近水平特厚煤層放頂煤開(kāi)采覆巖移動(dòng)規(guī)律試驗(yàn)研究

趙鵬遠(yuǎn) 朱傳杰 翁旭澤 戚緒堯 劉 謙 任 潔 胡思佳 劉 娜 周靖軒

(1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院,江蘇省徐州市,221116;2.同煤大唐塔山煤礦有限公司,山西省大同市,037000;3.龍巖學(xué)院資源工程學(xué)院,福建省龍巖市,364012)

近水平特厚煤層厚度很大，側(cè)向滑移小，基本以覆巖垂直移動(dòng)為主。放頂煤綜采時(shí)，上覆巖層變形移動(dòng)幅度大，下沉明顯，裂縫大而深，開(kāi)采引起的地表急劇下沉和寬大裂縫對(duì)環(huán)境破壞大[1-2]。開(kāi)采過(guò)程中不僅破壞環(huán)境，而且存在向井下漏風(fēng)與潰水的可能，易產(chǎn)生煤層自燃或突水事故[3]。此外，放頂開(kāi)采容易造成瓦斯瞬間涌出，造成嚴(yán)重的事故災(zāi)害[4]。因此，掌握特厚煤層開(kāi)采覆巖移動(dòng)規(guī)律，對(duì)指導(dǎo)類似礦井災(zāi)害防治具有重要意義。

針對(duì)厚煤層或特厚煤層的開(kāi)采覆巖移動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)力、應(yīng)變演化特征，以往學(xué)者做了大量研究。劉超[5]等人得出采動(dòng)下覆巖不斷劣化，其內(nèi)部細(xì)觀損傷積累最終引起覆巖破壞。林海飛[6]等人提出了“采動(dòng)裂隙圓角矩形梯臺(tái)帶”工程簡(jiǎn)化模型。但隨著煤層埋深的不同，覆巖移動(dòng)規(guī)律也大不相同，如山西安家?guī)X4#煤層(煤厚約10.35 m，開(kāi)采深度約 285 m)，下沉量約11 m左右，而 9#煤層(平均煤厚約11.82 m，開(kāi)采深度約340 m)最大下沉量卻達(dá)到21 m左右，裂隙帶隨采動(dòng)影響逐漸波及地表[7]。對(duì)于同樣埋深的王家?guī)X煤礦2#煤層(平均厚度約 6.20 m，覆巖厚度 286.4 m)，裂隙帶最終發(fā)育高度約為 115.6 m，最大下沉量為 5.6 m[8]，因此煤層埋深和厚度是覆巖移動(dòng)的主要影響因素之一。此外，煤層上部巖層也影響覆巖移動(dòng)規(guī)律[9-10]。總之，采場(chǎng)覆巖移動(dòng)規(guī)律是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，受煤層、覆巖類型、埋藏深度、煤層及覆巖厚度等眾多因素影響。 因此隨著埋深加大，覆巖移動(dòng)存在加劇的趨勢(shì)。

盡管以往很多學(xué)者對(duì)特厚煤層的覆巖移動(dòng)規(guī)律做了大量研究，但是由于我國(guó)煤層賦存和分布的差異性，不同礦井的覆巖移動(dòng)特征存在很大不同，本文主要根據(jù)巖體的連續(xù)性和可變性，對(duì)煤層上部覆巖內(nèi)的移動(dòng)變形和在特厚煤層開(kāi)采過(guò)程中引起的上覆巖層移動(dòng)規(guī)律、裂隙發(fā)育規(guī)律和應(yīng)變規(guī)律進(jìn)行研究。采用相似材料模擬的方法，開(kāi)展試驗(yàn)室相似模擬和數(shù)值仿真研究，結(jié)合塔山礦3-5#煤層大采高特點(diǎn)，研究近水平特厚煤層高強(qiáng)度開(kāi)采工作面引起的地表沉陷、巖層破斷規(guī)律以及采動(dòng)覆巖移動(dòng)規(guī)律，通過(guò)模擬計(jì)算煤層頂板的下沉量、下沉速度以及裂隙發(fā)育高度移動(dòng)變形規(guī)律，為類似條件下的特厚煤層開(kāi)采提供借鑒。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 模型基本參數(shù)

該物理相似模型以塔山煤礦3-5#煤層為原型，該煤層厚度為8.36～29.21 m，平均為17.52 m；傾角為2°～6°，平均為3°，3-5#煤層采用放頂煤工藝進(jìn)行開(kāi)采，采煤高度為3.8 m，放煤高度14.1 m，采放比為1:3.72，循環(huán)進(jìn)度、放煤步距均為0.8 m，月進(jìn)尺160 m；在工作面初采期間，因?yàn)轫斆翰豢迓浠蝽斆嚎迓涓叨炔粔?，工作面?0 m不放頂煤，且停采線前30 m到停采線，只割煤不放煤。根據(jù)相似準(zhǔn)則，結(jié)合原型工作面的采礦地質(zhì)條件，確定各物理相似模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膸缀蜗嗨票葹?50∶1，容重相似比為1.667∶1，應(yīng)力比為250:1。 即搭建2.5 m×0.2 m×1.7 m的物理模型，在頂部施加29704.9 Pa的載荷，其中煤層厚度為0.12 m，開(kāi)挖高度為0.1017 m，開(kāi)挖距離共計(jì)2 m，單次開(kāi)挖距離為0.018 m，開(kāi)挖時(shí)間間隔為0.5 h，共計(jì)開(kāi)挖時(shí)間25 h，共開(kāi)挖50步。

1.2 相似材料參數(shù)計(jì)算

以塔山礦3-5#煤層工作面為基礎(chǔ)建立二維相似模型，模型包括煤層直接底至地表，共28層，模型比例為150∶1，尺寸2.5 m×0.2 m×1.7 m。試驗(yàn)材料配比如表2所示，建立的試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。

表1 相似模型試驗(yàn)材料配比表

圖1 相似模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

1.3 模型測(cè)線布置

為觀測(cè)工作面推進(jìn)過(guò)程中覆巖垮落應(yīng)力變化，在沿煤層頂板由下至上的巖層中共布設(shè)4條測(cè)線，測(cè)線1距8#煤層頂板0.02 m，測(cè)線2距3-5#煤層頂板0.02 m，測(cè)線3距3-5#煤層頂板0.3 m，測(cè)線4距3-5#煤層頂板0.8 m。每條測(cè)線沿煤層開(kāi)采方向布置11個(gè)測(cè)點(diǎn)，相鄰兩測(cè)點(diǎn)間距0.2～0.25 m，整個(gè)模型共計(jì)布設(shè)44個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)和工作面布置如圖2所示，通過(guò)靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖2 模型測(cè)線與測(cè)點(diǎn)布置

1.4 模型觀測(cè)

試驗(yàn)采用非接觸式全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)對(duì)整個(gè)模型的位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，該系統(tǒng)型號(hào)為Vic-2D，系統(tǒng)采用數(shù)字圖像相關(guān)性運(yùn)算法則，為試驗(yàn)提供二維視野的位移及應(yīng)變數(shù)據(jù)測(cè)量。系統(tǒng)主要包括工業(yè)數(shù)位相機(jī)、光學(xué)鏡頭、照明系統(tǒng)、配套筆記本、Flycapture軟件、Vic-2D軟件。試驗(yàn)采用噴散墨汁的方式，在模型表面生成隨機(jī)的墨點(diǎn)，墨點(diǎn)與模型表面顏色形成強(qiáng)烈對(duì)比，以便監(jiān)測(cè)系統(tǒng)捕捉，并記錄運(yùn)行狀態(tài)，模型隨機(jī)散斑，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)圖

2 結(jié)果與分析

2.1 裂隙發(fā)育情況

模型自然晾干15 d后，在對(duì)應(yīng)距實(shí)際比例煤層左邊界37.5 m處開(kāi)挖，因采用放頂煤工藝，前20 m煤層作為切眼，只進(jìn)行割煤，不放煤(對(duì)應(yīng)模型寬度為0.133 m)。之后按時(shí)間相似比開(kāi)采模型，每0.5 h向前推進(jìn)1.8 cm。在工作面推進(jìn)過(guò)程中，對(duì)每次循環(huán)割煤和放煤時(shí)間進(jìn)行記錄，對(duì)頂煤和煤層頂板的垮落特征采用非接觸式全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行信息采集并拍照，得到煤層開(kāi)采直接頂垮落情況，如圖4所示。

圖4 隨煤層開(kāi)采上部巖層垮落情況

隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，開(kāi)挖75.6 m左右，覆巖仍沒(méi)有發(fā)生垮落，位于裂隙場(chǎng)頂部的離層裂隙呈平行分布，煤巖交界面逐漸出現(xiàn)裂隙，開(kāi)始出現(xiàn)離層現(xiàn)象，當(dāng)工作面推進(jìn)至91.8 m時(shí)，煤層上方4 m厚的直接頂由于離層距離達(dá)到一定程度，在自重和上覆巖層壓力下發(fā)生初次垮落，垮落的巖塊較破碎，塊度較小，但由于開(kāi)采工作面高，頂煤厚度較大，垮落后的巖層不能完全充填后部形成的采空區(qū)。

工作面繼續(xù)向前推進(jìn)至110.7 m時(shí)，沿煤巖界面再次垮落，基本頂同時(shí)達(dá)到極限跨距，發(fā)生初次斷裂。當(dāng)工作面推進(jìn)至127 m時(shí)，基本頂上分層再次破斷，同時(shí)基本頂上覆巖層開(kāi)始出現(xiàn)離層現(xiàn)象。繼續(xù)開(kāi)挖8 m后，基本頂上分層垮落，上覆巖層內(nèi)離層裂隙向上發(fā)育，離層最大發(fā)育高度距煤層頂板27 m，最大離層量為5 m。

工作面繼續(xù)推進(jìn)至165 m時(shí)，直接頂再次周期破斷，破斷步距為20 m，垮落帶高度為9 m，工作面繼續(xù)推進(jìn)過(guò)程中垮落覆巖塊度變大，隨著離層覆巖增高，垮落巖塊增多。工作面推進(jìn)至189 m處，基本頂上層頂再次破斷，老頂垮落，離層裂隙發(fā)育至煤層頂板96 m處，工作面繼續(xù)推進(jìn)，當(dāng)推進(jìn)至210.6 m時(shí)，根據(jù)相似模擬模型可知，縱向破斷裂隙的發(fā)育高度不斷向地表發(fā)育，當(dāng)工作面繼續(xù)向前推進(jìn)時(shí)，上方覆巖的進(jìn)一步出現(xiàn)裂隙，垮落的覆巖由于具有較大的沖擊力，下方距煤層頂板80 m內(nèi)的垮落模型層直接被損壞，離層裂隙沿工作面推進(jìn)方向持續(xù)發(fā)展。當(dāng)工作面推進(jìn)至224 m時(shí)，基本頂再次出現(xiàn)周期性垮落，垮落步距約24 m，覆巖距煤層頂150 m處有橫向裂隙發(fā)育，并伴有細(xì)小的縱向裂隙發(fā)育，且裂隙逐漸發(fā)育至最上層砂巖。從整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程可以得出，在煤層開(kāi)采的初始階段，頂煤不能及時(shí)垮落，但隨著工作面的不斷推進(jìn)，頂煤在上覆巖層壓力和自身重力作用下，冒放性良好，和常規(guī)煤層開(kāi)采覆巖移動(dòng)特征基本相同。整個(gè)開(kāi)采過(guò)程中，采場(chǎng)上覆巖層具有分層破壞的特性，巖層自上而下分層下沉、垮落，且在垮落過(guò)程中，各巖層的離層垮落過(guò)程并不是自上而下逐層垮落，而是依據(jù)各巖層的性質(zhì)和厚度進(jìn)行而發(fā)生“跨越式”垮落。

通過(guò)觀測(cè)工作面推進(jìn)時(shí)裂隙發(fā)育情況，得到裂隙發(fā)育高度變化趨勢(shì)如圖5所示。通過(guò)裂隙發(fā)育高度趨勢(shì)圖可以看出，隨著工作面的推進(jìn)，受開(kāi)采厚度和巖層移動(dòng)的波及，裂隙的發(fā)育高度逐漸增加，當(dāng)工作面推進(jìn)至220 m時(shí)，裂隙的發(fā)育高度就已接近160 m。與厚度較小的煤層相比，本試驗(yàn)得到的裂隙發(fā)育速度快、高度大。例如，王莊煤礦8101綜采工作面[11](煤層厚度平均約6.3 m，采高6.3 m)和趙固二礦[12](煤層平均厚度6.2 m，埋深大于680 m，開(kāi)采厚度5.5～6.0 m)的裂隙帶發(fā)育高度分別約為60 m和101 m?？梢?jiàn)，與厚度較小的煤層開(kāi)采相比，塔山礦等特厚煤層開(kāi)采過(guò)程中，遺留的空間較大，造成關(guān)鍵層不斷垮落，上部巖層裂隙發(fā)育較為迅速且顯著，繼而逐漸垮落，且在停采后，煤層后方采空區(qū)垮落未破壞的模型中，裂隙基本被壓實(shí)閉合。

圖5 裂隙發(fā)育高度曲線

2.2 覆巖移動(dòng)變形規(guī)律

采用全場(chǎng)非接觸應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄開(kāi)采過(guò)程中采場(chǎng)覆巖及地表的Vic-2D豎直位移變化云圖見(jiàn)圖6，其中縱坐標(biāo)表示云圖的位移變化量。

圖6 垮落法開(kāi)采時(shí)覆巖豎直位移云圖

通過(guò)模擬可以得出，距離煤層越近，覆巖下沉量越大，隨工作面回采頂板逐漸垮落，覆巖不斷出現(xiàn)離層與裂隙。觀測(cè)開(kāi)采過(guò)程中上覆巖直接頂、基本頂?shù)鹊囊苿?dòng)變形規(guī)律，在煤層開(kāi)采過(guò)程中頂板下沉量隨工作面推進(jìn)距離增大而增大，相比之下，離工作面較高的巖層頂板下沉量小于工作面上方較近覆巖。因此，在工作面上方基本頂與采空區(qū)頂板之間的區(qū)域內(nèi)，位移變化量比較明顯，說(shuō)明該區(qū)域受煤層開(kāi)采的影響較大。此外根據(jù)模擬結(jié)果可以得出，隨著巖層裂隙的不斷發(fā)育，巖層出現(xiàn)較大的彎曲和離層，在彎曲下沉頂板的兩邊，模型縱向位移變化明顯，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，繪出巖層隨工作面推進(jìn)的相對(duì)位置變化，即覆巖移動(dòng)和變形情況如圖7所示。

圖7 模型不同水平測(cè)點(diǎn)最終下沉曲線

由圖7模型測(cè)點(diǎn)最終下沉曲線可知，工作面回采后，距離煤層3 m處的最大下沉量達(dá)到14.3 m，距離煤層45 m處的最大下沉量為10.6 m，距離煤層80 m處的最大下沉量達(dá)到9.3 m。覆巖的下沉過(guò)程中各點(diǎn)的下沉量并不連續(xù)，且不完全同步，其中巖層下沉曲線的形態(tài)呈現(xiàn)非對(duì)稱性，即偏態(tài)性。與塔山礦開(kāi)采面極其相似的朱仙莊采區(qū)一區(qū)段工作面煤層(厚度平均10 m，埋深約250 m裂隙的發(fā)育高度為66.3 m，最大下沉量約10 m)[13]等特厚煤層相比，塔山礦煤層上部巖層下沉量較大，煤層開(kāi)采后的遺留空間會(huì)較大，垮落的塊狀結(jié)構(gòu)隨垮落而破碎，無(wú)法填充整個(gè)采空區(qū)，容易造成瓦斯或煤自燃等災(zāi)害。

2.3 開(kāi)采過(guò)程中覆巖下沉速度變化

記錄距離始采線150 m內(nèi)的基本頂、老頂?shù)入S工作面回采過(guò)程中的位移變化，分別取距離煤層頂板40 m、82 m和136 m處的下沉量和下沉速度變化進(jìn)行分析，如圖8所示。

圖8 開(kāi)采時(shí)測(cè)點(diǎn)的下沉量和下沉速度

當(dāng)工作面推進(jìn)至100 m時(shí)，覆巖開(kāi)始出現(xiàn)下沉趨勢(shì)；至120 m時(shí)下沉速度開(kāi)始明顯加快；推進(jìn)至150 m時(shí)測(cè)點(diǎn)處巖層下沉速度達(dá)到峰值，最大下沉速度達(dá)到5.2 m/d；推進(jìn)至250 m時(shí)，隨著巖層裂隙的壓實(shí)閉合，下沉速度變緩；推進(jìn)至300 m以后下沉速度趨近于0。工作面回采過(guò)程中，基本頂測(cè)點(diǎn)的下沉量較大，且最先達(dá)到下沉速度最大值，距煤層136 m處的下沉量達(dá)到8.93 m，下沉速度達(dá)到3.19 m/d，由圖8可知上覆巖層的下沉速度經(jīng)歷了“緩慢—逐漸增大到峰值—快速減少—趨于穩(wěn)定”的過(guò)程，在煤層開(kāi)采過(guò)程中，裂隙發(fā)育速度曲線的波動(dòng)除與開(kāi)采擾動(dòng)有關(guān)外，主要與巖層的性質(zhì)有關(guān)，如果裂隙發(fā)育遇到松軟巖層，則離層裂隙發(fā)育速度較快，反之則慢。

2.4 煤層應(yīng)變和應(yīng)力變化規(guī)律

測(cè)點(diǎn)應(yīng)變隨工作面推進(jìn)的變化曲線見(jiàn)圖9。從圖9可以看出，煤層上方不同區(qū)域應(yīng)變變化趨勢(shì)不同，在工作面前方形成了微弱的超前壓力，并隨工作面的推進(jìn)而不斷移動(dòng)。根據(jù)不同的測(cè)線可以得出，煤層開(kāi)采至150 m左右時(shí)，上部巖層發(fā)生巨大變化，此時(shí)在距煤層頂板3 m處，由于上部巖層冒落產(chǎn)生的自重，應(yīng)力不斷上升，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值后，下方應(yīng)力拱向高處傳遞，迅速泄壓，整個(gè)應(yīng)力變化趨勢(shì)呈“n”字型。距煤層頂板48 m處，隨煤層開(kāi)采下部巖層發(fā)生離層現(xiàn)象，應(yīng)力呈下降趨勢(shì)，當(dāng)隨著巖層垮落壓實(shí)，下部應(yīng)力拱上移，應(yīng)力不斷升高。在距煤層123 m處，由于開(kāi)采初期，煤層裂隙發(fā)育高度較低，應(yīng)力變化趨勢(shì)基本平穩(wěn)；當(dāng)工作面推進(jìn)至150 m左右時(shí)，隨著下部巖層垮落、離層等現(xiàn)象，應(yīng)力急劇下降。

圖9 測(cè)點(diǎn)應(yīng)變隨工作面推進(jìn)變化曲線

綜上所述，隨著工作面的推進(jìn)，上部巖層裂隙不斷出現(xiàn)離層、壓實(shí)、閉合、離層、擴(kuò)大和垮落等過(guò)程，應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)力受上方巖層裂隙發(fā)育和地應(yīng)力的綜合影響，且應(yīng)力變化與裂隙發(fā)育特征基本吻合，當(dāng)巖層承受的拉應(yīng)力大于其抗拉強(qiáng)度，巖層出現(xiàn)離層裂隙，當(dāng)裂隙進(jìn)一步發(fā)育，失去了連續(xù)性，整個(gè)巖層發(fā)生垮落。

3 結(jié)論

(1)塔山礦3-5#煤層埋深較深，開(kāi)采厚度較厚，屬特厚煤層，在整個(gè)煤層回采過(guò)程中，上覆巖層自下向上出現(xiàn)不同程度的彎曲下沉和垮落，應(yīng)力場(chǎng)重新分布，致使采動(dòng)裂隙隨著開(kāi)挖工作處于不斷演化的過(guò)程，最大下沉量達(dá)到14.3 m，且位于采空區(qū)中部，兩端隨與中心距離的增大而減小。

(2)隨著工作面開(kāi)采，頂板出現(xiàn)明顯的離層，裂隙發(fā)育較大，并出現(xiàn)周期性斷裂，經(jīng)歷大面積初次垮落之后呈周期性垮落，頂板呈整體性破壞；工作面回采以后，在開(kāi)切眼與工作面兩端形成破斷裂隙，隨著開(kāi)挖距離的進(jìn)一步加大，位于采空區(qū)上部中央?yún)^(qū)域內(nèi)的裂隙被逐漸壓實(shí)，而離層裂隙開(kāi)始向上演化，最大高度發(fā)育到160 m處，地表以彎曲下沉為主，采動(dòng)破壞較為嚴(yán)重。

(3)在煤層開(kāi)采過(guò)程中由于上部巖層下沉量較大，沖擊力較大，造成模型采空區(qū)內(nèi)垮落的頂損壞，無(wú)法形成砌體梁結(jié)構(gòu)，造成模型繼續(xù)塌落，即相應(yīng)的煤層老頂開(kāi)始大范圍垮落，其中最大下沉速度達(dá)到5.2 m/d左右。此外，由于開(kāi)采煤層高度大，直接頂厚度較小，難以充滿采空區(qū)，因此基本頂破斷時(shí)，下沉量較大，這使得采空區(qū)內(nèi)滯留大量空氣，易造成瓦斯或煤自燃等災(zāi)害。