采空區(qū)覆巖破壞變形特征研究

陳旭江

(山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006)

隨著回采工作面的推進(jìn)，致使采空區(qū)上覆巖層、體失穩(wěn)、移動、變形和破壞，并發(fā)生有規(guī)律的錯斷、垮落、沉降，垂向上由下往上依次形成垮落帶(垮落帶)、裂隙帶(卸壓裂隙帶)及彎曲下沉帶三個特征明顯的區(qū)帶(簡稱“豎三帶”)[1-2]。煤巖裂隙是煤礦瓦斯運(yùn)移(解吸、擴(kuò)散)、滲透的主要通道[3]，準(zhǔn)確預(yù)測和劃分“豎三帶”，特別是跨落帶、裂隙帶范圍的確定，是井上下抽采鉆孔終孔層位優(yōu)選及布置、煤礦開采上限、采煤工藝、礦井水防治、采煤可行性研究和應(yīng)用、突出礦井解放層選擇開采設(shè)計(jì)、鄰近層瓦斯抽采研究的一項(xiàng)關(guān)鍵且基礎(chǔ)性工作[4-7]。

采礦活動是一個復(fù)雜物理、力學(xué)變化過程，“豎三帶”的發(fā)育特征受采高及開采強(qiáng)度、回采工作面幾何尺寸、覆巖性質(zhì)及力學(xué)特征、采煤工藝等多因素影響，導(dǎo)致不同采空區(qū)豎三帶發(fā)育特征具有顯著差異性[8-10]。在長期的采礦實(shí)踐中，學(xué)者們對采礦“豎三帶”進(jìn)行了大量研究，形成了經(jīng)驗(yàn)公式-理論分析[11]、數(shù)值仿真模擬[12]、相似模擬[13]及現(xiàn)場探測[14]等多種技術(shù)研究方法，為采空區(qū)覆巖“豎三帶”預(yù)測與劃分提供了理論和技術(shù)支撐。本文以晉城礦區(qū)成莊礦4322綜采工作面為工程背景，運(yùn)用真實(shí)破裂過程分析軟件RFPA2D對采空區(qū)上覆巖層的破壞變形過程進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬，掌握了采空區(qū)覆巖破壞動態(tài)變形規(guī)律，并對“豎三帶”發(fā)育范圍進(jìn)行了劃分，研究結(jié)果為瓦斯抽采鉆孔、井抽采層位優(yōu)選及布置、礦井水防治、礦井煤炭開采等提供理論和技術(shù)支撐。

1 研究工作面基本概況

成莊礦4322綜采工作面位于該礦中部四盤區(qū)，四鄰關(guān)系為東鄰4320綜采工作面，西為4308綜采工作面，南為4305、4306綜采工作面，北為2321、2322綜采工作面，四鄰工作面均已回采完畢。開采煤層為3號煤層，厚度5.43～7.68 m，平均6.41 m，采煤工藝為綜合機(jī)械化放頂煤，直接垮落法管理頂板。煤層底板標(biāo)高最低498 m，最高545 m，二者相差47 m。工作面走向長度為1 137.65 m，傾向長度為278.3 m，煤層傾角為1～5°，平均3°，為近水平煤層。3號煤層的偽頂為泥巖，直接頂為粉砂巖，老頂為細(xì)粒-中粒砂巖及砂質(zhì)泥巖，屬于硬質(zhì)巖石-軟質(zhì)巖石類型，頂板巖性及物理力學(xué)特性測試參數(shù)見表1所示。

表1 成莊礦3號煤層頂板巖性及物理力學(xué)特性參數(shù)

2 采空區(qū)覆巖破壞變形基礎(chǔ)理論

隨著工作面回采的持續(xù)進(jìn)行和不斷推進(jìn)，上覆巖層會隨著煤炭的不斷采出而發(fā)生失穩(wěn)，進(jìn)而發(fā)生頂板垮落、形成離層和裂隙、巖層破斷、巖體下沉彎曲等一系列復(fù)雜過程[15]。國內(nèi)外學(xué)者對采空區(qū)覆巖移動、破壞及變形規(guī)律進(jìn)行了大量研究，Palchik V[16]認(rèn)為工作面回采后覆巖存在三個特征不同移動帶；國內(nèi)學(xué)者劉天泉[17]、錢鳴高[18]、黃志安[19]等根據(jù)采空區(qū)覆巖在橫向、垂向的破壞變形特征和應(yīng)力場分布特點(diǎn)，提出了“橫三區(qū)”和“豎三帶”(圖1)；同時，還形成了巖層關(guān)鍵層控制理論[20-21]、巖板理論[22]、傳遞巖梁假說[23-24]、砌體梁理論[25-26]等諸多學(xué)術(shù)理論或假說。在上述理論研究基礎(chǔ)上，覆巖“豎三帶”理論在礦井瓦斯抽采和防治方面研究更為深入、應(yīng)用最為廣泛。采空區(qū)覆巖裂隙發(fā)育程度、類型及分布特征不同，造成采空區(qū)瓦斯在“豎三帶”中的運(yùn)移、聚集和賦存特征有所差異[27]?？迓鋷е胸Q向破斷裂隙極為發(fā)育，瓦斯主要來自鄰近煤巖層和本煤層，因垮落帶位于“豎三帶”最下部且與采空區(qū)直接“接觸”，采空區(qū)存在大量空氣造成該帶瓦斯?jié)舛容^低；裂隙帶內(nèi)不同層段裂隙發(fā)育程度及類型有所差異，其中，裂隙帶下部則以豎向破斷裂隙發(fā)育為主，上部主要發(fā)育離層裂隙，裂隙帶的中下部離層裂隙和豎向破斷裂隙相互溝通，為瓦斯的運(yùn)移和聚集提供了良好通道和儲集空間，該帶瓦斯易于聚集且濃度較高，是瓦斯抽采的目標(biāo)層位。裂隙帶上部因豎向裂隙不發(fā)育，只有少量高濃度瓦斯聚集在離層裂隙中。彎曲下沉帶僅發(fā)生巖層的彎曲沉降，帶內(nèi)裂隙不發(fā)育，僅有極少量鄰近層或圍巖解吸的高瓦斯運(yùn)移至該帶，但基本不會對礦井瓦斯抽采和防治造成影響。

A—煤壁支撐影響區(qū)(a-b)；B—離層區(qū)(b-c)；C—重新壓實(shí)區(qū)(c-d)；Ⅰ—垮落帶；Ⅱ—裂隙帶；Ⅲ —彎曲下沉帶；α—煤壁支撐影響角

3 采空區(qū)覆巖破壞變形特征研究

3.1 研究方法

采空區(qū)覆巖失穩(wěn)破斷及裂隙形成是一個非線性變形和動態(tài)演化過程，涉及復(fù)雜的物理力學(xué)問題[28-29]，目前尚缺乏對天然巖體的非均質(zhì)、非彈性、非連續(xù)性、各向異性及物理力學(xué)的非線性本質(zhì)認(rèn)識和解釋，導(dǎo)致一般試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方法不能夠?qū)Υ笮偷牟蓤鲞\(yùn)動規(guī)律進(jìn)行研究。真實(shí)破裂過程分析軟件RFPA2D具備有限差分法、有限單元法、邊界元法、半解析元法、離散元法等多種程序算法，并充分考慮了巖石破壞變形過程中的非均質(zhì)、非彈性、非連續(xù)性和各向異性，可有效解決采空區(qū)覆巖破壞變形復(fù)雜工程問題，因而在采動、采空區(qū)覆巖破壞變形研究方面應(yīng)用較多，有力指導(dǎo)了生產(chǎn)實(shí)踐[30-33]。為此，本文采用真實(shí)破裂過程分析軟件RFPA2D對成莊礦4322綜采工作面采空區(qū)覆巖破壞變形特征進(jìn)行數(shù)值仿真模擬研究。

3.2 數(shù)值仿真模型構(gòu)建及模擬

真實(shí)破裂過程分析軟件RFPA2D數(shù)值仿真模擬模型構(gòu)建程序工作流程為：首先要基于研究工作面實(shí)際尺寸、圍巖巖性及圍巖物理力學(xué)特性測定參數(shù)(表2)進(jìn)行實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分，而后輸入邊界條件和加載控制參數(shù)，并輸入基元性質(zhì)數(shù)據(jù)，形成剛度矩陣，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力、應(yīng)變分析。最后進(jìn)行相變分析，形成新的、用于迭代計(jì)算的整體介質(zhì)各基元的物理力學(xué)參數(shù)。

表2 成莊礦4322綜采工作面覆巖巖性及物理力學(xué)特性

按照RFPA2D數(shù)值仿真模擬模型構(gòu)建程序工作流程，構(gòu)建了成莊礦4322綜采工作面采空區(qū)覆巖破壞變形特征數(shù)值仿真模擬巖土本構(gòu)模型：為了節(jié)約數(shù)值仿真模擬試驗(yàn)時間且不影響試驗(yàn)結(jié)果精準(zhǔn)性，工作面尺寸設(shè)置為長300 m，高120 m，模型共劃分為36 000(300×120)個單元網(wǎng)格，構(gòu)建成垂向剖面模型圖(圖2)。

圖2 成莊礦4322綜采工作面采空區(qū)覆巖破壞變形特征數(shù)值仿真模擬模型

模型采用分步開挖的方式，每步8 m(即每開挖1步，工作面回采推進(jìn)8 m)，每開挖1步停留1 h，整個模擬過程共開挖35步工作面回采推進(jìn)280 m，回采推進(jìn)距離大于工作面切巷長度278.2 m，這樣避免了見方垮落現(xiàn)象。為了更加真實(shí)反映采礦應(yīng)力的分布及其演化特征，根據(jù)覆巖的厚度在構(gòu)建的模型頂部增加了一個等效重力塊。同時，邊界條件設(shè)定為兩端水平約束，垂直方向自重加載，底端固定。

3.3 數(shù)值仿真模擬結(jié)果分析

通過數(shù)值仿真模擬，得到了成莊礦4322綜采工作面回采后覆巖破壞變形特征(圖3(a)-(f))。從數(shù)值仿真模擬可知，工作面回采后，覆巖的原位狀態(tài)被打破，首先在偽頂、直接頂及其之上巖層間先后出現(xiàn)離層裂隙，同時，在靠近工作面和切眼的兩側(cè)受采動拉應(yīng)力作用影響，形成了與巖層面近似垂直、斜交的豎向破斷裂隙。隨著回采的持續(xù)進(jìn)行和推進(jìn)，豎向破斷裂隙越發(fā)發(fā)育，而后貫穿整個偽頂和直接頂，偽頂、直接頂先后形成分層斷裂后、失穩(wěn)，并發(fā)生不規(guī)則崩塌垮落，在開挖第35次，工作面回采推進(jìn)280 m時，采空區(qū)覆巖垮落基本穩(wěn)定，垮落帶發(fā)育高度在20 m左右，最高可達(dá)24 m(約3～4倍采高)。在垮落帶形成過程中，破斷離層裂隙和豎向裂隙在老頂中逐漸發(fā)育，裂隙帶最大發(fā)育高度可達(dá)56 m(約9倍采高)。在老頂?shù)目缇噙_(dá)到其極限跨距前，則以“假塑性梁”的形式承載著上部載荷，同時，在老頂?shù)纳喜寇泿r層協(xié)同下發(fā)生彎曲下沉，導(dǎo)致大量的離層裂隙形成，最終形成彎曲下沉帶。

圖3 成莊礦4322綜采工作面采空區(qū)覆巖破壞變形特征

4 結(jié) 語

1) 采空區(qū)覆巖破壞變形是一個動態(tài)演化過程，且貫穿于整個采礦活動中。待采空區(qū)穩(wěn)定形成后，覆巖“三帶”發(fā)育基本穩(wěn)定，成莊礦4322綜采工作面采空區(qū)覆巖垮落帶最大發(fā)育高度24 m(約3～4倍采高)，裂隙帶最大高度可達(dá)56 m(約9倍采高)。

2) 采空區(qū)覆巖裂隙帶是流體(諸如瓦斯、地下水等)的運(yùn)移、滲流通道，研究礦井在編制瓦斯抽采和礦井水防治方案時，應(yīng)根據(jù)采空區(qū)覆巖裂隙帶發(fā)育高度研究預(yù)測結(jié)果開展，進(jìn)而提高礦井瓦斯、礦井水防治的有效性和針對性。