峰叢地貌淺埋煤層重復(fù)開(kāi)采地表變形規(guī)律試驗(yàn)

馬振乾，張東岳，祖自銀，謝紅飛，丁萬(wàn)奇

（1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng)550025；2.貴州盤(pán)江煤電集團(tuán)技術(shù)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng)550081）

貴州省是南方煤炭資源最豐富的省份，地質(zhì)上屬揚(yáng)子地臺(tái)及其東南大陸邊緣，區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖廣布，喀斯特景觀普遍發(fā)育。其中，峰叢地貌是貴州省典型的巖溶地貌類(lèi)型。所謂峰叢，是指叢聚的峰林，其基部完全相連，頂部為圓錐狀或尖錐狀的山峰，峰與峰之間常形成U形的馬鞍山地貌。峰叢相對(duì)高度一般為200～300 m，在黔南惠水、羅甸以及黔西南的興義等地較為發(fā)育。峰叢地貌條件下淺埋近距離煤層群開(kāi)采會(huì)造成覆巖運(yùn)動(dòng)和地表下沉，規(guī)律出現(xiàn)顯著差異。因此，研究峰叢地貌下重復(fù)采動(dòng)對(duì)覆巖運(yùn)動(dòng)及地表變形的影響有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)采動(dòng)覆巖的變化規(guī)律開(kāi)展了大量的研究工作，主要采用數(shù)值模擬、理論分析、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和相似模擬等手段，取得了豐碩成果。如張軍[1]采用相似模擬試驗(yàn)對(duì)采動(dòng)覆巖“三帶”高度劃分和變化規(guī)律進(jìn)行相關(guān)研究。任艷芳[2]、胡青峰[3]采用相似模擬試驗(yàn)對(duì)覆巖和地表變形規(guī)律進(jìn)行了相關(guān)研究。王文學(xué)[4]采用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)對(duì)重復(fù)開(kāi)采覆巖破壞預(yù)測(cè)進(jìn)行了分析?？涤廊A[5]采用數(shù)值模擬對(duì)綜采重復(fù)開(kāi)采下的覆巖破壞規(guī)律進(jìn)行了深入研究。弓培林[6]、胡耀青[7]使用相似模擬試驗(yàn)研究了帶壓開(kāi)采下的底板三維變形破壞規(guī)律。姜耀東[8]、馮梅梅[9]采用相似模擬試驗(yàn)揭示了承壓水上開(kāi)采工作面的底板以及裂隙演化規(guī)律。付玉平[10]、楊治林[11]對(duì)淺埋厚層工作面頂板巖層斷裂演化規(guī)律進(jìn)行了大量研究。張彥賓[12]采用相似模擬，研究了條帶開(kāi)采下的煤層圍巖的采動(dòng)影響。姚邦華[13]、王悅漢[14]等研究了重復(fù)采動(dòng)下煤層上覆巖層的變形規(guī)律。徐剛[15]記錄了崔家溝煤礦2303綜放工作面數(shù)據(jù)，采用物理相似模擬和UDEC數(shù)值模擬試驗(yàn)研究了采空區(qū)覆巖“三帶”演化規(guī)律，建立了采動(dòng)裂隙橢拋帶數(shù)學(xué)模型。王憲勇[16]、陳卓立[17]、吳博文[18]、周清龍[19]、王創(chuàng)業(yè)[20]等采用相似模擬的方法對(duì)不同條件下的煤層覆巖變形規(guī)律，做出了相關(guān)研究。以上成果對(duì)于揭示重復(fù)采動(dòng)下覆巖運(yùn)動(dòng)與地表沉陷規(guī)律起到了重要的推動(dòng)作用，由于研究的側(cè)重點(diǎn)不同，對(duì)峰叢地貌條件下淺埋近距離煤層群開(kāi)采覆巖運(yùn)動(dòng)和地表下沉規(guī)律研究不足。因此，以貴州典型峰叢地貌為工程背景，采用相似材料模擬試驗(yàn)和UDEC數(shù)值模擬，研究峰叢地貌下近距離煤層群重復(fù)開(kāi)采工作面覆巖破斷運(yùn)移規(guī)律及峰叢峰體變形規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案

采用貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院大型二維相似模擬試驗(yàn)平臺(tái)，模型尺寸為3 m×0.3 m×1.5 m，幾何相似常數(shù)取100，密度相似常數(shù)取1.7。根據(jù)相似材料的性質(zhì)及模型的特點(diǎn)，本試驗(yàn)選取青石砂、石灰、石膏、云母粉作為相似材料，材料配比及用量見(jiàn)表1。為消除邊界效應(yīng)，模型兩邊各留設(shè)30 cm的煤柱，模型中煤層采高2.5 cm，每次開(kāi)挖10 cm，先開(kāi)挖完1#煤層再開(kāi)挖2#煤層，相似模擬模型高度為150 m，寬度為300 m，峰體高度為87 m。1#煤層埋深108 m，厚度為2.5 m，2#煤層埋深122 m，厚度為2.5 m，煤層傾角均為0°，兩煤層間間隔為13.7 m。模型開(kāi)采方式布置圖如圖1。試驗(yàn)現(xiàn)象以及覆巖變形規(guī)律采用拍照和鋼尺實(shí)測(cè)的手段。

表1 模型巖層物理力學(xué)參數(shù)及相似材料配比Table 1 Physical and mechanical parameters ofmodel rock stratum and proportion of sim ilar materials

圖1 模型開(kāi)采方式布置圖Fig.1 Layout of modelm ining mode

2 相似材料模擬結(jié)果

根據(jù)幾何相似比和時(shí)間相似常數(shù)，確定模型開(kāi)挖步距為10 cm，在試驗(yàn)中遇到上覆巖層有任何大范圍的移動(dòng)時(shí)，采用相機(jī)進(jìn)行實(shí)況記錄。1#煤層直接頂初次垮落和基本頂初次來(lái)壓如圖2。1#煤層開(kāi)采頂板變形情況如圖3，2#煤層開(kāi)采頂板變形情況如圖4。

圖2 1#煤層直接頂初次垮落和基本頂初次來(lái)壓Fig.2 The first collapse of the working face directly and the initial pressure of the basic roof

1）當(dāng)工作面推進(jìn)到30m時(shí)，1#煤層直接頂初次來(lái)壓，直接頂出現(xiàn)下沉，如圖2（a）。隨著工作面進(jìn)一步推進(jìn)到60～75 m時(shí)，直接頂隨著開(kāi)采而下沉，同時(shí)出現(xiàn)了斷裂的傾向，基本頂初次來(lái)壓，出現(xiàn)下沉，如圖2（b）。

2）當(dāng)工作面推進(jìn)到90 m時(shí)，1#煤層直接頂開(kāi)始斷裂，并在山峰左側(cè)坡體出現(xiàn)大裂縫，最大裂縫寬度為14 mm，如圖3（a）。當(dāng)工作面進(jìn)一步推進(jìn)到93 m時(shí)，頂板出現(xiàn)大范圍斷裂，如圖3（b）。推進(jìn)到135 m時(shí)，在山峰右側(cè)坡體也開(kāi)始出現(xiàn)裂縫，最大裂縫出現(xiàn)9 mm，這時(shí)的左側(cè)坡體裂縫開(kāi)始變小，最大裂縫寬度由14 mm縮小至為8 mm。推進(jìn)到215 m時(shí)，山峰坡體左右側(cè)的裂縫都有明顯的縮小，其基本頂出現(xiàn)大面積垮落，基本頂與上覆巖層之間出現(xiàn)較大裂縫，實(shí)測(cè)為8 mm，如圖3（c）。當(dāng)工作面推進(jìn)到275 m時(shí)，采空區(qū)已被垮落巖層覆蓋，山峰峰體出現(xiàn)大量裂紋，山峰左右兩側(cè)和中部曾出現(xiàn)的較大裂縫已被壓縮至不可測(cè)的裂紋。將1#煤層全部開(kāi)采完畢后，頂板出現(xiàn)大范圍坍塌，采空區(qū)被垮落巖層覆蓋，山峰峰體出現(xiàn)很多細(xì)小裂紋，如圖3（d）。

圖3 1#煤層開(kāi)采頂板變形情況Fig.3 Roof deformation of 1#coal seam m ining

3）1#煤層已經(jīng)全部采完，開(kāi)始開(kāi)采2#煤層，此時(shí)1#煤層的底板變成2#煤層的頂板。當(dāng)工作面推進(jìn)到55 m時(shí)，頂板初次來(lái)壓，出現(xiàn)下沉，如圖4（a）。當(dāng)工作面推進(jìn)到135 m時(shí)，1#煤層上覆巖層出現(xiàn)巨大裂縫，開(kāi)始坍塌，坡體兩側(cè)沒(méi)有出現(xiàn)明顯裂縫，如圖4（b）。當(dāng)工作面推進(jìn)到185 m時(shí)，上覆巖層出現(xiàn)大范圍坍塌，坡體兩側(cè)沒(méi)有出現(xiàn)明顯裂縫，山峰中部出現(xiàn)大量細(xì)小裂縫，如圖4（c）。

圖4 2#煤層開(kāi)采頂板變形情況Fig.4 Roof deformation of 2#coal seam m ining

4）在2#煤層全部采完之后，可以看到，2#煤層的上覆巖層都出現(xiàn)了大量的坍塌，如圖4（d）。1#煤層的底板變成了2#煤層的頂板，使得2#煤層的頂板垮塌提前。但不同于1#煤層開(kāi)采，在2#煤層開(kāi)采過(guò)程中山峰兩側(cè)坡體沒(méi)有出現(xiàn)巨大裂縫，但山峰中部出現(xiàn)了大量的細(xì)小裂紋。

3 數(shù)值模擬試驗(yàn)

3.1 數(shù)值計(jì)算模型

采用UDEC4.0建立數(shù)值計(jì)算模型，模型長(zhǎng)300 m，高150 m。1#煤層埋深87 m，2#煤層埋深122 m。模型底部為全約束邊界，采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。煤巖層及其節(jié)理面力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2和表3。

表2 模擬的煤巖層力學(xué)參數(shù)Table 2 M echanical parameters of simulated coal strata

表3 模擬的煤巖層節(jié)理面力學(xué)參數(shù)Table 3 M echanical parameters of simulated coal seam joint surface

3.2 模擬結(jié)果

1）1#煤層開(kāi)挖過(guò)程中覆巖裂隙發(fā)育特征如圖5，UDEC模擬開(kāi)挖1#工作面推進(jìn)至60 m時(shí)，1#煤層頂板及上覆巖層開(kāi)始出現(xiàn)裂隙，如圖5（a）。推進(jìn)至90 m時(shí)上覆巖層裂隙進(jìn)一步發(fā)育，同時(shí)左側(cè)峰體裂隙開(kāi)始發(fā)育如圖5（b）。推進(jìn)至135 m時(shí)峰體左側(cè)出現(xiàn)裂縫，頂板出現(xiàn)斷裂。如圖5（c）。1#工作面推進(jìn)至215 m時(shí)，峰體右側(cè)出現(xiàn)大量裂隙，峰體左側(cè)裂隙近一步發(fā)育，如圖5（d）。推進(jìn)至275 m時(shí)，1#煤層上覆巖層大量斷裂，采空區(qū)被垮落巖層覆蓋。

圖5 1#煤層開(kāi)挖過(guò)程中覆巖裂隙發(fā)育特征Fig.5 Fracture development characteristics of overburden rock during excavation of 1#coal seam

2）1#煤層完全開(kāi)挖后垂直應(yīng)力及位移場(chǎng)如圖6，UDEC模擬開(kāi)挖1#煤層完畢后，在垂直應(yīng)力分布圖中，可以看到垂直應(yīng)力集中區(qū)主要分布在峰叢的中部位置。由豎直位移分布圖可以看出，峰體內(nèi)部以及1#煤層上覆巖層的變形量較大，模型中央部分最大。

圖6 1#煤層完全開(kāi)挖后垂直應(yīng)力及位移場(chǎng)Fig.6 Vertical stress and displacement field of 1#coal seam after full excavation

3）2#煤層開(kāi)挖覆巖裂隙發(fā)育特征如圖7，UDEC模擬開(kāi)挖2#煤層，當(dāng)工作面推進(jìn)至55 m時(shí)，頂板出現(xiàn)裂隙，如圖7（a）。推進(jìn)至135 m時(shí)2#煤層上覆巖層大量斷裂，采空區(qū)被垮落巖層覆蓋，如圖7（b）。當(dāng)工作面推進(jìn)至195 m時(shí)，峰體左右兩側(cè)裂隙近一步發(fā)展，如圖7（c）。當(dāng)工作面推進(jìn)至255 m時(shí)，2#煤層上覆巖層進(jìn)一步坍塌，如圖7（d）。

圖7 2#煤層開(kāi)挖覆巖裂隙發(fā)育特征Fig.7 2#fracture development characteristics of overburden rock during excavation of coal seam

4）2#煤層完全開(kāi)挖后垂直應(yīng)力及位移場(chǎng)如圖8，UDEC模擬開(kāi)挖1#、2#煤層完畢后，在垂直應(yīng)力分布圖中可以看到垂直應(yīng)力集中區(qū)與1#煤層開(kāi)采完畢時(shí)類(lèi)似，主要分布在峰叢的中部位置。由豎直位移分布圖可以看出，相比于1#煤層開(kāi)采，2#開(kāi)采完畢后峰叢的變形量更大，變形突出部分同樣出現(xiàn)峰體內(nèi)部，由外向內(nèi)變形量遞增。

圖8 2#煤層完全開(kāi)挖后垂直應(yīng)力及位移場(chǎng)Fig.8 Vertical stress and displacement field of 2#coal seam after full excavation

5）通過(guò)將UDEC模型模擬開(kāi)挖1#，2#煤層與原模型比較后發(fā)現(xiàn)，峰體內(nèi)部出現(xiàn)大量的裂隙，模型單元變紅代表裂隙發(fā)育情況。尤其以峰體左右兩端更嚴(yán)重。1#、2#煤層頂板隨著工作面的向前推進(jìn)，在重力作用下出現(xiàn)彎曲下沉，且同樣出現(xiàn)大量的裂隙無(wú)論是1#煤層的開(kāi)采還是2#煤層的重復(fù)采動(dòng)，變形量較大的部分均出現(xiàn)在峰體內(nèi)部的中央位置。

3.3 地表變形規(guī)律

峰叢模型地表變形情況如圖9。如圖9（a），從1#煤層、2#煤層開(kāi)挖后相似模擬模型的地表輪廓線可以看出，1#、2#煤層開(kāi)挖后，整個(gè)峰叢模型均出現(xiàn)了一定程度的下沉情況，尤以峰叢峰頂部位為最。UDEC峰從模型也反映出這一點(diǎn)，圖9（b）上部綠色虛點(diǎn)代表UDEC峰從模型煤層未開(kāi)挖時(shí)的模型邊界，1#煤層、2#煤層開(kāi)挖后，峰從模型也出現(xiàn)下沉，可以從模型中看到，下沉量集中在峰叢頂部。這也與符合2#煤層完全開(kāi)挖后垂直位移云圖中的表現(xiàn)。

圖9 峰叢模型地表變形情況Fig.9 Surface deformation of the peak cluster model

4結(jié)論

1）峰叢地貌下工作面隨著開(kāi)采距離的增加，先后經(jīng)歷直接頂和基本頂巖層的離層、斷裂、跨落過(guò)程；頂板出現(xiàn)裂隙、閉合的情況重復(fù)發(fā)生。

2）當(dāng)工作面推進(jìn)90 m時(shí)，山峰左側(cè)坡體出現(xiàn)大裂縫，隨工作面的推進(jìn)裂縫逐漸縮小。推進(jìn)到130 m時(shí)，右側(cè)也開(kāi)始出現(xiàn)裂縫，后隨工作面繼續(xù)推進(jìn)逐漸縮小，同時(shí)山峰中部山體開(kāi)始出現(xiàn)裂縫。在1#煤層開(kāi)采完畢之后，山峰峰體左右側(cè)的裂縫已經(jīng)縮小到不可測(cè)的大小。

3）1#煤層開(kāi)采，直接頂初次來(lái)壓為30 m，基本的來(lái)壓步距是60 m；重復(fù)采動(dòng)2#煤層后，其直接頂?shù)某醮蝸?lái)壓為55 m，來(lái)壓步距較1#煤層初次來(lái)壓步距提前5 m。隨著開(kāi)采推進(jìn)至135 m，2#煤層上覆巖層開(kāi)始坍塌，但山峰坡體左右兩側(cè)并未出現(xiàn)大裂縫，山峰中部出現(xiàn)大量細(xì)小裂縫。由此可以得出，較1#煤層的開(kāi)采相比，2#煤層重復(fù)采動(dòng)時(shí)對(duì)峰體左右兩側(cè)巖體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較小，對(duì)峰體內(nèi)部的巖體結(jié)構(gòu)的破壞更大。

4）當(dāng)1#煤層開(kāi)采完畢后，在峰體中央部分出現(xiàn)豎直應(yīng)力集中區(qū)及較大位移變形區(qū)域；2#煤層開(kāi)采完畢后，峰體中部同樣出現(xiàn)豎直應(yīng)力集中區(qū)，變形量更大，且由外向內(nèi)變形量遞增。

5）將相似模擬試驗(yàn)和UDEC數(shù)值模擬結(jié)果比較得出，煤層重復(fù)采動(dòng)對(duì)峰體內(nèi)部以及煤層頂板巖體結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，無(wú)論是1#煤層的開(kāi)采還是2#煤層的重復(fù)采動(dòng)，峰體內(nèi)部變形區(qū)域主要集中在峰從的中央部分，同時(shí)整個(gè)峰叢模型均出現(xiàn)了一定程度的下沉情況，尤以峰叢頂部為最。