專題-淺埋深煤層開(kāi)采上覆巖層破斷機(jī)理及人工關(guān)鍵層思想的探討

專題部分 ：淺埋深煤層開(kāi)采上覆巖層破斷機(jī)理及人工關(guān)鍵層思想的探討摘要 本文在前人對(duì)于淺埋深薄表土層的煤層開(kāi)采后的上覆巖層的破斷方式以及巖層移動(dòng)的機(jī)理做了系統(tǒng)的整理和歸納，從數(shù)值模擬，理論推導(dǎo)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，相似模擬四個(gè)方面進(jìn)行了總結(jié)，表明淺埋深煤層老頂巖層的破壞的主要順序仍為“離層斷裂垮落”，在薄松散層淺埋煤層開(kāi)采時(shí)，當(dāng)關(guān)鍵層完全垮落后，覆巖將會(huì)發(fā)生直達(dá)地表的整體切落現(xiàn)象，這也是為什么淺深埋煤層開(kāi)采時(shí)，礦山壓力顯現(xiàn)有時(shí)會(huì)比深埋深的煤層開(kāi)采時(shí)礦山壓力顯現(xiàn)更加嚴(yán)重的原因，在這里我給予了新的淺埋深煤層開(kāi)采時(shí)強(qiáng)烈突然沖擊礦壓的防止方法，并提出了如何構(gòu)造人工假關(guān)鍵層的構(gòu)想。0 引 言 前人對(duì)煤層開(kāi)采后的上覆巖層的破斷機(jī)理提出了很多不同的想法和假說(shuō)，如最早的壓力拱假說(shuō)，就是由德國(guó)人 W.Hack 和 G.Gillitzer 于 1928 年提出的，該假說(shuō)認(rèn)為，長(zhǎng)壁采煤工作面自切眼開(kāi)挖開(kāi)始后，其頂板就形成了一個(gè)壓力拱，并且壓力拱隨工作面推進(jìn)而不斷增大，直至壓力拱拱頂直達(dá)到地表為止。然后出現(xiàn)了后來(lái)的懸臂梁假說(shuō)、鉸接巖塊假說(shuō)和預(yù)成裂隙假說(shuō)，而我國(guó)的科學(xué)工作者總結(jié)以上假說(shuō)，根據(jù)工程實(shí)際情況和自己的想法，綜合提煉得出了普遍認(rèn)可的關(guān)鍵層的砌體梁理論取得了巨大的成功。淺埋煤層的上覆巖層活動(dòng)有其自身的特殊性，其移動(dòng)屬性和運(yùn)動(dòng)復(fù)雜性，都不能單單只從其表現(xiàn)形式（地表沉陷）及機(jī)理（理論研究）研究方面就能獲得較為完善的結(jié)論，借助其它的方法和手段對(duì)其進(jìn)行綜合性研究，才能正確的認(rèn)識(shí)覆巖的移動(dòng)規(guī)律，由此推出新穎的防治方法。 (1)上覆基巖層一般是由多個(gè)巖層分層構(gòu)成,并且是以厚度為210m以上的且具有較高強(qiáng)度的巖層分層為主要構(gòu)成部分; (2)基巖層中部一般不含有較厚的軟弱巖層,基巖層的上部有時(shí)為風(fēng)化的基巖,有時(shí)候下部緊鄰煤層的還有賦存煤線、泥巖等的復(fù)合巖層分層; (3)典型的薄基巖淺埋深煤層,其基巖厚度均比較小,觀測(cè)研究及數(shù)值的分析結(jié)果表明,當(dāng)其頂板基巖的厚度較大時(shí),回采工作面的礦壓的顯現(xiàn)規(guī)律接近于普通工作面的礦壓顯現(xiàn),通?；鶐r厚度應(yīng)小于等于3050m； （4）淺埋深煤層的上覆薄基巖層可以視為是橫觀各向同性的,破壞前可以視為橫觀各向同性的彈性體。2 RFPA數(shù)值模擬 2.1 模擬 巖石破裂過(guò)程分析（RFPA）數(shù)值模擬系統(tǒng)軟件對(duì)于淺埋深薄基巖煤層工作面頂板的上覆巖層的活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了動(dòng)態(tài)的數(shù)值模擬，其主要的目的是提高對(duì)薄基巖淺埋深煤層的上覆巖層活動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)程度，另一方面則是通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的分析，為已研究出的有關(guān)淺埋深薄基巖的煤層覆巖的活動(dòng)的規(guī)律提供一些實(shí)驗(yàn)的依據(jù)。 2.2上覆巖層的破斷過(guò)程與形態(tài) 第一階段覆巖下部巖層的破斷階段（直接頂?shù)目迓湎挛焕享數(shù)某醮纹茢啵?隨著采場(chǎng)工作面的不斷推進(jìn)，上覆巖層逐漸懸露，巖梁的懸露長(zhǎng)度達(dá)到一定的跨度后，在重力的作用下彎曲，當(dāng)彎曲到一定的限度，梁的中部開(kāi)始開(kāi)裂并離層，并形成“假塑性梁”。隨頂板懸露面積不斷的加大，離層也將逐步的發(fā)展，將導(dǎo)致直接頂垮落。隨著工作面進(jìn)一步的推進(jìn)，老頂巖梁開(kāi)始彎曲下沉，離層向老頂上部基巖內(nèi)擴(kuò)展，老頂此時(shí)出現(xiàn)大范圍的移動(dòng)，工作面前后煤壁的上方基巖將破斷，老頂下位的巖梁出現(xiàn)垮落，此階段覆巖破壞的主要特征一是頂板的離層破壞，二是老頂?shù)膹澢蛿嗔?。圖1.1 直接頂垮落向左開(kāi)挖距距離開(kāi)切眼煤壁30cm圖1.2下位老頂初次垮落 向左開(kāi)挖距離開(kāi)切眼煤壁50cm時(shí) 第二階段上位老頂以及上部巖層的破壞階段 根據(jù)關(guān)鍵層理論，關(guān)鍵層將對(duì)上覆巖層的穩(wěn)定性起到控制性作用，一旦關(guān)鍵層出現(xiàn)破斷，關(guān)鍵層上方較弱的巖層也將隨之垮落圖1.3老頂巖梁垮落第三階段工作面的老頂出現(xiàn)臺(tái)階式的下沉淺埋深煤層與深埋深的煤層的開(kāi)采，上覆巖層活動(dòng)規(guī)律的最大區(qū)別就在于，當(dāng)關(guān)鍵層上覆的松散層厚度較薄時(shí)，淺埋煤層的開(kāi)采時(shí),上覆巖層的關(guān)鍵承載層一旦遭到破壞后,覆巖將很快地破壞至地表并產(chǎn)生類似臺(tái)階式的下沉進(jìn)而造成工作面的切頂現(xiàn)象發(fā)生。 圖1.4煤柱兩側(cè)巖層冒裂至地表3 相似材料的模擬實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下:相似材料的模擬實(shí)驗(yàn)將在3 m的模型架上進(jìn)行,采用模擬線比為1：100的較大的比例,從煤層的底板一直模擬到地表,模擬的材料采用石膏、河沙、大白粉等來(lái)配制,根據(jù)巖層的強(qiáng)度參數(shù)來(lái)確定實(shí)驗(yàn)的相似配比,而煤層則是采用細(xì)煤粉、石膏、大白粉來(lái)配制,分層材料則是采用云母粉,模型的開(kāi)挖按照幾何相似比和時(shí)間相似比進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬的結(jié)果十分接近。4 實(shí)測(cè)研究 -以陽(yáng)泉礦區(qū)為例 針對(duì)陽(yáng)泉礦區(qū)的巖移的觀測(cè)資料的分析證明,主關(guān)鍵層的破斷不僅會(huì)造成其上覆基本所有巖層的同步破斷,也即將引起地表的快速下沉.實(shí)測(cè)工作面為陽(yáng)泉一礦70310工作面,采用走向長(zhǎng)壁全部冒落的方法來(lái)開(kāi)采3號(hào)煤層,煤層傾角為36,采厚約為212 m,采面斜長(zhǎng)約為70 m,走向長(zhǎng)度約為217 m. 70310工作面從1964年08月21日投產(chǎn)直到1964年12月01日回采結(jié)束,生產(chǎn)期間基本上保持了正規(guī)的循環(huán)作業(yè).該工作面的地表為一沿煤層走向傾斜的緩斜山坡,在開(kāi)切眼下的采深約為211m,停采線附近的采深約為150 m.鉆孔取芯的結(jié)果表明, 3煤的覆巖共有5層分層的厚度大于6 m的硬巖層,按關(guān)鍵層的判別方法可以確定出距離3煤煤層頂板約78103 m間的鄰近的3層硬巖層(累計(jì)厚度20 m)組成的復(fù)合關(guān)鍵層并稱為覆巖主關(guān)鍵層。 為了準(zhǔn)確觀測(cè)上覆巖層的活動(dòng)及地表的移動(dòng)規(guī)律,工程中從70310工作面的地面垂直打了6個(gè)巖移觀測(cè)鉆孔,同時(shí)還布置了相對(duì)的走向地表的下沉測(cè)線及傾向地表的下沉測(cè)線.其中巖移觀測(cè)孔I位于工作面的傾向的中部,距離切眼134 m,孔內(nèi)由下往上總共布置了4個(gè)測(cè)點(diǎn),其中測(cè)點(diǎn)4距3煤層頂板有179 m,位于所確定的覆巖主關(guān)鍵層上.地表下沉走向測(cè)線則是位于工作面傾向中部。 表1, 2分別為鉆孔I中測(cè)點(diǎn)4的下沉速度與地表走向測(cè)線中各測(cè)點(diǎn)下沉速度的實(shí)測(cè)結(jié)果表1.1鉆孔I中測(cè)點(diǎn)4(即主關(guān)鍵層)下沉速度觀測(cè)結(jié)果表1.2 地表走向測(cè)線各測(cè)點(diǎn)下沉速度的觀測(cè)結(jié)果圖2為不同日期地表沿走向測(cè)線的下沉曲線由上表1,2分別是鉆孔I中測(cè)點(diǎn)4的下沉速度與地表走向測(cè)線中各測(cè)點(diǎn)下沉速度的實(shí)測(cè)結(jié)果,而圖2為不同日期的地表沿著走向測(cè)線的下沉曲線.鉆孔I中測(cè)點(diǎn)4位于主關(guān)鍵層內(nèi),因此該測(cè)點(diǎn)的下沉過(guò)程可以代表覆巖主關(guān)鍵層的整個(gè)下沉的過(guò)程.由表1顯而易見(jiàn),覆巖主關(guān)鍵層在工作面采過(guò)鉆孔I 31(1964年11月07日)57 m(1964年11月20日)范圍時(shí)下沉速度時(shí)最快的,其下沉的速度最大可達(dá)到23.3 mm/d,可以推斷出鉆孔I處的主關(guān)鍵層是在此期間發(fā)生破斷.由表2及圖2可見(jiàn),地表各測(cè)點(diǎn)在1964年11月17日下沉的速度達(dá)到最大,因此,沿工作面的走向地表，最大的下沉速度出現(xiàn)的時(shí)間基本上與覆巖主關(guān)鍵層的破斷時(shí)間同步重合,而且由鉆孔I中得測(cè)點(diǎn)4可以觀測(cè)所得出的主關(guān)鍵層的破斷為主關(guān)鍵層的初次破斷。根據(jù)上述的分析可知,覆巖主關(guān)鍵層的初次破斷引起了地表的同步快速的下沉,由此可以證明覆巖主關(guān)鍵層的運(yùn)動(dòng)對(duì)地表下沉具有的控制作用。 其實(shí)主關(guān)鍵層對(duì)其上覆巖及地表移動(dòng)的控制作用有很多典型工程實(shí)例,如大同礦區(qū)的直接賦存于煤層上方的厚硬砂巖、新汶華豐礦的靠近地表的厚層的礫砂巖的破斷垮落,不僅會(huì)造成采場(chǎng)強(qiáng)烈的礦壓顯現(xiàn),而且其破斷后上部直至地表的所有的巖層將隨之同步下沉。再如,烏克蘭盧圖金煤礦,在采深800 m的條件下,距開(kāi)采煤層約180 m處有一層厚約60 m的砂巖控制著整個(gè)上覆巖層直至地表的移動(dòng)。上述3個(gè)典型的實(shí)例的主關(guān)鍵層的距地表的位置分別位于下、上、中部,采深有的淺有的深,正巧說(shuō)明在不同的關(guān)鍵層的位置與采深條件下,主關(guān)鍵層對(duì)其上覆巖和地表的控制作用都是存在的.5 理論研究 大多數(shù)情況下,工作面的來(lái)壓最猛烈、最不易控制的時(shí)期是初次來(lái)壓時(shí)期,老頂巖塊的結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)將會(huì)直接決定初次來(lái)壓的顯現(xiàn)的強(qiáng)烈程度,對(duì)于薄基巖淺埋深煤層的初次來(lái)壓的強(qiáng)度相比其他將會(huì)更大,一旦處理不好將會(huì)對(duì)工作面的安全生產(chǎn)產(chǎn)生極大的威脅。隨著工作面的推進(jìn),頂板基巖巖層的裸露的跨度就會(huì)逐漸的增加,基巖巖層必然將會(huì)發(fā)生撓曲變形,當(dāng)工作面推進(jìn)到一定距離后,基巖層下部分層將沿分層的界面產(chǎn)生滑移,在其上巖層離層垮落,即直接頂?shù)某醮蚊奥?隨后關(guān)鍵層(組)裸露出來(lái)。這在物理的模擬試驗(yàn)中,也得到了充分的證明。當(dāng)工作面持續(xù)推進(jìn)至關(guān)鍵層的初次破斷距時(shí),關(guān)鍵層隨即開(kāi)始破壞,此時(shí)工作面就會(huì)呈現(xiàn)初次來(lái)壓。 工作面的初次來(lái)壓基本上經(jīng)歷如下三個(gè)階段: (1)關(guān)鍵層的破斷垮落,來(lái)壓從此開(kāi)始; (2)關(guān)鍵層上部基巖分層巖層的破壞垮落,形成第一次的沖擊載荷; (3)松散載荷層的滯后垮落,形成第二次的沖擊載荷。 三個(gè)階段間隔時(shí)間很短， 煤礦回采工作面的礦山壓力控制主要是控制老頂?shù)臄嗔押笠鸬墓ぷ髅娴膩?lái)壓,工作面的老頂巖層隨工作面的推進(jìn)將產(chǎn)生周期性的斷裂活動(dòng),即是周期來(lái)壓,準(zhǔn)確預(yù)報(bào)工作面的周期來(lái)壓,弄清晰來(lái)壓的機(jī)理是做好工作面的安全生產(chǎn)的必要的保障,對(duì)減少采場(chǎng)的冒頂事故具有十分重要意義 典型的薄基巖淺埋深煤層的工作面礦壓觀測(cè)表明,工作面周期來(lái)壓的顯現(xiàn)具有以下幾個(gè)明顯特征: (1)來(lái)壓步距小,來(lái)壓持續(xù)時(shí)間較短; (2)頂板沿煤壁出現(xiàn)臺(tái)階式的下沉或在工作面支架后形成切落;（3)地表將會(huì)出現(xiàn)裂縫以及地塹 (4)有一定的動(dòng)壓現(xiàn)象。 根據(jù)上述基巖淺埋深煤層工作面的周期來(lái)壓的特征,我們可以構(gòu)建描述關(guān)鍵層的周期來(lái)壓破斷后運(yùn)動(dòng)的承壓砌塊模型,如圖2所示。承壓砌塊的活動(dòng)與工作面周的期來(lái)壓基巖關(guān)鍵層經(jīng)過(guò)初次的垮斷,工作面的頂板經(jīng)歷初次來(lái)壓過(guò)程以后,隨著工作面的持續(xù)推進(jìn),關(guān)鍵層形成類似懸壁梁式的周期性的破斷, 關(guān)鍵層的周期性的破斷形成工作面周期來(lái)壓。承壓砌塊模型的活動(dòng)及其工作面的周期來(lái)壓顯現(xiàn)特點(diǎn)如下: (1)關(guān)鍵層的懸壁梁的破裂垮落成B塊,其上層的基巖層以及松散層緊隨之垮落并對(duì)工作面形成瞬間的沖擊載荷; (2)在關(guān)鍵塊B及其以后的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,由于工作面的覆巖協(xié)同活動(dòng)的特點(diǎn),其上始終作用著由松散層及上層基巖層重量構(gòu)成的載荷 +; (3)而關(guān)鍵塊B得一端由C塊及其冒落的矸石支撐,另一端則是由工作面支架經(jīng)直接頂頂板傳遞的工作阻力及A塊共同支撐;(4)工作面推進(jìn)到B塊后, B塊即沿架后切落直至冒矸上,不能形成之前的砌體梁式的結(jié)構(gòu),工作面周期來(lái)壓結(jié)束。6淺埋煤層開(kāi)采覆巖移動(dòng)與裂隙分布特征關(guān)于開(kāi)采后上覆巖層移動(dòng)與裂隙的分布特征主要是從神華神東礦區(qū)作為實(shí)際環(huán)境來(lái)進(jìn)一步研究。礦區(qū)概況：神東礦區(qū)地處中國(guó)內(nèi)蒙古南部和陜西省北部，其探明儲(chǔ)量達(dá)2236億t約占全國(guó)的四分之一，屬世界八大煤田之一.2005年以來(lái)年總產(chǎn)量均超1億噸為中國(guó)最大的現(xiàn)代化礦區(qū)。煤層埋藏淺（大部分在100m以內(nèi)）、上覆基巖薄、地表為厚風(fēng)積沙覆蓋層且層下蘊(yùn)藏著的寶貴的潛水，是神東礦區(qū)煤層賦存條件的突出特點(diǎn)，大規(guī)模長(zhǎng)壁開(kāi)采淺埋煤層導(dǎo)致井下開(kāi)采活動(dòng)對(duì)地表的影響更為敏感和強(qiáng)烈，采動(dòng)裂隙可直接溝通地表，易引起煤層自燃、地下水流失與地表植物死亡等安全與環(huán)境災(zāi)害，掌握覆巖中采動(dòng)裂隙擴(kuò)展與分布特征，是有效解決上述難題的重要基礎(chǔ)。文獻(xiàn)(2-3)已通過(guò)實(shí)測(cè)證實(shí)了采動(dòng)裂隙對(duì)上覆含水層的不利影響，并認(rèn)為只要覆巖中存在合適的巖層組，采后一定時(shí)間，含水層受采動(dòng)影響而降低的水位仍可恢復(fù)；文獻(xiàn)(4)通過(guò)物理模擬分析了堅(jiān)硬巖層在水平面上的垮落特征，可用于指導(dǎo)放頂煤開(kāi)采的可行性文獻(xiàn)5-7對(duì)比分析了地表深陷和采動(dòng)裂隙對(duì)土壤質(zhì)量和植物生長(zhǎng)的影響，但上述文獻(xiàn)對(duì)采動(dòng)裂隙在覆巖中的動(dòng)態(tài)分布特征都沒(méi)有論證，雖然在淺埋煤層的礦壓控制方面有不少研究成果，但對(duì)淺埋煤層采動(dòng)裂隙的時(shí)空演變規(guī)律還沒(méi)有系統(tǒng)性的闡述，巖層控制的關(guān)鍵層理論為這一問(wèn)題的研究提供了新的指導(dǎo)，此理論認(rèn)為，關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)對(duì)離層產(chǎn)生、發(fā)展的時(shí)空分布起控制作用，覆巖離層一般出現(xiàn)在關(guān)鍵層下。礦區(qū)典型煤層賦存條件與覆巖力學(xué)參數(shù)6.1 3類典型煤層賦存條件通過(guò)對(duì)神東礦區(qū)的煤層鉆孔柱狀圖及相關(guān)地質(zhì)資料分析，按基巖厚度、對(duì)覆巖運(yùn)動(dòng)起控制作用的較堅(jiān)硬巖層數(shù)（即關(guān)鍵層層數(shù)）及風(fēng)積沙松散層厚度與煤層上覆基巖厚度比(K)的不同，神東礦區(qū)有3類典型煤層賦存條件：1) 第一類，當(dāng)巖層厚度小于30m，只賦存一個(gè)較堅(jiān)硬巖層（稱之為關(guān)鍵層），且K大于等于1，如表6.1所示。2) 第二類，當(dāng)基巖厚度大于等于30m，而又小于60m，只賦存一層關(guān)鍵層，但是K小于1，如表6.2所示3) 第三類，急眼的厚度大于等于60m，賦存2層關(guān)鍵層（一個(gè)稱之為主關(guān)一個(gè)稱之為亞關(guān)鍵層），主關(guān)鍵層位于垮落帶之上，基本頂為亞關(guān)鍵層，而且K小于1.如表6.3所示。6.2覆巖主要力學(xué)參數(shù)1)類煤層（大柳塔礦12305工作面）大柳塔12305工作面基巖厚度16-18m覆風(fēng)積沙松散層30m，松散含水層厚度在14m左右，煤厚3.74m，采用長(zhǎng)壁采煤法開(kāi)采%工作面長(zhǎng)240m，煤層及頂、底板巖層的主要力學(xué)指標(biāo)參見(jiàn)表6.1.2）類煤層（上灣礦51201工作面）上灣煤礦51201工作面煤層平均厚度5.8m設(shè)計(jì)最大采高5.3m，上覆巖層厚度為40m左右，松散含水層厚度在10m左右。具體覆巖參數(shù)參見(jiàn)表6.2.3）類煤層（補(bǔ)連塔礦32201工作面）補(bǔ)連塔煤礦32201工作面基巖厚度78m，巖性主要為砂巖，上覆松散含水層厚度約10m。具體覆巖參數(shù)參見(jiàn)表6.3.6.2.1 模擬方法與目的采用PFPA專業(yè)軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)室相似材料試驗(yàn)兩種模擬方法。應(yīng)用RFPA軟件主要分析覆巖賦存單一關(guān)鍵層（和兩類煤層）時(shí)，隨工作面的開(kāi)采，采動(dòng)裂隙在垂直面沿工作面推進(jìn)方向與垂直面沿工作面傾向的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律。而應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室相似材料模擬試驗(yàn)，主要針對(duì)覆巖賦存單一關(guān)鍵層和兩層關(guān)鍵層（和兩類煤層）時(shí)，分析在水平面巖層及垂直面沿工作面推進(jìn)方向的覆巖采動(dòng)裂隙擴(kuò)展與分布特征，并與同類的數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。6.2.2. RFPA數(shù)值分析RFPA可以計(jì)算并動(dòng)態(tài)演示材料從受載到破裂的完整過(guò)程#整個(gè)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的開(kāi)放性，可擴(kuò)展性，具有較好的后處理功能。在分析煤層頂板的離層、冒落、垮落、裂隙擴(kuò)展情況方面。RFPA軟件是較為理想的模擬軟件。此軟件在計(jì)算過(guò)程中執(zhí)行分步開(kāi)挖功能，每開(kāi)挖一步，模型自動(dòng)計(jì)算一步，并將單元的破壞移動(dòng)過(guò)程通過(guò)彈性模量圖或應(yīng)力圖顯示出來(lái)，圖中顏色灰度越亮表示壓應(yīng)力越大，灰度越暗表示拉應(yīng)力越大。6.3.1垂直面沿工作面推進(jìn)方向6.3.1.1類煤層（大柳塔礦12305工作面）1）模型建立為了盡量減小邊界情況的影響，模型劃分為30070個(gè)單元。采用連續(xù)開(kāi)采的力學(xué)模型，覆巖各層相變力學(xué)參數(shù)如表1中所示.2) 利用RFPA中的分步開(kāi)挖功能，從第2步開(kāi)始開(kāi)挖，為符合工作面快速推進(jìn)（15m/d）要求，開(kāi)挖步距為1.8m。共開(kāi)挖135m。采場(chǎng)開(kāi)挖后，工作面推進(jìn)到30m時(shí)直接頂初次冒落。當(dāng)推進(jìn)到42m時(shí)，基本頂初次來(lái)壓連同地表一起切落。工作面推進(jìn)至58m時(shí)，基本頂發(fā)生第1次周期性整體切落(工作面推進(jìn)到73m時(shí)，基本頂發(fā)生第2次周期性整體切落，如圖1所示(a）基本頂初次垮落(b）基本頂周期性垮落圖1 類覆巖垮落狀況3）模擬結(jié)果分析工作面基本頂初次來(lái)壓時(shí)，覆巖直至地表整體切落，頂板周期性切落時(shí)，頂板及其上覆厚松散風(fēng)積沙層也幾乎是整體下沉。隨著工作面快速推進(jìn)，整體破斷的頂板巖塊可以擠壓并快速閉合，仍具有阻水作用。6.3.1.2 類煤層（上灣礦51201工作面）模型、參數(shù)和加載方式等同上，覆巖各層相變力學(xué)參數(shù)如表2中所示1） 基巖（厚度40m）破斷過(guò)程工作面開(kāi)挖到28m時(shí)，直接頂開(kāi)始冒落(工作面開(kāi)挖到40m時(shí)，基本頂開(kāi)始垮落，到55m時(shí)，基本頂初次垮落，但未涉及到松散層，如圖2a所示(當(dāng)工作面開(kāi)挖到近76m時(shí)，基本頂出現(xiàn)第1次周期來(lái)壓，上覆松散層開(kāi)始破壞，如圖2b所示。(a）基本頂初次垮落（b）基本頂周期垮落圖2 類覆巖垮落狀況2）模擬結(jié)果對(duì)比分析可見(jiàn)，與基巖厚18m的模擬結(jié)果相比，在基巖厚度增加到40m時(shí)，相應(yīng)的來(lái)壓步距也增大。且基本頂初次與第1次周期性垮落時(shí)，覆巖沒(méi)有整體性垮落，更不會(huì)波及到地表。但在第2個(gè)周期來(lái)壓時(shí)，地表與覆巖同步運(yùn)動(dòng)。6.3.2垂直面沿工作面傾向以上灣礦51201工作面為代表的類煤層為模擬分析基礎(chǔ)條件。1）開(kāi)采方案先掘出3條順槽，兩相鄰順槽間的間距分別為30m（區(qū)段煤柱的寬度）和230m（工作面的寬度），然后再進(jìn)行開(kāi)采。2）模型建立模型長(zhǎng)400m，高100m，共劃分400100個(gè)基元，采用單元自身重力實(shí)現(xiàn)加載。在試驗(yàn)過(guò)程中，采用庫(kù)侖準(zhǔn)則作為破壞的判別準(zhǔn)則。3）覆巖垮落與裂隙擴(kuò)展過(guò)程采空區(qū)最終垮落情況，如圖3所示.圖3 覆巖垮落最終狀況可見(jiàn)，大尺寸工作面開(kāi)采導(dǎo)致上覆巖層不斷產(chǎn)生離層與斷裂，并一直發(fā)展到地表#最終導(dǎo)致自采空區(qū)到地表之間的巖層沿傾向整體切落。覆巖整體切落，將采動(dòng)產(chǎn)生的離層壓實(shí)#使斷裂巖塊閉合，且地表下沉寬緩底平、地表裂縫不發(fā)育且被擠實(shí)；工作面越長(zhǎng)，裂縫密度越小。以上特征不僅有利于保水開(kāi)采，也有利于井下工作面防滅火，而且由于整體切落，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)破壞小，還有利于生態(tài)建設(shè)。7 淺埋深煤層沖擊礦壓防治的