覆巖離層動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究

王素華,宋朝亮,劉 永

1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木學(xué)院,山東 泰安 271000

2.山東省德州市水利局,山東 德州 253000

覆巖離層注漿減沉技術(shù)是近十幾年來發(fā)展起來的開采沉陷控制的一種新方法。隨著覆巖離層注漿減沉技術(shù)的發(fā)展，有關(guān)上覆巖層移動(dòng)和離層規(guī)律的研究也在不斷深入，但大多著眼于覆巖破壞和力學(xué)性質(zhì)[1-7]，對(duì)采動(dòng)過程中離層的動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律研究較少，特別是實(shí)驗(yàn)研究更少。覆巖離層動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律是注漿減沉方案的理論與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，也是研究水平的標(biāo)志性成果之一。離層的形成是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，正確掌握這一規(guī)律對(duì)合理進(jìn)行離層帶注漿具有重要作用。通過覆巖離層規(guī)律的工程觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，可以獲得離層觀測(cè)資料，總結(jié)離層動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律，從而為進(jìn)一步推廣覆巖離層注漿減沉技術(shù)提供實(shí)踐基礎(chǔ)。本文根據(jù)唐山礦離層觀測(cè)實(shí)測(cè)資料對(duì)這一問題進(jìn)行了探討。

1 覆巖離層動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律實(shí)驗(yàn)

1.1 工作面的地質(zhì)情況

唐山礦T2294 工作面位于礦井12-13 水平鐵二區(qū)二采區(qū)，屬8、9 合區(qū)煤層。工作面四鄰均未有采掘活動(dòng)，其南鄰4070 丙、丁斜井，東南部為T2192 采空區(qū)。地面為陳莊糧庫、市物質(zhì)儲(chǔ)運(yùn)公司、物質(zhì)采購站等。

工作面走向長(zhǎng)度1195 m，傾斜長(zhǎng)度144 m，煤層平均采厚10.3 m，煤層傾角140，煤層平均埋深約716 m，采用綜合機(jī)械化放頂煤開采，全陷式頂板管理，最高日進(jìn)尺按3.0 m/d，日均進(jìn)尺為2.0 m/d。頂?shù)装迩闆r：老頂為灰色細(xì)中砂巖，8.6 m，主要成份以石英長(zhǎng)石為主，硅質(zhì)膠結(jié)。直接頂為深灰色粉砂巖，5.3 m，以粉砂質(zhì)為主。無偽頂。直接底為灰黑色泥巖，5.5 m，主要成份泥質(zhì)，富含植物根化石。老底為灰黑色粉砂巖，4.0 m，斷口參差狀，致密性脆。上覆巖層為中硬巖層，且軟硬相間。

1.2 觀測(cè)鉆孔的平面位置

為研究煤層開采后，覆巖離層的動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律，在工作面布置了離層觀測(cè)鉆孔（圖1）。

1.3 測(cè)點(diǎn)在鉆孔中的布置

離層觀測(cè)層位的選擇，要根據(jù)煤層覆巖的巖層結(jié)構(gòu)和注漿層位。由觀測(cè)鉆孔的地層柱狀圖確定觀測(cè)的離層層位。根據(jù)觀測(cè)的需要和測(cè)點(diǎn)安裝的可能，設(shè)計(jì)共布置6 個(gè)離層觀測(cè)測(cè)點(diǎn)。其次要確定觀測(cè)巖層的垂向范圍，考慮到鐵二采區(qū)注漿層位一般在煤層頂板以上180～300 m 之間，所以離層觀測(cè)的巖層范圍也基本選擇在這個(gè)層位范圍，比這更寬一些，即煤層頂板向上180～350 m。離層觀測(cè)鉆孔處煤層的埋深為721 m，觀測(cè)巖層的深度是372～543 m。再就是測(cè)點(diǎn)的位置一定要考慮巖層的力學(xué)性質(zhì)，將測(cè)點(diǎn)布置在堅(jiān)硬巖層中，測(cè)點(diǎn)固定可靠；布置在軟弱巖層中，則有可能因?yàn)閹r層的破碎而無法固定。

根據(jù)巖層的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)，判斷巖層的離層層位，布置離層觀測(cè)測(cè)點(diǎn)，6 個(gè)測(cè)點(diǎn)的位置如表1，全部布置在較厚的堅(jiān)硬巖層中。全部測(cè)點(diǎn)要在工作面距離鉆孔至少50 m 前就安裝完畢，以保證能及時(shí)觀測(cè)到初始數(shù)據(jù)。

表1 鉆孔內(nèi)測(cè)點(diǎn)位置表Table 1 Observed point's position in deep stratum

觀測(cè)方法是定期測(cè)量孔口至測(cè)點(diǎn)標(biāo)志之間的距離及孔口標(biāo)高，觀測(cè)頻率可以視工作面距孔口的距離而調(diào)整，一般在工作面沒過孔口時(shí)觀測(cè)1 次/d，工作面接近孔口時(shí)觀測(cè)3 次/d，工作面過孔口后觀測(cè)1 次/h。

2 覆巖離層動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律

煤層開采后，采空區(qū)上方頂板巖層要發(fā)生垮落破壞，形成垮落帶；垮落帶上部巖層還將相繼發(fā)生斷裂和彎曲下沉，斷裂巖層仍保持原有層狀結(jié)構(gòu)，但巖層層面方向已喪失了結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)的連續(xù)性，隨著巖層變形的向上發(fā)展，下部碎脹巖石減少了上部巖層的下沉量。同時(shí)層面方向的變形范圍逐步擴(kuò)展，減少了巖層的彎曲曲率，這樣，當(dāng)巖層的斷裂破壞發(fā)育到一定高度，巖層就只發(fā)生彎曲下沉和離層；這一部位的各巖層雖然自身是連續(xù)的，但是由于下沉過程中層面都發(fā)生了離層，所以彼此之間層面已是非連續(xù)的，離層層面最終還會(huì)閉合，但存在一定的錯(cuò)動(dòng)，變形繼續(xù)向上發(fā)展，上部巖層就會(huì)以整體彎曲形式下沉?；鶐r之上的松散沖積層則隨下部基巖一同下沉。一般情況下，離層的發(fā)育程度與離層距煤層頂板的距離成反比，即越靠近頂板離層越發(fā)育，越遠(yuǎn)離頂板離層越不發(fā)育。當(dāng)上覆巖層中存在上硬下軟、剛度差別較大的巖層組時(shí)，最利于產(chǎn)生離層。

表2 為測(cè)點(diǎn)2、6 的下沉值和其下位離層量值，圖2 為觀測(cè)孔處的下沉速度曲線，圖3 為觀測(cè)孔口處及孔內(nèi)個(gè)測(cè)點(diǎn)的下沉移動(dòng)曲線，圖4 為各觀測(cè)點(diǎn)間的離層曲線和在測(cè)點(diǎn)區(qū)段內(nèi)的總的離層曲線，其中圖中的離層1、2、3、4、5 分別為測(cè)點(diǎn)1、2，2、3，3、4，4、5，5、6 之間的離層量，總離層為測(cè)點(diǎn)所在區(qū)段內(nèi)的離層總量，圖5 為各測(cè)點(diǎn)活動(dòng)頻率曲線。

表2 測(cè)點(diǎn)2、6 的下沉值及其下位離層量值Table 2 Values of subsidence and separated layer at No.2 and 6 observing points

圖2 觀測(cè)孔處的下沉速度曲線Fig.2 Subsidence velocity curve at the observation holes

圖3 孔口處及各測(cè)點(diǎn)的下沉曲線Fig.3 Subsidence curves at observation hole and measuring points

圖4 各觀測(cè)點(diǎn)間的離層曲線和在測(cè)點(diǎn)區(qū)段內(nèi)的總離層曲線Fig.4 Separation curves at every observation point and total separation curves in observation point section

圖5 各測(cè)點(diǎn)活動(dòng)頻率曲線Fig.5 Activity frequency curves at every measuring point

實(shí)測(cè)資料表明，上覆巖層(垮落帶除外)在采動(dòng)過程中都經(jīng)歷一個(gè)連續(xù)的動(dòng)態(tài)下沉移動(dòng)過程，而且離煤層頂板越遠(yuǎn)，移動(dòng)過程越連續(xù)，其移動(dòng)曲線的形態(tài)與地表點(diǎn)的移動(dòng)過程越接近；采動(dòng)過程中，上覆巖層中會(huì)有離層產(chǎn)生，而且會(huì)同時(shí)有多個(gè)離層的存在，當(dāng)巖層移動(dòng)達(dá)到拐點(diǎn)即最大下沉速度時(shí)，離層迅速發(fā)育，離層量的大小主要與采深、工作面寬度和上覆巖層的巖性有關(guān)，在采寬和采深相同的條件下，剛度大的厚硬巖層下離層縫比較大且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，在非充分或者極非充分采動(dòng)條件下，覆巖內(nèi)的離層會(huì)長(zhǎng)期存在，注漿后可有效減輕或避免由于流變效應(yīng)或采區(qū)周圍采動(dòng)影響引起的二次沉陷問題；通過對(duì)測(cè)點(diǎn)活動(dòng)次數(shù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：工作面過鉆孔后活動(dòng)明顯頻繁，特別是在過孔底52.5～141.2 m（0.08～0.20 H）之間最為活躍，可以據(jù)此合理安排注漿起始時(shí)間。

3 離層縫寬度的計(jì)算

為了提高注漿減沉效果，應(yīng)盡可能選擇離層縫寬度最大的離層作為注漿層位，所以離層縫寬度的計(jì)算就顯得尤為重要。同時(shí)，離層縫寬度的計(jì)算也是設(shè)計(jì)注漿量的依據(jù)。一般來說，在工作面推進(jìn)過程中，上覆巖層的運(yùn)動(dòng)及破壞均可簡(jiǎn)化為板或梁的形式，據(jù)T2294 工作面具體的地質(zhì)情況，其巖層的運(yùn)動(dòng)及破斷也可視為梁的受力情況，由于四周都未有采動(dòng)，這里簡(jiǎn)化為固支梁如圖6 所示。當(dāng)離層發(fā)展到一定程度后，離層的下位巖層將受到下部巖體的支撐作用，這時(shí)可將其視為彈性地基梁。而上位巖層可視為固支梁，離層縫寬度即為二者的下沉量(即撓度)之差。在均布荷載q（q由巖層的自重和上覆軟弱夾層的重量形成)作用下，地基梁和地基的位移為y(x)，梁與地基之間的壓力為p(x)。根據(jù)溫克爾假設(shè)[7]，地基沉陷y與壓力p的關(guān)系為：p=ky(1)

式中k為地基本身的阻力系數(shù)，y為地基梁的下沉量。

圖6 巖梁力學(xué)結(jié)構(gòu)模型Fig.6 Mechanics model of stratum beam

3.1 彈性地基梁的下沉量計(jì)算

在圖6所示的坐標(biāo)系中，對(duì)原點(diǎn)以右的半邊地基梁（x≥0）進(jìn)行計(jì)算。從梁來看，撓度y與荷載q1、地基壓力p的關(guān)系為：

式中EIZ1為截面的抗彎剛度。代入?yún)?shù)可求得下述形式的積分方程：

由定性分析可知，當(dāng)x→∞時(shí)，下沉,只有當(dāng)C3=C4=0 時(shí)，這一條件得到滿足。因此上式應(yīng)為：

實(shí)際上，距開采邊界無窮遠(yuǎn)(x→∞)點(diǎn)的下沉量應(yīng)該等于零，而計(jì)算值為回采前后在兩種情況之中受載和非受載巖層的下沉之差。因此，為了得到實(shí)際下沉量，應(yīng)從上式中減去，因此彈性地基梁的下沉曲線方程為：

所以彈性地基梁的下沉方程為：

利用上述同樣的方法可以求得原點(diǎn)以左(x≤0)半邊梁的相應(yīng)計(jì)算公式，最終結(jié)果為：

3.2 固支梁的撓度計(jì)算

此即為承受均布載荷固支梁的撓曲線方程，顯然梁的最大撓度在梁跨度的中點(diǎn)，即x=0 處，因而，得到：

式中：ymax-巖梁的最大撓度/mm；q-巖梁承受的均布荷載/kN/m；L-巖梁的跨度/m；E-巖梁的彈性模量/Pa（表3）；Iz2-固支梁的截面慣性矩/m4。

表3 唐山礦巖石力學(xué)參數(shù)表Table 3 Mechanics parameter of rock on Tangshan mine

巖梁的垮度L的計(jì)算，為計(jì)算方便，可根據(jù)“傳遞巖梁”理論中的極限跨距來確定[8,9]（圖7）。

圖7 傳遞巖梁跨距示意圖Fig.7 Schematic diagram of the stratum beam span

其中：

式中m-托層厚度/m；[σt]-材料的極限抗壓強(qiáng)度/Pa；mi-隨支托層同時(shí)運(yùn)動(dòng)的弱巖層的厚度/m；r-支托層容重/(N/m3)。

當(dāng)計(jì)算第n個(gè)傳遞巖梁的跨度時(shí)，則Ln=0.8n-1L1，將Ln代入y即可。從彈性地基梁和固支梁的撓曲線方程可以看出，在x=0 處即梁的中點(diǎn)處它們的下沉量最大，二者的下沉量之差即為離層縫最大寬度。計(jì)算所得最大離層量為42.8 mm，發(fā)生在測(cè)點(diǎn)5、6 之間，計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值相比偏小，原因可能是：在計(jì)算過程中，巖石力學(xué)參數(shù)取自T2191 工作面的巖石力學(xué)參數(shù)的平均值，與實(shí)際的巖石性質(zhì)有誤差所致。

4 結(jié)論

（1）上覆巖層(垮落帶除外)在采動(dòng)過程中都經(jīng)歷一個(gè)連續(xù)的動(dòng)態(tài)下沉移動(dòng)過程，而且離煤層頂板越遠(yuǎn)，移動(dòng)過程越連續(xù)，其移動(dòng)曲線的形態(tài)與地表點(diǎn)的移動(dòng)過程越接近。

（2）在軟硬互層的中硬上覆巖層中會(huì)同時(shí)存在多個(gè)離層，離層量的大小與其所在位置的巖層厚度和性質(zhì)有關(guān)，厚度大、堅(jiān)硬巖層下的離層量較大。

（3）采動(dòng)過程中上覆巖層的離層發(fā)育是有一定規(guī)律的：當(dāng)工作而推過之后，離層逐漸產(chǎn)生；當(dāng)巖層移動(dòng)達(dá)到拐點(diǎn)即最大下沉速度時(shí)，離層迅速發(fā)育。

（4）在非充分或者極非充分采動(dòng)條件下，覆巖內(nèi)的離層會(huì)長(zhǎng)期存在，注漿后可有效減輕或避免由于流變效應(yīng)或采區(qū)周圍采動(dòng)影響引起的二次沉陷問題。