采空區(qū)覆巖運動規(guī)律相似材料模擬試驗研究①

郭龍輝

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院,安徽 淮南 232001)

0 引 言

由于煤層開采導(dǎo)致采空區(qū)覆巖垮落，造成開采延誤以及危機工人生命的案例屢見不鮮，中國的煤田分布范圍廣泛，距不完全統(tǒng)計，每年將近有1億立方米的地表由于采空區(qū)的失穩(wěn)破壞而形成塌陷坑，因此研究采空區(qū)覆巖的垮落破壞形態(tài)以及其下沉特點變得至關(guān)重要。近些年來，眾多學(xué)者[1-8]也投入到對采空區(qū)覆巖的研究中去，黃昌富[9]利用相似材料模擬試驗將覆巖的垮落區(qū)域分為不穩(wěn)定區(qū)，基本穩(wěn)定區(qū)和穩(wěn)定區(qū)，并發(fā)現(xiàn)塌陷區(qū)巖體具有閉合現(xiàn)象；方新秋[10]通過試驗、理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測等多種手段，對采空區(qū)上覆巖層的運動規(guī)律做出研究，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)上覆“砌體梁”結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性主要取決于基巖厚度以及其巖層的物理力學(xué)性質(zhì)；本文通過建立物理模型，設(shè)計相似材料模擬試驗和flac3d數(shù)值模擬，對采空區(qū)覆巖的破壞特征加以描述并總結(jié)覆巖的下沉變形規(guī)律，以此對采空區(qū)覆巖的沉降變形做出研究。

1 工程概況

該礦地表位于工業(yè)廣場附近，地表常年無積水，地表有零星建筑，該煤層走向長800m，傾向長200m，面積160000m2，工作面標(biāo)高約為800m，煤層厚度為3m，采空區(qū)覆巖多為細(xì)砂巖和中細(xì)砂巖，強度較高，顆粒間呈剛性連接，且層理分布明顯。

2 相似材料模擬試驗

2.1 相似模型設(shè)計

圖1 試驗?zāi)Ｐ图皽y點布置

2.2 試驗過程描述

室內(nèi)相似材料試驗可以較好的再現(xiàn)實地勘探所不能反映的采空區(qū)覆巖沉降變形規(guī)律，采用安徽理工大學(xué)大型多功能平面模擬裝置，經(jīng)過相似材料配比、攪拌、支模板、裝填等多道試驗工序，完成實驗的前期準(zhǔn)備。

(1)測點布置

為更好的監(jiān)測采空區(qū)覆巖的破壞形態(tài)和下沉變形，在采空區(qū)上覆巖層以10cm為間距布置七排共計273個下沉測點，每一排自下而上分別命名為B-H，測點的分布如圖1所示。

(2)模擬開挖

在本次相似材料模擬試驗中，煤層的開挖方式為一次采全高分區(qū)段開挖，每個兩個小時開采一次，每次開采5cm，共計開采36次，累計開采180cm,即原型實際開采180m。

3 試驗結(jié)果分析

本次相似材料模擬試驗反映出許多采空區(qū)覆巖垮落及運移規(guī)律，下面從冒落帶和裂隙帶的破壞形態(tài)和采空區(qū)覆巖的下沉變形規(guī)律幾個方面來總結(jié)試驗結(jié)果。

3.1 冒落帶的破壞形態(tài)

由于煤層開采原因，煤層上下頂?shù)装逯g的原有應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，產(chǎn)生應(yīng)力重分布，在這個過程內(nèi)頂板發(fā)生垮落和下沉等多種移動方式，頂板跨落后，采空區(qū)覆巖發(fā)生明顯的分帶，自下而上分別為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。

頂板由于煤層被采出，自身受重力荷載，當(dāng)巖層的的重力荷載大于其自身的自承載能力時，巖層發(fā)生垮落，掉落在開采工作面，垮落巖塊或呈層狀結(jié)構(gòu)或無規(guī)則散落，冒落巖塊具有碎脹性，隨著上覆巖層垮落，冒落巖塊逐漸被壓密壓實，如圖2所示，最終穩(wěn)定在7cm，所以試驗?zāi)Ｐ痛_定的冒落帶高度為7cm(原型高度7m)。根據(jù)煤炭相關(guān)部門確定的冒落帶高度由公式(1)確定：

(1)

式中：m為煤層高度，3m;k為巖石的膨脹系數(shù)，通常取1.3；α為煤層傾角；將已知參數(shù)帶入公式(1) ,求得的理論冒落帶高度為10m。經(jīng)對比，試驗?zāi)Ｐ椭杏^測到的冒落帶高度與理論計算得到的冒落帶高度相近，前者略小于后者3m。

3.2 裂隙帶的破壞形態(tài)

冒落帶被上覆巖層逐漸壓密壓實，導(dǎo)致上覆巖層的垮落和下沉受限，破壞形態(tài)多表現(xiàn)為在巖層之間產(chǎn)生橫線裂縫，巖層下邊緣受拉而產(chǎn)生橫向微裂縫，最終巖層發(fā)生彎曲破壞，這種破壞形式逐漸被上覆巖層自重荷載壓密，最終穩(wěn)定高度為50cm(原型50m)，該區(qū)域被稱為裂隙帶，其分布區(qū)域如圖3所示。導(dǎo)水裂隙帶是由冒落帶和裂隙帶組成，試驗?zāi)Ｐ椭凶罱K的導(dǎo)水裂隙帶為57cm(原型57m)，根據(jù)煤炭相關(guān)部門確定的最大導(dǎo)水裂隙帶高度的計算公式，由公式(2)確定：

Hf=[100M/(2.4n+2.1)]+11.2

(2)

式中：M為煤層高度，3m；n為開采煤層的分層數(shù)，1；Hf為最大導(dǎo)水裂隙帶高度；將已知參數(shù)帶入公式(2)，得到最終的導(dǎo)水裂隙帶高度為78m。

圖2 冒落帶破壞形態(tài)

圖3 最大導(dǎo)水裂隙帶分布

3.3 試驗?zāi)Ｐ透矌r的沉降變形規(guī)律

在整個開采過程中，總計開采180cm，在采空區(qū)上覆巖層布置20個測點，1號測點位于開切眼右側(cè)10cm處，開采工作從右向左推進(jìn)，測點編號依次向左增加，直至開采結(jié)束，圖4是采空區(qū)上覆巖層的7排測點監(jiān)測的下沉曲線。

圖4 各排測點的下沉曲線

從圖4可以發(fā)現(xiàn)：各排測點的下沉曲線呈對稱的凹曲線，隨著巖層埋置深度的增加，各排測點的下沉量和下沉范圍逐步增大；接近開采工作面的B、C、D排測點下沉量最大，反映出開采工作面上覆基巖垮落劇烈，破壞程度深；而E、F、G、H排測點的下沉量相對較小，且他們的下沉曲線間距小，幾乎重疊，反映出采空區(qū)高位覆巖的沉降變形受到地位已垮落巖層的影響，即使在自身重力荷載和上覆巖層荷載下，也不會發(fā)生太大的沉降；最大下沉測點發(fā)生在B排的11號測點，該測點位于采空區(qū)正上方，下沉量最大，這與常規(guī)覆巖沉降規(guī)律相一致。

3.4 數(shù)值模型覆巖沉降變形規(guī)律

結(jié)合實際巖層的相關(guān)物理力學(xué)性質(zhì)，建立數(shù)值模型，與試驗?zāi)Ｐ拖鄬?yīng)，開采尺寸為(180m×3m×40m),分36次開采，每次開采5cm，共計開采180m，俺開采推進(jìn)度將整個開采工作分為前期、中期、后期三個階段，下面是開采推進(jìn)度分別為60m、120 m、180 m時采空區(qū)覆巖沉降變形云圖。

圖5 不同推進(jìn)度下覆巖沉降變形云圖

從圖5中不同推進(jìn)度下采空區(qū)覆巖的沉降云圖可以看出：隨著推進(jìn)度的增加，覆巖的沉降范圍逐步向上和沿著推進(jìn)方向發(fā)生移動，且越靠近采空區(qū)覆巖的下沉量越大，在同一埋置深度，越靠近采空區(qū)中央，其下沉量越大；采空區(qū)覆巖的下沉云圖呈近似對稱形態(tài)，這與試驗?zāi)Ｐ拖鲁燎€得出的規(guī)律相一致，普遍反映出采空區(qū)覆巖的下沉規(guī)律；隨著埋置深度減小，覆巖的下沉量也減小，但是下沉范圍增大；開采前期采空區(qū)覆巖發(fā)生較大的沉降，最大沉降為13cm，中期下沉量為17cm，后期下沉量為18.5cm,反映出開采前期覆巖的下沉速率最大，破壞最劇烈，因為在此階段發(fā)生了老頂初次來壓，頂板破裂等礦壓現(xiàn)象，中期和和后期下沉速率減小，因為前期破碎的巖塊充填整個采空區(qū)，持續(xù)被壓密壓實，后垮落的巖受到次限制，不能發(fā)生較大的沉降；試驗?zāi)Ｐ秃蛿?shù)值模型在反映采空區(qū)覆巖的沉降變形規(guī)律中具有高度一致性，反映出兩種研究手段的可行性。

4 結(jié) 語

(1)設(shè)計相似材料模擬試驗，實驗結(jié)果表明煤層被開采后，采空區(qū)覆巖出現(xiàn)較為明顯的分層結(jié)構(gòu)，自下而上分別為冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶，并計算了冒落帶和最大倒水裂隙帶的高度，推斷出該工作面易發(fā)生漏水事故。

(2)試驗?zāi)Ｐ椭懈髋诺狞c的下沉曲線反映出采空區(qū)覆巖的下沉規(guī)律，下沉曲線呈對稱形態(tài)，最大下沉量出現(xiàn)在采空區(qū)中央的B排11號測點，埋置深度越大，覆巖的下沉量越大。

(3)設(shè)計數(shù)值模擬，從數(shù)值模型的沉降云圖可以發(fā)現(xiàn)覆巖沉降范圍的移動規(guī)律，隨開采推進(jìn)，沉降范圍向上和向推進(jìn)方向發(fā)生移動，且反映出的下沉規(guī)律和試驗?zāi)Ｐ退w現(xiàn)的具有高度一致性。