老采動(dòng)區(qū)覆巖裂隙發(fā)育特征及活化機(jī)理研究

白國(guó)良,李樹(shù)志,高均海

(煤炭科學(xué)研究總院唐山研究院,河北唐山 063012)

老采動(dòng)區(qū)覆巖裂隙發(fā)育特征及活化機(jī)理研究

白國(guó)良,李樹(shù)志,高均海

(煤炭科學(xué)研究總院唐山研究院,河北唐山 063012)

采用鉆孔勘探、鉆孔電視、地球物理測(cè)井、巖石力學(xué)測(cè)試等技術(shù)和方法對(duì)老采空區(qū)覆巖裂隙發(fā)育特征進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明:老采空區(qū)彎曲帶巖層的整體性未遭破壞,表現(xiàn)為連續(xù)平緩的彎曲變形,局部有裂隙產(chǎn)生;裂縫帶巖層產(chǎn)生裂隙或斷裂發(fā)育,但尚未塌落;垮落帶巖層斷裂破碎塌落,有殘留空洞發(fā)育。對(duì)其中的 53條采動(dòng)裂隙發(fā)育特征統(tǒng)計(jì)顯示,裂隙平均間距 1.08m,間距小于 2.0m的裂隙占統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的 85%,老采動(dòng)區(qū)采動(dòng)巖體裂隙以低角度裂隙為主,傾角小于 30°的裂隙占統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的 68%;煤炭開(kāi)采引起的地下空洞、離層、裂隙和垮落帶的欠壓密、孔隙飽水等現(xiàn)象是老采動(dòng)區(qū)活化的根本原因。

老采動(dòng)區(qū);巖體裂隙;活化;結(jié)構(gòu)失穩(wěn)

煤炭開(kāi)采在許多老能源基地形成了大面積、大規(guī)模采動(dòng)區(qū),據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),每采萬(wàn)噸煤沉陷面積0.2hm2,在近 60年煤炭開(kāi)采過(guò)程中形成采煤沉陷土地面積約 800000hm2。隨著城市建設(shè)的迅猛發(fā)展,理想的工程建設(shè)用地日趨緊張,一些工業(yè)與民用建筑、交通設(shè)施等擬建或穿越于采動(dòng)區(qū)之上,如開(kāi)灤、焦作、徐州、淮北等礦區(qū)都在采煤沉陷區(qū)上進(jìn)行了工業(yè)園區(qū)建設(shè),采煤沉陷區(qū)的建設(shè)利用成為解決我國(guó)采煤礦區(qū)建設(shè)用地“瓶頸”的有效途徑。

老采空區(qū)覆巖經(jīng)過(guò)多年的自然風(fēng)化、重力及地下水等因素的綜合作用下已趨于穩(wěn)定,但老采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)依然存在,在新增荷載作用下老采動(dòng)區(qū)可能活化,對(duì)地表建 (構(gòu))筑物造成損害[1-2]。因此,掌握老采動(dòng)區(qū)覆巖裂隙發(fā)育特征,分析其活化機(jī)理對(duì)于老采動(dòng)區(qū)地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及老采動(dòng)區(qū)的開(kāi)發(fā)建設(shè)具有現(xiàn)實(shí)意義。

以某老采動(dòng)區(qū)探測(cè)工程為例,對(duì)老采空區(qū)覆巖裂隙發(fā)育特征進(jìn)行了研究,并對(duì)老采區(qū)巖體結(jié)構(gòu)活化機(jī)理進(jìn)行了深入分析。

1 工程背景與測(cè)試方法

1.1 工程條件

工程區(qū)煤炭開(kāi)采歷史久遠(yuǎn),采掘活動(dòng)于 20世紀(jì) 80年代末結(jié)束。主要可采煤層為二疊系下統(tǒng)山西組的二1煤和石炭系上統(tǒng)太原組的一5煤。二1煤層開(kāi)采深度 50～200m,煤層厚 0.36～11.73m,平均厚 5.36m;一5煤層開(kāi)采深度 100～260m,煤層厚度 0.23～4.36m,平均厚 1.3m。

本區(qū)域主要為國(guó)有煤礦開(kāi)采,其次為小煤窯開(kāi)采,國(guó)有煤礦采用走向長(zhǎng)壁式采煤方法,自然垮落處理頂板,厚煤層分層開(kāi)采,一般 2.0～2.2 m為一分層;小煤窯開(kāi)采國(guó)有煤礦殘留的煤柱,一般采用巷道式開(kāi)采,自然垮落法處理頂板。

1.2 測(cè)試方法

采用鉆孔勘探、鉆孔電視、地球物理測(cè)井、巖石力學(xué)測(cè)試等技術(shù)和方法對(duì)老采空區(qū)覆巖裂隙發(fā)育特征進(jìn)行了研究。共計(jì)布設(shè)鉆孔 37個(gè),總進(jìn)尺6583.3m;測(cè)井孔 10個(gè),總測(cè)井 1974.80m;鉆孔電視 8個(gè),總測(cè)井 1259.90m;巖石力學(xué)試樣測(cè)試138組。

2 老采動(dòng)區(qū)覆巖裂隙場(chǎng)特征

綜合分析鉆孔電視孔壁圖像、物探測(cè)井資料、采掘工程平面圖及鉆探巖芯及泥漿消耗量、掉塊、掉鉆、卡鉆位置資料劃分三帶,并對(duì)其裂隙發(fā)育特征進(jìn)行分析。

2.1 彎曲帶

彎曲帶的巖層在重力作用下,變形較小,所受應(yīng)力尚未超過(guò)其本身強(qiáng)度,出現(xiàn)連續(xù)平緩的彎曲變形,局部有裂隙產(chǎn)生,此帶巖層的整體性未遭破壞,巖層彎曲帶和裂隙發(fā)育特征如圖 1所示。

圖1 巖層彎曲帶裂隙發(fā)育特征

2.2 裂縫帶

裂隙的巖層在重力作用下,移動(dòng)變形較大,所受應(yīng)力超過(guò)本身強(qiáng)度,巖層產(chǎn)生裂隙或斷裂,但尚未塌落。裂縫帶頂部一般巖層受力斷裂,巖石受力遭破壞,縱向裂隙發(fā)育,局部巖芯破碎。巖體受采動(dòng)影響,巖石受力被垂向劈開(kāi),表現(xiàn)為巖芯垂向裂隙發(fā)育[3],從井下電視觀測(cè)到的巖石裂隙發(fā)育情況如圖2。

圖2 裂縫帶裂隙發(fā)育電視圖像

2.3 垮落帶

垮落帶巖層移動(dòng)變形很大,所受應(yīng)力大大超過(guò)本身強(qiáng)度,使巖層斷裂破碎塌落,堆積于采空區(qū)。地下開(kāi)采形成的采出空間一部分被垮落覆巖所充填;另一部分則形成殘留空洞,其一般出現(xiàn)在短壁開(kāi)采工作面上方,這是由于覆巖垮落塌陷不充分而形成,如房柱式、條帶開(kāi)采形成的空洞就是覆巖垮落塌陷不充分所致;另外一部分出現(xiàn)在開(kāi)采工作面邊界附近,在該部分由于覆巖具有一定的剛度,在采空區(qū)邊緣形成懸頂,從而使覆巖不垮落而形成空洞;再有一部分是在覆巖中存在的離層區(qū),由于上面巖體的剛度大于下方巖體的剛度,在巖層移動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)離層,從而形成空洞。采空垮落帶頂部空洞特征見(jiàn)圖 3?？斩瓷喜繋r層還沒(méi)有垮落,存在殘余空洞,鉆探過(guò)程可能出現(xiàn)掉鉆、漏水等現(xiàn)象。

圖3 垮落帶裂隙發(fā)育特征

對(duì)其中的 53條采動(dòng)裂隙進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),裂隙發(fā)育特征如圖 4,圖 5所示。裂隙平均間距 1.08m,間距小于 2.0m的裂隙占統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的 85%,各統(tǒng)計(jì)段所占比例相當(dāng),其中裂隙間距在 1.0～2.0m所占比例略高于其他 2組數(shù)據(jù);老采空區(qū)采動(dòng)巖體裂隙傾角平均 25.55°,以低角度裂隙為主,小于 30°傾角占統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的68%。

圖4 采動(dòng)巖體裂隙分布規(guī)律

圖5 采動(dòng)巖體裂隙傾角分布規(guī)律

3 老采動(dòng)區(qū)活化機(jī)理

研究表明,不同的頂板處理方法老采空區(qū)地基穩(wěn)定性存在較大差異;同時(shí)老采空區(qū)及其覆巖中不同位置的巖體結(jié)構(gòu)有較大差異,這種采動(dòng)次生巖體結(jié)構(gòu)的差異對(duì)老采空區(qū)覆巖活化規(guī)律有重要影響,其存在形式將決定老采空區(qū)覆巖活化的基本特點(diǎn),直接影響老采空區(qū)的地基穩(wěn)定性[4-5]。

3.1 長(zhǎng)壁開(kāi)采后形成的采空區(qū)

地下煤層開(kāi)采結(jié)束,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后,地表沉陷逐漸減小,按開(kāi)采沉陷理論,當(dāng)連續(xù) 6個(gè)月內(nèi)下沉值不超過(guò) 30mm時(shí),可認(rèn)為地表移動(dòng)已穩(wěn)定,實(shí)際上地表仍會(huì)產(chǎn)生少量的殘余沉降。實(shí)測(cè)表明,地下開(kāi)采結(jié)束以后雖然經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的自然壓實(shí),在開(kāi)采引起的地下空洞、離層、裂隙和垮落帶的欠壓密、孔隙中飽水等現(xiàn)象仍長(zhǎng)期存在,地表新增荷載、地震活動(dòng)、鄰區(qū)開(kāi)采、多煤層開(kāi)采、強(qiáng)排地下水等,都可能打破原來(lái)的應(yīng)力平衡狀態(tài),使老采空區(qū)活化[6]。

老采空區(qū)覆巖受力情況如圖 6所示?？迓鋷r體為散體和碎裂結(jié)構(gòu),存在較大的殘余碎脹系數(shù)和空隙率,在采空區(qū)邊緣存在未被垮落巖塊充分充填的空洞,煤壁上方頂板形成了一定的懸臂梁結(jié)構(gòu)和砌體梁結(jié)構(gòu)。裂隙帶巖體為塊裂結(jié)構(gòu),塊體間相互咬合、鉸接,形成一定的鉸接砌體巖梁半拱形結(jié)構(gòu)和懸臂梁結(jié)構(gòu)[7]。彎曲帶為較完整的層狀結(jié)構(gòu),為堅(jiān)硬巖層和軟弱巖層交互沉積層,物性特征為法向非均質(zhì)異性體,切向?yàn)榫|(zhì)各向同性體。表土層可視為覆巖載荷層,隨彎曲帶整體移動(dòng)。

新增荷載作用下長(zhǎng)壁開(kāi)采老采空區(qū)活化存在如下2種形式:

(1)在地震活動(dòng)、煤炭開(kāi)采活動(dòng)、地下水等因素的作用下,垮落帶巖體結(jié)構(gòu)失穩(wěn),下部巖體結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)導(dǎo)致裂縫帶巖體結(jié)構(gòu)失穩(wěn),彎曲帶巖體結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)發(fā)生改變,在地表新建建 (構(gòu))筑物及表土層荷載的作用下,當(dāng)彎曲帶巖層結(jié)構(gòu)滿足失穩(wěn)條件時(shí),彎曲帶巖層結(jié)構(gòu)失穩(wěn),地表產(chǎn)生較大的變形,地表建 (構(gòu))筑物受到開(kāi)采沉陷損害影響。

(2)在地表新建建 (構(gòu))筑物及表土荷載層的作用下,彎曲帶內(nèi)離層裂隙隙寬減小,巖體變形增加,在彎曲帶變形的影響下,裂縫帶巖體結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)發(fā)生改變,當(dāng)受力狀態(tài)滿足裂隙巖體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)條件時(shí),垮落帶及裂縫帶巖體結(jié)構(gòu)失穩(wěn),下覆巖體結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)導(dǎo)致上覆巖體結(jié)構(gòu)相繼失穩(wěn),地表產(chǎn)生較大的變形,地表建 (構(gòu))筑物受到開(kāi)采沉陷損害影響。

3.2 非充分開(kāi)采后形成的采空區(qū)

建國(guó)前開(kāi)采的采空區(qū)、小煤窯開(kāi)采的采空區(qū)、大多數(shù)急傾斜煤層開(kāi)采的采空區(qū)等,均屬殘留煤柱較多的采空區(qū)。這種類(lèi)型采空區(qū),在開(kāi)采結(jié)束的最初若干年,甚至一二十年內(nèi)地表沉降均較小,不能用地表移動(dòng)穩(wěn)定的概念來(lái)衡量。隨著時(shí)間的推移,這些殘留的煤柱,在上覆巖層重力作用下產(chǎn)生蠕變并將逐步垮落,或在外在因素的影響下可能發(fā)生垮落,在這種情況下地表可能發(fā)生沉降,甚至可能發(fā)生突然性劇烈沉降,對(duì)地表建 (構(gòu))筑物造成嚴(yán)重?fù)p害[8]。

非充分開(kāi)采后形成的采空區(qū),上覆巖層也可劃分為垮落帶、裂縫帶、彎曲帶。由于受采出范圍的限制,這三帶的發(fā)育程度常常不足,在地表也僅形成一個(gè)淺緩的下沉盆地。如果采出范圍較大,地表沉降也較大。這類(lèi)型的采空區(qū),如果留下的未采煤柱尺寸不合理,煤柱不能長(zhǎng)期支撐上履巖層;多數(shù)情況殘余沉降變形較大、且分布不規(guī)則、不連續(xù),甚至是突發(fā)的。沉降可能在開(kāi)采后數(shù)十年或上百年突然發(fā)生,對(duì)地表建 (構(gòu))筑物的危害更大。

4 結(jié)論

(1)綜合鉆探、鉆孔電視、物探測(cè)井研究表明,老采動(dòng)區(qū)彎曲帶表現(xiàn)為連續(xù)平緩的彎曲變形,局部有裂隙產(chǎn)生,巖層的整體性未遭破壞;裂縫帶巖層產(chǎn)生裂隙或斷裂發(fā)育,但尚未塌落;垮落帶巖層斷裂破碎塌落,堆積于采空區(qū),有殘留空洞。

(2)對(duì)其中的 53條采動(dòng)裂隙發(fā)育特征統(tǒng)計(jì)表明,裂隙平均間距 1.08m,間距小于 2.0m的裂隙占統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的 85%;老采空區(qū)采動(dòng)巖體裂隙以低角度裂隙為主,小于 30°傾角占統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的 68%。

(3)煤炭開(kāi)采引起的地下空洞、離層、裂隙和垮落帶的欠壓密、孔隙中飽水等現(xiàn)象仍長(zhǎng)期存在,在地表新增荷載、地震活動(dòng)、煤炭開(kāi)采、地下水等因素作用下,老采動(dòng)區(qū)覆巖應(yīng)力平衡狀態(tài)發(fā)生改變,巖體結(jié)構(gòu)再次失穩(wěn)使老采動(dòng)區(qū)活化。

[1]常 江 .老采空區(qū)上方建筑物地基穩(wěn)定性的研究 [J].西北礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),1995,15(1):29-33.

[2]馬金榮,劉 輝,季 翔 .煤礦廢棄采空區(qū)建筑場(chǎng)地穩(wěn)定性研究 [J].建筑科學(xué),2006,22(4):21-24.

[3]張玉軍,張華興,陳佩佩 .覆巖及采動(dòng)巖體裂隙場(chǎng)分布特征的可視化探測(cè) [J].煤炭學(xué)報(bào),2008,33(11).

[4]許延春,耿德庸.采空區(qū)待建工程地基穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià) [J].勘察科學(xué)技術(shù),1996(3):9-12.

[5]張俊英,王金莊 .采空區(qū)地表新建建筑地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)技術(shù)研究 [J].礦山測(cè)量,2003(9):28-30.

[6]張永波,孫雅潔,盧正偉,等 .老采空區(qū)建筑地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)理論與方法 [M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2006.

[7]侯忠杰 .對(duì)淺埋煤層“短砌體梁”、“臺(tái)階巖梁”結(jié)構(gòu)與砌體梁理論的商榷 [J].煤炭學(xué)報(bào),2008,33(11).

[8]郭廣禮,何國(guó)清,崔曙光 .部分開(kāi)采老采空區(qū)覆巖穩(wěn)定性分析 [J].礦山壓力與頂板管理,2003(3):70-73.

[責(zé)任編輯:李宏艷]

Crack Development Characteristic of Rock Strata over Abandoned Gob and Its Activation M echan ism

BA I Guo-liang,L I Shu-zhi,GAO Jun-hai

(Tangshan Research Institute,China Coal Research Institute,Tangshan 063012,China)

This paper researched characteristic of crack in overlying strata over abandoned gob by borehole exploration,borehole TV, geophysicalwell logging,rock mechanics test,et al.Resultswas shown as follows.Rock in bending zone over abandoned gob was intact and took on continuous bending deformation with local cracks.Cracks developed in crack zone but rock didn’t cave.Rock parted and caved in caving zone.Statistics from 53 cracks induced by mining showed that average interval of the cracks was 1.08m and cracks whose interval less than 2.0m was 85%of total data.Cracks in overlying rock over abandoned gobweremostly s mall dip.Dip less than 30°was 68%of total data.Underground cave,parting,cracks induced by mining,under-consolidation and aqueous pore in caving zone were basic cause of abandoned gob activation.

abandoned gob;rock crack;activation;structure instability

TD325

A

1006-6225(2010)05-0011-03

2010-03-16

“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)資助項(xiàng)目 (2006BAC09B01);天地科技股份有限公司發(fā)展基金項(xiàng)目 (TZ-JJ-09-TS-2)

白國(guó)良 (1979-),男,黑龍江雙城人,工程師,博士,主要從事礦山地質(zhì)環(huán)境與巖土工程方面的研究。