e1S t a 6 s t i c a lt a b l eo fw e i g l l t i n ga tt h ei n i 也dm i I I i n ga r 朗o f2 2 4 0 2w o r k i n gf a c e 2 ．2 组合承载结构模型的建立 不仅主控岩层具有承载能力，同时部分软弱岩层 也具有相应的承载能力，即软弱岩层随主控岩层断裂 后，满足一定条件的部分软弱岩层断裂岩块也可形成 具有稳定承载能力、类似砌体梁结构的铰接结构。由 于软弱岩层在主控岩层控制下协调运动，因此可将主 控岩层与其上覆软弱岩层形成的承载结构视为一个整 体，据此可建立如下理论模型。“主控层一软弱层”组 合承载结构如图4 所示，图中岩层l 在组合承载结构 中起到主要控制作用，即主控岩层，2 ～n 层岩层为软 弱岩层，A ，，A ，⋯，4 。为各断裂岩块与岩层间铰接点， G ，，c 2 ，⋯，c 。为同一岩层相邻断裂岩块间的铰接点。 “主控层一软弱层”组合承载结构理论模型与传统的 砌体梁结构、关键层结构及组合关键层结构有着本质的 区别，该结构同时考虑了主控岩层及软弱岩层的承载能 力，主控岩层及其所控部分软弱岩层均能形成铰接结构 且作为一组组合承载结构共同控制覆岩运动。 组合承载结构的适用条件①主控岩层破断跨 度内部软弱岩层无断裂线；②软弱岩层断裂岩块能 形成稳定铰接结构。从以下2 个方面对该理论模型 的合理性进行论证 1 论证主控岩层破断跨度内部分软弱岩层无 断裂。将A 点力移至中性轴建立戈坐标轴，A 岩块属 于点接触，推导可得A 岩块各部位所受弯矩 M 戈 g L 2l { _ n 2 c o sp l f 塑业[ 墅堕竺生塑 坐1 n ＼ 4 i 一2 s i np ，2 ／ 型罢 掣】 1 4 i 一2 s i n9 ．J 、7 其中，i 为岩块块度；n z ／￡，为断裂岩块各部位，令 K ∥ ；， ； ．． ；。 ／ 2 ∑岛‘ ，；。，；，⋯，；。 为各层位岩层容重，N ／m 3 ；E i 为第歹层岩层的弹性模 量， ‘『 1 ，2 ，⋯，n 。A 岩块各部位应力为 盯 晖吖n 2 ⋯” 塑生杀篆半 半卜4 i 一2 s i n 口， 2 ／ 竺型罢 掣】 2 4 i 一2 s i n 口，J 、7 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 目 O 5 O 5 5 5 4 4 3 为R区张似 万方数据 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 b 覆7 破断后的饺接梁状态 c 覆岩傲断后帆止铰接状态 d 组合承载结构模型 图4“主控层一软弱层”组合承载结构模型示意 F i g ．4 M 1 e lo f “m a i nc o n t r 0 1 一w e a k1 a y e r ”c o m p s i t es I n I ‘t L l r e 在i 及臼．不变情况F ，将A 岩块内部最大拉应 力及对应位置拟合绘制盯。。、随i ，p ，的变化曲线，如 图5 所示，主控岩层固支端破断前各岩层弹性模量及 抗拉强度均相近且主控岩层厚度最大，所以主控岩层 断裂前其所控软弱岩层内部均无断裂。 ．- _ ∥， 0 。．．- p ． lo A 一． 2 。％∥． 3 0 06r ●．一目。4 0 ．●一∥。5 。 卜p 。6 。1 P ∥’7 。 O ．5 0 4 0 ．3 O 2 ．●r 一目． 8 。一p ． 9 。- o 一日． 1 0 。 一 口， 1l 。口一一q p 。 1 2 。一p 1 3 0 p 1 1 4 。 p 1 5 0 二2 0O ．0 5Ol O0 ．1502 0O ．2 503 00 ．3 504 004 50 ．5 0 岩块块度z 冈5不同i 及臼，对J 、证矿。。’j 肛；比值变化曲线 F 嶙5R a t i ‘ o f 盯。。a n 1 1 觚。a t 1 i f f e Ⅲ1 t a n ] p l 2 软弱岩层断裂岩块稳定性论证。主控岩 层及其所控部分软弱岩层断裂岩块均形成具有稳 定承载能力的铰接结构时，主控岩层、．E 覆町形成 铰接结构的软弱岩层断裂岩块中直接顶对A 岩块 的支撑力Q 。与未断裂岩体部分对A 岩块的挤压 力r 的比值 、／r 随回转角度的变化规律如图6 所示。 临界回转角度为图中曲线。当江o ．1 ～0 ．5 的 主控岩层断裂岩块均不会发生滑落失稳，其卜覆可形 成铰接结构的软弱岩层断裂掣块回转角度与主控岩 层断裂岩块相同，可做垂线判断断裂岩块回转角度是 否超出临界回转角度边界。 1O 08 hO 6 、 。I 0 4 048l21 62 02 42 83 23 64 04 4 刚转f f 】度f { ．／ 。 I 习6铰接结构稳定性判据 F 晦6H j n g e 1s t n I ’⋯es t a } i l i l yc r i t e I 讪1 3 “主控层一软弱层”组合承载结构合理性分 析。当主控岩层及其上覆软弱岩层弹性模量、抗拉强 度均相近且主控岩层厚度最大时，在主控岩层断裂步 距内软弱岩层断裂岩块不会继续断裂，当扛0 ．1 ～ 0 ．5 日．在临界回转角度范围内的软弱断裂岩块必然 形成稳定的承载结构。此时，覆岩可形成“主控层一 软弱层”组合承载结构，参与形成组合承载结构的岩 层层数可结合图6 进行分析确定。 2 ．3 薄基岩厚松散层下回采组合结构稳定性分析 当薄基岩工作面覆岩较薄、仅具有一层主控岩层 时，必然最多仅具有一层组合承载结构；当薄基岩工 作面覆岩稍厚、具有多层主控岩层时，则覆岩将具有 多层组合承载结构，由于计算主控岩层层位时下部主 控岩层破断步距大于E 部主控岩层破断步距，可认为 高位主控岩层破断步距均满足i 0 ．5 。 基于已有的短砌体梁及台阶岩梁结构，提出图7 适用于断裂岩块块度i 0 ．5 时的特殊岩梁结构，该结 万方数据 第1 2 期杨俊哲等浅埋薄基岩工作面水砂溃涌通道形成机理 构与传统的短砌体梁及台阶岩梁之间均有明显的区 别，考虑到这类结构具有单岩块、单向回转的特征，因 此将该结构命名为“单回转岩块”结构‘1 8 9 。。 图7 单回转岩块结构受力分析 F i g ．7S i n d e t u mr o c kb l o c ks t 兀】c t u r ef o r c ea n a l y s i sd i a g r a m 与台阶岩梁结构分析相同，B 岩块被下方已经冒 落的矸石支撑，但是断裂岩块A ，B 间的挤压力咒。 方向与两者之间的断裂面垂直。可以看出，前方岩体 对A 岩块不产生摩擦作用，直接顶对A 岩块作用力 为Q 。，同时矸石对B 岩块支撑力F 。等于Q 。，q ￡及 丁。。、分力等4 者的合力。对B 岩块进行受力分析，垂 直方向满足 F R P B 9 2 ￡ 咒B s i np F f c o sp 3 式中，F 。为矸石对B 岩块的支撑力，k N ；P 。为B 岩 块自重力，k N ；￡为A ，B 两个断裂岩块的有效长 度，m ；n 。为A ，B 两个断裂岩块问的垂直作用 力，k N ；g 为B 岩块上覆协同运动岩层施加的载 荷，k N ／m 2 ；8 为断裂岩块A 的回转角度， 。 ；F ，是 A ，B 两个断裂岩块间的摩擦力，k N ；妒为A ，B 两个断 裂岩块间的摩擦角， 。 。 对A 岩块进行受力分析，垂直方向满足 Q A P A q l ￡一n B s i n 口一F f c o s9 4 其中，Q 。为直接顶对A 岩块的支撑力，N ；P 。为A 岩 块自身的重力，N ；g 。为A 岩块上覆协同运动岩层施 加的线载荷，N ／m ，当覆岩切落后，g 。为基本顶断裂岩 块上覆切落岩层的总重力。A 断裂岩块回转过程属 于动态平衡过程，相对于A 点的力矩满足 Q 。掣懈p 一生笔型一些掣 ，、 n n 【盏“协咖 一卜o 5 其中，f 。为支架最大控顶距，m ；f 为来压时直接顶悬顶 长度，m ；△为A ，B 两个断裂岩块间的铅垂距离，m 。支 架推过B 岩块后，岩块B 发生切落并与下方冒落矸石 接触，B 岩块总下沉量为 耽 朋一 K ，一1 ∑ 6 其中，K 。为直接顶的碎胀系数；危为A ，B 两个断裂岩 块的厚度，m 。结合以上分析可知，直接顶对单块回 转岩块的支撑力为 n P A 9 1 L [ 1 s i n 2 秽 s i n9 t a n9 c o sp L 2 △]，1 、 ‘“ 2 △ [ 2 ￡一 ％ z c o s 2 a ] s i np c o s 口t a n 妒 、。 覆岩切落后尸。 g 。￡ 弘∑日，单回转岩块A 保持稳定时支架载荷需满足F B Q 。 B ∑ z 。 z y B 为 两相邻支架中心的距离，m ，此时覆岩施加在支架上的载荷为 F B y f 。 f y 丝塑坐 塑型坐竺竺竺坐兰堕兰』坠型羔业B 8 ””7 - 2 [ 一M K 。一1 ∑ ] “2 L 一 z 。 z c 。s 2 9 ] s i np c 。sp t a n 妒 一 哈拉沟煤矿薄基岩区基岩顶部组合结构包括2 种类型“简支梁一简支梁”组合承载结构及“单回转 岩块一简支梁”组合承载结构。 覆岩厚度较大、主控岩层较多时，覆岩将同时形 成多组“主控层一软弱层”组合结构，各组结构均具有 滑落及回转2 种失稳形式，由于回转失稳属于动态平 衡过程，对采场影响较小，因此重点研究滑落失稳问 题。结合公式可知，组合承载结构不发生滑落失稳需 要满足 t a nc 妒一f ，砉t ≥砉 毋￡≠t } 主i 兰器 j l， l 、5 i厶o l 口2b 1 儿口1 ， 9 即 t a n c 妒一f ，_ 骞兰≥砉芝詈筠劬￡ 川i ，一s i n 口1 川烈‘o 叭n 吼’ 1 0 引入组合承载结构稳定性指标 t a n 妒一f ∑鼍L 厂1 t 一s i np G 兰一 f 】】1 砉端q L 一 式中，f 为基岩破断角， 。 ；G 为组合承载结构稳定 性指标。 当G ≥1 时，组合承载结构稳定；当G 1 时，组合 承载结构发生滑落失稳。 万方数据 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 对于“单回转岩块一简支梁”组合承载结构，由于 第1 层岩层形成单回转岩块结构，单回转岩块与上覆 协同运动岩层产生离层，因此该类组合结构稳定性重 点考虑第2 ～儿层岩层，形成简支梁结构。 将“主控层一软弱层”组合结构中各岩层自下而 上分别标记为1 ，2 ，⋯，n 1 2 3 ⋯ 几 ，各岩块挠度 均向下且同一位置弯曲下沉挠度相同，即 “主控层一软弱层”组合结构各层位岩层挠度 哆 D 田r ／ 易‘ 1 2 其中，D 为岩层断裂前固支梁状态下的挠度计算系 数；‘为第，层岩层的惯性矩。将其他不能形成稳定 铰接结构的岩层重量视为对J 1 ，2 ，⋯，n 岩层的载 荷。 “主控层一软弱层”组合结构的回转失稳属于动 态平衡过程，因此其滑落失稳是影响结构稳定性的主 要因素。均布冲击载荷作用下“主控层一软弱层”组 合结构各岩层所受均布载荷 q j 弓‘ ；． ； ⋯ ；。 Q 。 ／∑弓‘ 1 3 式中，Q 。为第凡一1 组承载结构所受均布冲击载荷， Q 。 蚝Q ，Q 为第凡组承载结构的重力。冲击过程中 “主控层一软弱层”组合结构滑落失稳需满足 呤峨毒习骞 若嵩训 t a n 妒一1 } q l 9 2 ⋯ g 。 1 4 其中，g j y q ，y 为“主控层一软弱层”组合结构中各 岩层平均容重，N ／m 3 ；q 为各层位岩层厚度，m 。为 便于分析，将冲击载荷Q 。等效为风厚的岩层重力， 公式可简化为 吣胪捌‘砉鬻驯] 1 t a n 妒一lI 日l 也 ⋯ 日。 1 5 J 当 凰 0 ．5 0 的中位岩层断裂岩块，将形 成单回转岩块结构，该层位岩块架后切落始终存在， 对于块度0 ．2 5 i O ．5 0 的上位岩层断裂岩块，将形成 简支梁结构，整体覆岩形成协同运动的承载结构，覆 岩表现为下位冒落、中上位“单回转岩块一简支梁”组 合承载结构。结合以上分析可以看出，相似模拟结果 与前文提出的组合承载结构覆岩破坏形式一致，验证 了理论模型的正确性。 2 2 4 0 2 工作面初采区域支架实测阻力平均介 于50 0 0 ～60 0 0k N ，且来压期间呈现明显的动压显 现。2 2 4 0 2 工作面当时使用支架类型为最大支撑阻 力55 0 0k N 型支架，由于支架性能未能满足实际来 压需要导致切顶，覆岩裂隙导通工作面与基岩上部 含水松散层，溃水溃砂灾害原理示意图如图1 0 所 示。 罔1 0切顶压架导致水砂通道形成，J j 意 F i g ．10 S ‘’1 1 P n l a li ‘ 1 i a g l ‘a n l f ’“1 ef i l r n l a t i o no fw a 【c 1 ．sz ‘- l la 1 1 1 1 e J1 y 1 l i 1 1 9 “1 Pt o f p r e s s 4 结论 1 以哈拉沟煤矿2 2 4 0 2 工作面初采区域溃水 溃砂灾害为例，分析了神东矿区浅埋薄基岩工作面溃 水溃砂灾害特征，结合矿压实测数据初步分析了本次 溃水溃砂灾害原因为工作面切顶压架导致基岩裂隙 连通含水松散层。 2 针对神东矿区浅埋薄基岩工作面切顶压架 导致覆岩裂隙贯通工作面与松散含水层导致溃水溃 砂灾害的问题，建立了覆岩组合承载结构模型，当 日d 0 ．5 0 的 中位岩层断裂岩块形成单回转岩块结构，块度0 ．2 5 i O ．5 0 的上位岩层断裂岩块形成简支梁结构，整体 覆岩形成协同运动的承载结构。基载比大于0 ．7 5 0 时，中上位岩层断裂岩块块度为i 0 ．0 9 ～0 ．5 0 ，部分 岩层可形成稳定简支结构，相对安全；基载比小于 0 ．6 2 5 时，初次破断期间覆岩将发生贯通至地表的切 落并形成贯通式水砂通道；结合2 2 4 0 2 工作面溃水溃 砂灾害发生位置矿压实测数据验证了理论模型的正 确性。 4 研究得到了作为工作面溃水溃砂必要条件 的切顶压架形成机理，因此可以通过合理的支架选型 阻断水砂通道的形成，从而避免溃水溃砂灾害的发 生，为榆神府矿区类似地质条件下工作面安全开采提 供理论基础和应用参考。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ]隋旺华，梁艳坤，张改玲，等．采掘中突水溃砂机理研究现状及 展望[ J ] 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