厚層堅硬頂板離層發(fā)育特征與水害成因機理

張周鑫， 劉啟蒙， 金洲洋

(安徽理工大學 地球與環(huán)境學院，安徽 淮南232001)

0 引 言

受煤系地層沉積分層性及結構與巖性差異影響，采動覆巖在彎曲沉降過程中不同步。這種不同步彎曲沉降引起的相鄰巖層層面(或薄弱面)分離現象，稱之為離層。離層是采礦過程中頂板跨落的常見現象之一，其模擬方法主要包括離散元方法［1］、有限元法［2］、接觸元法［3］及有限差分法。離層是覆巖沉陷過程中沿層面產生的分離，在冒落帶、導水裂縫帶及彎曲下沉帶中均有產生，但在頂板“兩帶”中離層發(fā)育的時間較短且其空隙會逐漸被壓實閉合，而在彎曲下沉帶中一般離層范圍較大，發(fā)育時間較長。目前，大部分研究學者認為，頂板沖擊的傾向性與頂板的巖性結構有關，沖擊壓力的形成是由于堅硬頂板斷裂前后的能量積聚和能量快速釋放所致［4－7］。喬偉等［8］提出了離層水“靜水壓涌突水”的離層水涌突水類型，并探討了采場頂板離層水“靜水壓涌突水”的形成機理。李小琴［9］提出了動力突破帶的理論表達式等。有巖漿巖侵入或是煤層頂板厚度較大且堅硬的煤系地層，很符合離層發(fā)育的條件，對煤層回采時的頂板管理與巷道施工很不利。我國華北型煤田部分區(qū)域存在離層水害的問題，開展相關研究并制定防治措施具有理論意義和實用價值。筆者以淮北楊莊煤礦為背景，研究離層發(fā)育特征及離層水害成因機理，為類似條件的水害防治提供了參考。

1 研究區(qū)地質概況及離層水害成因

1.1 地質條件

楊莊煤礦位于濉蕭礦區(qū)東南部，屬于淮北煤田，水文地質條件為淮北巖溶水系統。井田范圍內地層傾角約10°，區(qū)域內構造較為發(fā)育。西三采區(qū)5110 工作面位于井田西部，地質構造簡單，總體為一單斜構造，局部受巖漿巖侵入影響。工作面上限標高為－309 m，下限標高為－440 m，走向長度1 062 m，傾斜寬180 m，煤層厚度約為2.6 m，可采系數0.92，采用綜合機械化采煤方法，頂板為自然垮落法管理。工作面上覆巖性結構為砂質泥巖、粉砂巖、泥巖、砂巖、巖漿巖。井田內主要含水層為松散層底部砂礫巖含水層、煤系地層砂巖含水層組、太原組灰?guī)r含水層、巖漿巖和奧陶系灰?guī)r含水層。工作面開采安全主要受煤層頂板火成巖水、頂底板砂巖水及采動引起的裂隙水影響。

據井下突水點資料，5#煤層頂板巖漿巖發(fā)生突水八次，主要發(fā)生在沿煤巷掘進的巷道和工作面初次放頂的過程中，突水量為29～220 m3/h。巖漿巖水屬于頂板水，主要為靜儲量，具有突發(fā)性、突水點集中、爆發(fā)性強、初期水量大、來勢兇猛等特點，加之巖漿巖侵蝕缺乏規(guī)律性，突水難以預測，對工作面安全回采影響很大。WⅢ5110 工作面受頂板砂巖水威脅，開采過程中先后發(fā)生突水事故30 余起，最大突水水量在80～100 m3/h 范圍內。該工作面水量以靜儲量為主，補給條件較差，單位涌水量q =0.000 875～0.078 700 L/(s·m)，滲 透 系 數K = 0.012 6～0.326 0 m/d，富水性較弱，因而尚未對礦井生產構成威脅。綜合資料顯示，WⅢ5110 工作面開采主要受巖漿巖水及次生裂隙水害威脅，工作面開采過程中突水異常區(qū)域分布情況如圖1 所示。

圖1 WⅢ5110 工作面賦水異常區(qū)分布Fig．1 Distribution of water enrichment anomaly area in WⅢ5110 workface

1.2 離層水成因

由采礦學理論可知，煤層開采引起的上覆巖層變形破壞，一般情況下呈現出漸變關系，而堅硬厚層頂板所形成的沉降將表現出突然性與延遲性。鉆孔95－4#及87－9#穿過工作面頂板的揭露顯示，5#煤層以上8～11 m 范圍內被巖漿巖侵入。根據關鍵層理論［10］，堅硬的頂板巖體不能與其下伏軟弱巖層同步跨落或彎曲下沉，故發(fā)生離層現象。

離層積水是在開采的復雜水文工程地質條件下，采煤工作面頂板產生的一種動態(tài)的突水水源，導致突水的動力源為厚層堅硬巖體。煤層回采后，地層整體彎曲下沉，但由于受厚層堅硬巖體的支撐，其上部巖層未隨之下沉，而在巖層重力和厚層砂巖與火成巖巖板拉伸的共同作用下，巖層不均勻下沉，并在5#煤頂板砂巖中形成拉伸破壞，從而形成了不連續(xù)發(fā)育的離層。因該層砂巖自身就是弱含水層，加之底含水通過淺部煤巖層露頭和火成巖裂隙對其緩慢補給，從而使離層內產生積水。當5#煤層采動后，破壞了巖體原有的應力平衡，巖層整體或部分位移產生的動力，擠壓了離層儲水空間，導致積水沖破離層與5#煤采動后裂隙帶間有限的隔水層，從而引發(fā)突水并可能造成災害事故。

2 離層裂隙演化數值模擬

為了研究楊莊煤礦5#煤層上覆厚層堅硬頂板在采動條件下的離層空間發(fā)育特征，結合WⅢ5110工作面的開采條件、頂板巖性、邊界條件、初始特征，進行數值模擬計算。此次模擬采用的是UDEC 軟件，該軟件程序是基于離散單元法編制而成的，能較好地凸顯離層發(fā)育演化過程。原始巖層是由天然塊體和諸如斷面、節(jié)理、解理等不連續(xù)面組合而成，受開采擾動影響將發(fā)生各種機械作用與力學行為，此軟件能較好地模擬這一類特征活動，允許離散的巖塊發(fā)生大變形，沿不連續(xù)面滑動、轉動、脫離和冒落，且可在計算過程中自動識別新的接觸。

2.1 UDEC 數值模型

以WⅢ5110 工作面為數值模擬原型，根據現場實測地質資料，建立數值模型。模型設計遵循原則:

(1)考慮突出影響采動覆巖移動的主要因素，并盡可能多地考慮其他重要因素;

(2)重點反映材料的物理力學特性與結構面特性;

(3)定義邊界效應和初始地應力;

(4)模型具有合適的尺寸。

基于上述原則，模型的左右邊界均定義為單約束邊界，取sx=0，sy≠0(sx為x 方向位移，sy為y 方向位移);下部邊界x 和y 方向定義為全約束邊界，取sx=sy=0;上部邊界x 和y 方向移動量較大，定義為自由邊界，不予約束。

根據彈性力學中圣維南原理，取模型尺寸為300.0 m×60.5 m，共分為八層。模擬煤層采高近似取2.5 m，頂板來壓步距為20 m，兩端定義圍巖邊界為50 m，實際開挖200 m，煤層埋深取400 m。初始應力施加在模型頂部界面，荷載為上覆350 m 巖體自重應力。巖體及節(jié)理面力學參數如表1、2 所示，初始模型如圖2 所示。

表1 巖體力學參數Table 1 Mechanical parameters of rock mass

表2 節(jié)理面參數Table 2 Joint surface parameters

圖2 模型離散元剖分Fig．2 Discrete element subdivision graph of model

2.2 結果分析

2.2.1 模型初始數據精度檢驗

文中在初始計算過程中設置了監(jiān)測點，經過370 690步迭代計算，跟蹤記錄了最大不平衡力與初始位移的變化。圖3為模型頂界面位置檢測點采樣記錄。

圖3 模型檢測點跟蹤記錄Fig．3 Tracking diagram of model testing point

圖中橫軸為計算時間需換算為對應的迭代步數，圖3a 反應了經過736 步達到0．13 MN 的整體力平衡狀態(tài);圖3b 顯示相同迭代步數后垂向位移量達到最小值0．101 m。兩特征變量均滿足計算精度要求。

2.2．2 離層動態(tài)發(fā)育過程

計算結果顯示了離層動態(tài)發(fā)育過程，限于篇幅，文中選取80、160、200 m 為典型開挖步長，分析其塑性分布和應力的重分布特征。隨著工作面的回采，5#煤層頂板巖層裂隙發(fā)育直至垮落，當波及到厚層堅硬的侵入巖層時，開始出現離層現象，典型開采步驟時的頂板垮落和覆巖離層情況如圖4 所示。

圖4 典型開采步驟時離層發(fā)育情況Fig．4 Development state of separation by typical mining steps

根據模擬結果，工作面推進到40 m 時，煤層直接頂分層垮落，上覆巖層向下移動;推進到80 m 時(圖4a)，彎曲下沉帶已波及到巖漿巖底界面，且上下層位之間出現明顯的離層空間。水平方向上，在工作面切眼位置處，離層空間的規(guī)模較迎頭位置更大。由于厚層硬質巖漿巖的強力承載，形成支撐梁作用，使得離層空間未向上彌散。如圖4b 所示，隨著工作面推進到160 m，離層空間水平向上的范圍、上位巖層懸露長度及撓度均不斷增大，初始切眼位置的離層空隙逐漸閉合壓實。隨著回采面的繼續(xù)推進，達到200 m 時(圖4c)，離層空間范圍較之前未有較大擴展，形成穩(wěn)定分布態(tài)勢。

綜合上述塑性破壞模擬分析結果可知，在工作面推進過程中，由于巖漿巖作用且距離煤層較近，使得頂板裂隙在小步距開挖后便不再向上擴展，達到一個穩(wěn)定的狀態(tài)，由此形成了較好的離層空間;巖漿巖具有很好的整體性，撓度與強度都很大，隨著工作面的不斷推進，對上覆頂板形成很好的支撐作用，阻止了破壞向上的彌散趨勢。離層空間的發(fā)育主要集中在工作面的上方中央區(qū)域，由于采空區(qū)的超前支撐作用，在迎頭位置巖漿巖底界面的離層寬度和高度都發(fā)育到最大值。

2.2.3 離層發(fā)育頂板應力分布特征

圖5 為工作面推進不同距離時上覆巖層應力等值線圖。

圖5 工作面推進不同距離時上覆巖層應力等值線Fig．5 Stress contour of overlying strata by different mining steps of work

如圖5a 所示，煤層開挖引起應力重分布，在采空區(qū)前后方形成應力拱。應力曲線起于采空區(qū)后部煤體，止于控頂區(qū)或煤壁前方，采空區(qū)中部上覆巖層塊體所受的應力較小，越向下應力越大，即從拱頂到拱腳，軸向力逐漸遞增，在拱腳出現應力集中。圖中切眼位置與煤壁前方承受著集中應力作用，采空區(qū)中部受力較小，這與自然平衡拱的力學特性是一致的。應力拱發(fā)育到巖漿巖底部，在此拱結構作用下，下位巖層產生離層，拱外不會產生離層。

圖5b 為推進到160 m 時的應力等值線分布圖。從圖中可見，隨著工作面的推進，應力拱結構的跨度、拱高不斷增大，伴隨開采距離增大和切眼處垮落壓實，后拱腳前移。

圖5c 為推進至200 m 時的應力等值線分布圖。由圖可知，上覆巖層的應力曲線在開采后表現出相同的規(guī)律，即具有明顯的分區(qū)性，采空區(qū)上方一定區(qū)域為應力釋放區(qū)，采空區(qū)外側為應力集中區(qū)。

綜合上述應力重分布特征可知，在工作面開采過程中應力動態(tài)變化呈現出一般規(guī)律:采空區(qū)及其上方巖層內的主應力值相對切眼及煤壁前方應力值小，采空區(qū)上方一定范圍內巖層發(fā)生了采動卸壓現象;上方厚層堅硬巖漿巖起支撐上覆巖體作用，離層發(fā)育在底界面一定深度與寬度范圍內，應力值呈現移動拱形特征。

2.2.4 離層發(fā)育動力突水機制

文中模擬分析了離層發(fā)育特征，由此可知，煤層開采過程中，隨著采空區(qū)的形成與擴大，以及頂板支護不及時，上覆天然巖體在自重應力及構造應力作用下產生的巖層面間的拉應力或剪應力超過了相應的抗拉或抗剪強度，導致裂隙形成，甚至變形破壞。由于巖層間的力學性質差異，上下位巖層在向采空區(qū)方向移動的過程中存在張拉或錯動位移，即不協調變形，當擴展到巖漿巖底界時發(fā)生阻礙，發(fā)育成為離層空間。離層的發(fā)育又是良好的儲水空間，且厚層質硬的巖漿巖的沖擊性垮落又為其突出提供動力條件。隨著工作面的不斷推進，加之煤系砂巖水源充裕，巖石滲透性強，頂板裂隙相互貫通并形成水力通道，受采煤擾動影響后在較短時間內可形成大量的離層水，聚集的離層水在巖漿巖沖擊性垮落時瞬時釋放，造成突水危害，對工作面的回采構成威脅。

3 結論與建議

通過對淮北礦區(qū)楊莊煤礦WⅢ5110 工作面水文工程地質條件分析、離散元計算、離層演化動力突水機制探討，得出如下結論與建議:

(1)工作面頂板發(fā)育有厚層質硬的火成巖體，具備了頂板離層的地質條件，煤系砂巖水源充分，具備了形成離層水的物質基礎，火成巖的沖擊性垮落是離層水體釋放的關鍵因素。

(2)離層空間不可能發(fā)育于采場“兩帶”范圍內，而是在整體彎曲下沉帶中，且上位巖層具有較強支撐力作用。采動過程中離層空間的發(fā)育一般在采空區(qū)上方中央位置，煤壁前方寬度與高度值較大。應力的重分布表現為采場兩端集中、中間釋放的移動應力拱特點。

(3)防治離層水害可通過留設煤柱和超前疏放離層補給水源及離層水兩種途徑來避免覆巖離層水的形成，對應的井下離層水疏放孔分別為離層水導流孔和截流孔。導流孔的設置是在采場頂板離層水形成充水影響之前，施以井下鉆孔，對采場頂板水或離層水進行超前疏放;截流孔則是在工作面外施工阻截水源補給離層空間，從而減小離層水對下部采場的充水影響。

［1］許家林，錢鳴高，金宏偉．巖層移動離層演化規(guī)律及其應用研究［J］．巖土工程學報，2004，26(5):632 －636．

［2］蘇仲杰，于廣明，楊 倫．覆巖離層變形力學機理數值模擬研究［J］．巖石力學與工程學報，2003，22(8):1287 －1290．

［3］張百勝，閆永敢，康立勛．接觸單元法在層狀頂板變形分析中的應用［J］．煤炭學報，2008(4):387 －390．

［4］孟召平．煤層頂板沉積巖體結構及其對頂板穩(wěn)定性的影響［D］．北京:中國礦業(yè)大學，1999．

［5］趙團芝，李文平，趙成喜，等．頂板覆巖離層水體分布規(guī)律勘查研究［J］．礦業(yè)安全與環(huán)保，2008，35(5):4 －7．

［6］王經明，喻道慧．煤層頂板次生離層水害成因的模擬研究［J］．巖土工程學報，2010，32(2):231 －236．

［7］王爭鳴，王經明．新集礦區(qū)推覆體下采煤離層水的成因與防治［J］．能源技術與管理，2008(3):55 －57．

［8］喬 偉，李文平，李小琴．采場頂板離層水“靜水壓涌突水”機理及防治［J］．采礦與安全工程學報，2011，28(1):96－104．

［9］李小琴．堅硬覆巖下重復采動離層水涌突機理研究［D］．徐州:中國礦業(yè)大學，2011．

［10］錢鳴高，繆協興，許家林，等．巖層控制的關鍵層理論［M］．徐州:中國礦業(yè)大學出版社，2003．