軟巖近距離煤層采動(dòng)覆巖破壞特征模擬研究*

賈林剛

(1.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100013；2.中煤科工集團(tuán)北京土地整治與生態(tài)修復(fù)科技研究院有限公司，北京 100013)

煤礦開采過程中造成原巖破壞，引起應(yīng)力重新分布，采動(dòng)覆巖破壞發(fā)育特征與煤礦安全生產(chǎn)關(guān)系密切，從礦山壓力角度分析，采動(dòng)過程是圍巖應(yīng)力場重新分布的一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，在這過程中，覆巖從彈性變形過渡到塑性變形、再到出現(xiàn)裂隙，位移不斷增大直至破壞垮落。隨著采礦技術(shù)的進(jìn)步，我國煤炭開采逐漸向深部延伸發(fā)展，深部開采地質(zhì)條件復(fù)雜，煤巖力學(xué)特性在高溫、高地應(yīng)力等特定環(huán)境下發(fā)生變化[1-2]，在深部的軟頂、軟煤和軟底的“三軟”煤巖層地質(zhì)條件下的煤層群組開采，不同于一般巖層的單一煤層開采，煤巖的力學(xué)性質(zhì)在采動(dòng)過程中因多因素耦合作用具有復(fù)雜多變性，其覆巖破壞結(jié)構(gòu)、基本力學(xué)行為特征、工程響應(yīng)及地表移動(dòng)規(guī)律具有明顯不同特性[3-6]。由于采動(dòng)圍巖變形破壞特征與礦井原巖應(yīng)力場、煤巖體力學(xué)性質(zhì)、頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)、巖層傾角等多種因素相關(guān)，因此，借助相似模擬實(shí)驗(yàn)的模擬分析方法，可再現(xiàn)開采情景，直觀清晰的研究煤層組開采過程中，覆巖的力學(xué)演化特性、頂板裂隙破斷發(fā)生及發(fā)展軌跡、塑性區(qū)發(fā)展形態(tài)和地表移動(dòng)變形規(guī)律，從而指導(dǎo)礦井正常生產(chǎn)和保護(hù)地面建筑物的安全使用[7-11]。

1 實(shí)例工程地質(zhì)條件

黑龍江依蘭煤礦賦存煤層為第三系的上煤、中煤和下煤，下煤由于煤層薄且賦存不均勻連續(xù)，屬于不可采煤層，主要可采的上煤、中煤煤層平均厚度分別為3.4 m和7.4 m，煤層傾角平均約17°，煤層間距為12.44 m，屬近距離多煤層開采，礦區(qū)范圍內(nèi)煤層埋藏深度在400～960 m之間，礦井采用下行分階段開采。煤體節(jié)理發(fā)育，抗壓強(qiáng)度平均為4.15 MPa。煤層直接頂以粉砂巖、泥巖為主，基本頂為各類砂巖，底板為泥巖、油頁巖、砂巖等。油頁巖層理發(fā)育，抗壓強(qiáng)度一般為0.62～20.50 MPa，平均10.56 MPa，砂質(zhì)泥巖及粉砂巖等上覆巖層遇水易軟化、泥化、碎裂崩解，且極易風(fēng)化為碎塊及砂土狀，煤體和頂?shù)装甯矌r屬典型的“三軟”煤巖體條件，第四系松散層平均厚度約為55.80 m。

2 相似模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?/h2>

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

表1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团浔扔?jì)算表

圖1 相似實(shí)驗(yàn)?zāi)M模型

2.2 模型測(cè)點(diǎn)布置

為了掌握煤層采出后的巖層及地表的移動(dòng)與變形情況，在模型巖層表面布設(shè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并應(yīng)用近景攝影測(cè)量實(shí)時(shí)記錄測(cè)點(diǎn)的移動(dòng)，同時(shí)布設(shè)了18個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，分布在上煤頂板和兩個(gè)煤層中間的巖層中，模型測(cè)點(diǎn)間距分別為10 cm、20 cm和25 cm，壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)具體布設(shè)如圖2所示。

圖2 相似模擬應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2.3 實(shí)驗(yàn)過程

由于模型巖性材料較軟，采用下山開采時(shí)模型容易垮落，因此模擬時(shí)工作面推進(jìn)采用上山開采方式，先從模型深部向上山方向開采上煤層，然后按照上煤層開采推進(jìn)方式下行開采中煤層工作面。模型每次開挖距離為5 cm,采用近景攝影測(cè)量儀進(jìn)行測(cè)點(diǎn)位移拍攝記錄，通過不同推進(jìn)位移位置的照片解算出目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)后，需要將不同觀測(cè)時(shí)刻的坐標(biāo)進(jìn)行比較，求出開采引起的模型變形值?？紤]邊界的影響，在下山方向距左側(cè)邊界733 mm處開挖切眼，推進(jìn)至距模型右側(cè)邊界667 mm處停止開挖，上層煤開采后，進(jìn)行中煤層開采。每開挖一步后，記錄各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值、覆巖的裂縫位置、破斷高度、垮落巖層破斷角度分布情況，以及頂板垮落高度、位移測(cè)點(diǎn)的下沉位移和水平位移。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 覆巖破壞分析

覆巖在煤層開采過程中遭到破壞，頂板巖層出現(xiàn)橫向和縱向裂隙，縱向裂隙位于采空區(qū)兩端和切眼上方，呈梯形分布，橫向裂隙主要出現(xiàn)在應(yīng)力卸壓區(qū)，裂隙起動(dòng)點(diǎn)出現(xiàn)于工作面上方各層位垂直應(yīng)力集中區(qū)和卸壓區(qū)的分界點(diǎn)。橫向裂隙和縱向裂隙自下而上逐漸向上發(fā)展。隨著煤層開采的推進(jìn)，橫向裂隙加長，形成水平離層裂隙，縱向裂隙形成斷裂裂隙，隨著裂隙發(fā)育高度增加，頂板垮落。在工作面推進(jìn)過程中，頂板垮落范圍逐漸加大，采空區(qū)后方的部分離層裂隙在向前發(fā)展的過程中，隨著頂板垮落壓實(shí)及上覆巖層的移動(dòng)，出現(xiàn)閉合。上煤層開采結(jié)束后，上山方向最大垮落高度為14.6 m，下山方向最大垮落高度為15.2 m，采動(dòng)裂隙最大發(fā)育高度為25.6 m，裂采比為7.5，上山巖層冒落角50°，下山方向冒落角52°，如圖3所示。覆巖巖性是影響采動(dòng)裂隙帶發(fā)育演化結(jié)構(gòu)的主要因素，軟煤巖層的上煤層開采后，巖層的原始狀態(tài)遭到破壞，巖層強(qiáng)度進(jìn)一步減弱。中煤層位于上煤層的下部，距離上煤層底板為12.44 m，中煤層開采過程中，由于采高較大，采空區(qū)空間增大，中煤層頂板垮落覆巖與上方采空區(qū)溝通，上煤層的老頂離層裂隙帶垮落，轉(zhuǎn)化為垮落帶，促使老頂巖梁結(jié)構(gòu)向上發(fā)展。中煤層開采后，上山方向垮落高度46.7 m，下山方向最大垮落高度為50.2 m，最大裂隙高度為76 m，上山巖層冒落角55°，下山方向冒落角60°，如圖4所示，中煤層冒落角大于上煤層冒落角。由于中層煤垮落帶與上煤層采空區(qū)相互溝通重疊，上、中層煤的綜合開采厚度作為采厚進(jìn)行計(jì)算[15]，綜合采厚計(jì)算公式如下：

圖3 上煤層采后覆巖移動(dòng)變形圖

圖4 煤層組采后覆巖移動(dòng)破壞圖

(1)

式中，M1為上層煤開采厚度；M2為中層煤開采厚度；h1-2為上、中層煤之間的法線距離；y2為中層煤的垮采比。M1=3.4 m，M2=7.4 m，煤層間距h1-2=12.44 m，計(jì)算垮采比y2=2.6,則計(jì)算可得綜合采煤厚度MZ1-2=8.4 m。上煤、中煤綜合采厚覆巖裂采比為9.3。

3.2 圍巖應(yīng)力特征分析

隨著煤層組工作面順次向前開采推進(jìn)，原巖應(yīng)力平衡被破壞，煤層頂?shù)装鍛?yīng)力釋放，圍巖及工作面煤壁前后端應(yīng)力重新分布，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力的變化值反映了圍巖在采動(dòng)過程中應(yīng)力的變化規(guī)律。分別取位于上煤頂板切眼后方煤柱43#應(yīng)力測(cè)點(diǎn)、停采線前方33#測(cè)點(diǎn)、中部區(qū)域36#測(cè)點(diǎn)以及兩煤層間中煤層頂板下山煤柱的30#應(yīng)力測(cè)點(diǎn)和上山煤柱25#應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值進(jìn)行分析，得到模型在開采過程中的應(yīng)力演化特征：

(1)應(yīng)力變化如圖5所示，在上煤層工作面開采過程中，深部煤柱應(yīng)力持續(xù)增加，因煤層傾角影響，在距切眼較近位置，應(yīng)力增加較快，后期至停采線應(yīng)力變化較平緩，煤層底板的30#測(cè)點(diǎn)應(yīng)力增幅略小于上煤頂板應(yīng)力增幅；在工作面推進(jìn)至距中部頂板測(cè)點(diǎn)約45 m的位置，頂板中部36#測(cè)點(diǎn)應(yīng)力達(dá)到最大值8.3 MPa，當(dāng)工作面經(jīng)過該測(cè)點(diǎn)下方時(shí)，應(yīng)力釋放，減小到最小值2.2 MPa，隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，應(yīng)力逐步恢復(fù)并增大，傾斜煤層隨工作面推進(jìn)位置不同，應(yīng)力超前影響范圍不同，產(chǎn)生明顯應(yīng)力集中的最大距離大約為100～150 m。

圖5 上煤層工作面推進(jìn)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)變化曲線

(2)中煤層開采應(yīng)力變化曲線如圖6所示，由于上層煤開采時(shí)圍巖應(yīng)力重新分布，兩煤層間巖體受上層煤采動(dòng)時(shí)應(yīng)力集中的擾動(dòng)影響，中層煤的頂板覆巖產(chǎn)生一定的變形及破壞，中層煤開采時(shí)，底端切眼煤柱在初期開采時(shí)應(yīng)力略有增加，隨著工作面的推進(jìn)，煤柱各應(yīng)力測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化幅度較小，趨勢(shì)平緩，中部測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化趨勢(shì)與上煤層開采時(shí)變化相似，各應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的有效應(yīng)力略有降低。

圖6 中煤層工作面推進(jìn)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)變化曲線

(3)在工作面向上山方向開采過程中，頂板應(yīng)力釋放，采空區(qū)兩端出現(xiàn)應(yīng)力集中，進(jìn)而向底板轉(zhuǎn)移，底板垂直壓應(yīng)力釋放后，出現(xiàn)向上壓應(yīng)力，在實(shí)際開采過程中，由于底板較軟，易出現(xiàn)底鼓。在采空區(qū)周圍，按照圍巖應(yīng)力分布特征，可分為卸壓區(qū)、煤壁應(yīng)力集中區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，如圖7所示，其中卸壓區(qū)為采空區(qū)頂?shù)装甯矌r范圍，由于煤層傾角的存在，深部下山煤柱應(yīng)力高于上山采空區(qū)前方煤柱應(yīng)力，上煤層采完后，上山煤柱33#測(cè)點(diǎn)和下山煤柱43#測(cè)點(diǎn)的垂直應(yīng)力集中系數(shù)分別為1.6和2.08，中部36#測(cè)點(diǎn)的最大應(yīng)力集中系數(shù)為1.66。

圖7 圍巖應(yīng)力示意圖

3.3 地表移動(dòng)變形分析

上煤層開采后地面受采動(dòng)影響較平緩，因模型布置及開挖時(shí)已考慮傾角的影響，故下沉位移最大值基本位于模型中部位置，布置在模型地表測(cè)點(diǎn)的最大下沉值為2 133 mm，上煤開采厚度為3.4 m，計(jì)算得下沉系數(shù)為0.63，最大水平位移值為529 mm，通過下沉和水平位移值以及測(cè)點(diǎn)間距，可求得水平變形最大值為4.3 mm/m，傾斜變形最大值為8.9 mm/m；中煤層開采推進(jìn)過程中，頂板垮落聯(lián)通了上煤層采空區(qū)，頂板垮落裂隙高度較上煤層開采時(shí)有較大變化，模型中部區(qū)域下沉明顯，中煤層工作面推進(jìn)至420 m時(shí)，地表下沉幅度增加，模型地表形成明顯盆地，盆地邊緣處，模型地表變形劇烈，至中煤層開采結(jié)束，地表布置位移測(cè)點(diǎn)最大下沉值為8 258 mm，最大水平位移值為2 224 mm，從而根據(jù)測(cè)點(diǎn)間距和水平位移值、下沉位移值可求得傾斜變形最大值達(dá)到55.3 mm/m，水平變形值最大為28.4 mm/m，如圖8、圖9所示，達(dá)到Ⅳ級(jí)變形，模型在該條件下，煤層組綜合地表下沉系數(shù)為0.76，軟巖強(qiáng)度較小，容易發(fā)生壓縮變形，地下水對(duì)軟巖的浸泡，可以產(chǎn)生附加下沉[16]，使頂板覆巖不易形成有效關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)，隨著煤層的采出，頂板覆巖除直接頂垮落外，覆巖整體下沉，隨綜合采高增加，地面沉降變形量增大。相似模擬的覆巖應(yīng)力演化結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測(cè)的礦壓變化規(guī)律較吻合，同時(shí)模擬結(jié)果的地表移動(dòng)變形值又能預(yù)測(cè)實(shí)際工作面首采區(qū)的地表沉陷變形，對(duì)保護(hù)地面建筑設(shè)施可提前預(yù)警及做好預(yù)防措施，說明相似模擬實(shí)驗(yàn)可以較好反映覆巖在采動(dòng)過程的黑箱變化過程。

圖8 地表水平變形曲線

圖9 地表傾斜變形曲線

4 結(jié) 論

(1)以依蘭煤礦軟巖多煤層開采為背景，通過相似模擬實(shí)驗(yàn)的分析研究，合理反映了軟巖多煤層開采條件下采空區(qū)覆巖移動(dòng)破壞的過程及特征。由于煤層頂板巖性較軟，上煤層開采進(jìn)一步弱化了中煤層的覆巖頂板，減小了覆巖裂隙縱向發(fā)展的高度，致使高位巖層整體下沉移動(dòng)。同時(shí)中煤層開采破壞上、下煤層間的平衡結(jié)構(gòu)，中煤層垮落帶與上部采空區(qū)導(dǎo)通，形成煤層組整體垮落帶。

(2)覆巖在煤層開采過程中遭到破壞，縱向裂隙位于采空區(qū)兩端和切眼上方，呈梯形分布，橫向裂隙主要出現(xiàn)在應(yīng)力卸壓區(qū)，裂隙起動(dòng)點(diǎn)出現(xiàn)于工作面上方各層位垂直應(yīng)力集中區(qū)和卸壓區(qū)的分界點(diǎn)。依蘭煤礦首采區(qū)上煤層采后覆巖破壞最大裂采比為7.5，中煤采后垮落帶與上煤采空區(qū)溝通，上煤、中煤綜合采煤厚度MZ1-2=8.4 m，綜合裂采比為9.3。

(3)在工作面開采過程中，頂板應(yīng)力釋放，圍巖形成卸壓區(qū)、煤壁應(yīng)力集中區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，采空區(qū)圍巖應(yīng)力變化分布與空間位置有關(guān)，中部頂板應(yīng)力變化幅度大于兩端煤柱應(yīng)力變化，深部應(yīng)力集中系數(shù)大于淺部應(yīng)力集中系數(shù)；中層煤與上層煤采后相比，圍巖應(yīng)力變化形態(tài)相似，但趨勢(shì)較緩。

(4)依蘭礦采后覆巖上山巖層冒落角為55°，下山方向冒落角60°。上煤開采后下沉系數(shù)為0.63，煤層組綜合地表下沉系數(shù)為0.76，兩層煤采后的傾斜變形最大值達(dá)到55.3 mm/m，水平變形值最大為28.4 mm/m，達(dá)到Ⅳ級(jí)變形。