黃土溝壑地貌下綜放開采覆巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究

秦喜文，楊秀宇，巨文濤

（1.中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西西安 710054；2.中煤華晉集團(tuán)有限責(zé)任公司王家?guī)X煤礦，山西運(yùn)城 043000）

黃土高原地區(qū)賦存大量煤層，是我國主要的產(chǎn)煤區(qū)[1-2]。由于雨水沖刷、風(fēng)化等因素導(dǎo)致黃土高原存在大量溝壑，且溝底與溝頂間存在極大的高差，導(dǎo)致黃土溝壑地貌下的巖層承受了不均勻的上覆巖層自重荷載，進(jìn)而引起了巖層間原巖應(yīng)力的重新分布，出現(xiàn)了同一埋深巖層內(nèi)分布不同原巖應(yīng)力的現(xiàn)象[3]。在這種黃土溝壑地貌影響下的巖層中進(jìn)行采礦作業(yè)時(shí)，極有可能引起回采工作面的地壓顯現(xiàn)[4-6]。相關(guān)學(xué)者針對上述問題開展了大量研究工作[7-12]。楊秀宇等[13]采用數(shù)值模擬技術(shù)研究了黃土溝壑地貌下原巖應(yīng)力場的分布特征，發(fā)現(xiàn)黃土溝壑地貌對原巖應(yīng)力具有顯著影響，且這種影響隨著巖層埋深的增加而逐漸減弱；李建偉等[14]的研究表明淺埋煤層工作面過溝谷區(qū)域開采可分為上坡開采階段、坡頂開采階段和下坡開采階段，而過溝谷區(qū)域上坡開采階段其工作面易發(fā)生動載礦壓事故；徐家林等[15]采用力學(xué)分析和物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M等手段研究了淺谷坡角對淺埋煤層工作面礦壓的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)回采工作面推進(jìn)到溝谷地形時(shí)，坡角越大，工作面關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)承受的荷載越大；邱帥等[16]發(fā)現(xiàn)當(dāng)回采工作面處于山丘地形下時(shí)，承載層壓力明顯增大，且當(dāng)坡度大于30°時(shí)，出現(xiàn)了礦壓顯現(xiàn)特征。上述學(xué)者的研究表明在溝壑地形下開采時(shí)極易引起礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，對安全回采極為不利。為研究黃土溝壑地貌對覆巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，以王家?guī)X煤礦12309 工作面為研究對象，采用Get Data、Surfer 軟件構(gòu)建溝壑地貌三維模型，利用FLAC3D等軟件開展數(shù)值模擬，研究溝壑地形對覆巖結(jié)構(gòu)原巖應(yīng)力場的影響，提出黃土溝壑地貌覆巖應(yīng)力影響系數(shù)，分析黃土溝壑地貌下綜放開采覆巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

1 工程背景

王家?guī)X煤礦主要開采2#以及10#煤層，主要研究的12309 工作面位于2#煤層，該煤層平均厚度6.2 m，煤層傾角極小，為近水平煤層；12309 工作面位于123 盤區(qū)，盤區(qū)標(biāo)高+527～+564 m。工作面設(shè)計(jì)推進(jìn)長度1.32 km，寬度0.26 km；12309 工作面地表為黃土溝壑地貌，主要分為黃土臺和黃土溝，黃土臺最大標(biāo)高975 m，黃土溝底最低標(biāo)高810 m，形成了最大165 m 的高差，12309 工作面上覆巖體等高線如圖1。

圖1 12309 工作面上覆巖體等高線Fig.1 Contour of overlying rock mass at 12309 working face

鑒于12309 工作面地表黃土溝壑高差極大，為避免對該工作面的安全回采帶來影響，因此擬開展黃土溝壑地貌下綜放開采覆巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究。

2 黃土溝壑地貌下原巖應(yīng)力場分布特征

王家?guī)X煤礦地表為黃土溝壑地貌，為研究黃土溝壑地貌對回采煤層覆巖應(yīng)力的影響，利用Get Data 軟件提取了12309 工作面回采范圍內(nèi)的高程數(shù)據(jù)，得到了黃土溝壑地形的三維坐標(biāo)，采用Surfer 軟件對三維坐標(biāo)進(jìn)行處理，構(gòu)建的工作面地表黃土溝壑的三維地貌如圖2。

圖2 黃土溝壑三維地貌Fig.2 Three dimensional geomorphology of loess gully

2.1 黃土溝壑地貌下原巖應(yīng)力場數(shù)值模擬

1）數(shù)值模型與初始應(yīng)力場。使用FLAC3D軟件[17-18]進(jìn)行黃土溝壑地貌下的原巖應(yīng)力場數(shù)值模擬，數(shù)值模型如圖3。該模型尺寸與現(xiàn)場尺寸一致，模型長1.45 km，寬0.32 km，高0.28～0.43 km，共劃分1 416 357 個(gè)單元格，966 355 個(gè)節(jié)點(diǎn)；模型四周邊界施加水平位移約束，底邊邊界施加垂直位移約束，模型上邊界施加自由約束，所受應(yīng)力為巖體自重應(yīng)力；經(jīng)過初始應(yīng)力平衡計(jì)算，得出垂向初始應(yīng)力場。

圖3 數(shù)值模型與初始應(yīng)力場Fig.3 Numerical model and initial stress field

2）黃土溝壑地貌下原巖應(yīng)力場分布特征。為研究黃土溝壑地貌對原巖應(yīng)力場的影響，通過數(shù)值模擬對不同埋深下的覆巖原巖應(yīng)力與自重應(yīng)力進(jìn)行比較，原巖應(yīng)力與自重應(yīng)力比較結(jié)果如圖4～圖6。在一定深度范圍內(nèi)，黃土溝壑地貌對原巖應(yīng)力場的變化具有明顯的影響，且覆巖原巖應(yīng)力與自重應(yīng)力的變化規(guī)律并不一致；原巖應(yīng)力在溝壑底部出現(xiàn)較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中程度隨巖層埋深的增加而減弱，表明淺部原巖應(yīng)力主要受到黃土溝壑地貌的影響，而深部原巖應(yīng)力主要與巖層埋深有關(guān)。

圖4 埋深50 m 時(shí)原巖應(yīng)力與自重應(yīng)力對比Fig.4 Comparison of in-situ stress and gravity stress at buried depth of 50 m

圖5 埋深110 m 時(shí)原巖應(yīng)力與自重應(yīng)力對比Fig.5 Comparison of in-situ stress and gravity stress at buried depth of 110 m

圖6 埋深260 m 時(shí)原巖應(yīng)力與自重應(yīng)力對比Fig.6 Comparison of in-situ stress and gravity stress at buried depth of 260 m

2.2 黃土溝壑地貌覆巖應(yīng)力影響系數(shù)

在礦業(yè)相關(guān)研究中，常常認(rèn)為采區(qū)覆巖應(yīng)力為覆巖自重應(yīng)力，前述分析表明，地表黃土溝谷對煤巖層原巖應(yīng)力場產(chǎn)生了較大影響，主要表現(xiàn)在溝谷坡腳對應(yīng)位置原巖垂直應(yīng)力的增大（即覆巖應(yīng)力大于原巖自重應(yīng)力），因此提出溝壑地貌覆巖應(yīng)力影響系數(shù)μ，則不同深度巖層上μ 值可以表征黃土溝谷地形對煤巖層原巖應(yīng)力場的影響程度，由式（1）表示：

式中：σg為自重應(yīng)力，σg=ρgh；ρ 為上覆巖層平均密度；h 為埋深；σ0為原巖應(yīng)力。

以12309 工作面上方黃土溝底以下190 m 埋深為研究范圍，提取研究范圍內(nèi)不同深度的原巖應(yīng)力，并計(jì)算相應(yīng)自重應(yīng)力，原巖應(yīng)力與埋深的關(guān)系如圖7。

由圖7 可以看出，隨著巖層到黃土溝底的距離不斷增大，原巖應(yīng)力逐漸增大，覆巖自重應(yīng)力增長系數(shù)逐漸減小，表明黃土溝壑地貌對覆巖自重應(yīng)力的影響程度隨著巖層埋深的增加而逐漸降低；采用origin 軟件對應(yīng)力增長系數(shù)進(jìn)行擬合，得到應(yīng)力增長系數(shù)與埋深的關(guān)系見式（2）：

圖7 原巖應(yīng)力與埋深的關(guān)系Fig.7 Relationship between original rock stress and buried depth

由該式可知，當(dāng)?shù)V巖層埋深距溝底超過700 m時(shí)，黃土溝壑地貌不再對覆巖自重應(yīng)力產(chǎn)生影響；王家?guī)X煤礦12309 工作面煤層距溝底距離小于300 m，因此黃土溝壑地貌會對其覆巖自重應(yīng)力產(chǎn)生較大影響，所以在該工作面的開采中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注黃土溝壑地貌對采區(qū)穩(wěn)定性造成的影響。

將式（2）代入式（1）得到黃土溝壑地貌影響下覆巖原巖應(yīng)力的表達(dá)式：

3 黃土溝壑地貌對綜放開采覆巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

3.1 黃土溝壑地貌下綜放開采對導(dǎo)水裂隙帶的影響

1）構(gòu)建模型。根據(jù)對王家?guī)X煤礦鉆孔巖心的分析測試，得出相應(yīng)的巖石物理力學(xué)參數(shù)。根據(jù)鉆孔資料，使用ABAQUS 建立模擬12309 工作面開采的數(shù)值計(jì)算模型如圖8。根據(jù)地表黃土溝壑地貌，選取12309 工作面開切眼至工作面推進(jìn)至540 m 的范圍，建立長（工作面推進(jìn)方向）×寬（工作面斜長方向）×高=750 m×1 m×426 m 的數(shù)值計(jì)算模型，同時(shí)模型中對力學(xué)性質(zhì)相近的巖層作了合并處理。計(jì)算模型中以六面體單元為主，從下到上單元的平均尺寸從2 m（直接頂）增加至20 m（土層），共劃分為35 500 個(gè)單元。設(shè)定每個(gè)分析步的工作面推進(jìn)距離為10 m，從左向右總共推進(jìn)540 m。由此模型分析2#煤回采對上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的影響規(guī)律。

圖8 數(shù)值計(jì)算模型Fig.8 Numerical calculation model

2）模擬結(jié)果。根據(jù)ABAQUS 建立的三維數(shù)值模型，計(jì)算王家?guī)X煤礦2#煤層開采后覆巖破斷垮落破壞過程，分析頂板巖層內(nèi)裂隙隨工作面推進(jìn)的演化過程。煤層開采后的覆巖運(yùn)動結(jié)果如圖9。由圖9 可知，2#煤開采會使上覆巖層出現(xiàn)貫通至地表的裂隙，特別是在黃土溝谷位置處，裂隙發(fā)育更加顯著。盡管泥巖（灰色部分）有較強(qiáng)的塑性變形能力，會在一定程度上阻礙裂隙發(fā)育，但其厚度較薄、層數(shù)較少，因此判斷12309 工作面的導(dǎo)水裂隙帶高度為285 m 以上。

圖9 覆巖層導(dǎo)水裂隙分布情況Fig.9 Distribution of water flowing fissures in overburden

3.2 黃土溝壑地貌下綜放開采覆巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

為研究黃土溝壑地貌下綜放開采覆巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，根據(jù)建立的FLAC3D數(shù)值模型，模擬計(jì)算王家?guī)X煤礦12309 工作面回采350～1 100 m 階段共750 m的應(yīng)力、位移以及塑性區(qū)變化規(guī)律，以分析該工作面開采過程中的覆巖結(jié)構(gòu)受力破壞特征。覆巖應(yīng)力分布規(guī)律如圖10，覆巖位移分布規(guī)律如圖11，覆巖塑性區(qū)分布規(guī)律如圖12。

圖10 覆巖應(yīng)力分布規(guī)律Fig.10 Overburden stress distribution

圖11 覆巖位移分布規(guī)律Fig.11 Distribution law of overburden displacement

圖12 覆巖塑性區(qū)分布規(guī)律Fig.12 Distribution of plastic zone in overburden

由圖10 可知，工作面開切眼后，切眼周圍原始應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，引起巖體內(nèi)部的應(yīng)力重新分布，切眼推進(jìn)的前后方實(shí)體煤出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；隨著工作面由10 m 推進(jìn)到750 m，回采工作面超前煤體受到的集中應(yīng)力進(jìn)一步加大，垂直應(yīng)力峰值達(dá)到原巖應(yīng)力的近2 倍，若不采取有效措施，直接頂將在高應(yīng)力作用下產(chǎn)生破壞，具有較大的失穩(wěn)隱患。

由圖11 可知，工作面開切眼推進(jìn)10 m 后，工作面上方覆巖以及黃土層并未出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，但回采部分中部出現(xiàn)了拱形下沉區(qū)，最大下沉量2.33 cm，此時(shí)采場整體結(jié)果較穩(wěn)定；當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)120 m 后，拱形下沉區(qū)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，且最大下沉量增大到7.94 cm，直接頂出現(xiàn)失穩(wěn)破壞的風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)工作面推進(jìn)到400 m 后，拱形下沉區(qū)最大下沉量達(dá)到85 cm，以直接頂上方拱形下沉區(qū)到黃土溝谷地表半坡較大范圍內(nèi)出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，礦巖體失穩(wěn)；當(dāng)工作面推進(jìn)到700 m 后，拱形破壞結(jié)果最大下沉量近4 m，黃土溝壑半坡最大下沉量2 m。

由圖12 可知，12309 工作面開切眼后直接頂出現(xiàn)塑性破壞，破壞深度約3.2 m；隨著工作面的推進(jìn)，12309 工作面上覆巖層的塑性破壞范圍逐漸增大，最終出現(xiàn)上覆巖層貫通至地表的裂隙，特別是在溝谷位置處；黃土溝壑半腰處塑性區(qū)分布廣泛，此結(jié)果與位移分布結(jié)果一致，可見回采對地表黃土地貌產(chǎn)生了較大影響。

綜合以上分析可知，黃土溝壑地貌對回采工作面的應(yīng)力、位移以及塑性區(qū)影響明顯。在工作面初采階段，由于工作面上覆主關(guān)鍵層的承載，使得工作面礦壓顯現(xiàn)不明顯；隨著工作面的推進(jìn)，上覆巖層受到的作用力越來越大，關(guān)鍵層開始失穩(wěn)破斷，其礦壓顯現(xiàn)明顯受到黃土溝壑地貌影響，主要特征為：采空區(qū)下沉最嚴(yán)重的拱形區(qū)域持續(xù)滯后于空區(qū)幾何中部位置，基本處于黃土溝谷上坡段下方；采空區(qū)上方卸荷區(qū)形狀變異，明顯有異于“拱形”、“馬鞍形”卸壓區(qū)，工作面超前支承壓力集中程度受上覆黃土層厚度影響明顯。

4 結(jié) 論

1）黃土溝壑地貌對原巖應(yīng)力場的變化具有明顯的影響，原巖應(yīng)力在溝壑底部出現(xiàn)較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中程度隨巖層埋深的增加而減弱；黃土溝壑地貌對覆巖自重應(yīng)力的影響程度隨著巖層埋深的增加而逐漸降低。

2）當(dāng)?shù)V巖層埋深距溝底超過700 m 時(shí)，黃土溝壑地貌不再對覆巖自重應(yīng)力產(chǎn)生影響；王家?guī)X煤礦12309 工作面煤層距溝底距離小于300 m，因此黃土溝壑地貌會對其覆巖自重應(yīng)力產(chǎn)生較大影響。

3）在黃土溝壑影響下，隨著綜采工作面的推進(jìn)，上覆巖層受到的作用力越來越大，關(guān)鍵層開始失穩(wěn)破斷，其礦壓顯現(xiàn)明顯受到黃土溝壑地貌影響，主要特征為：采空區(qū)下沉最嚴(yán)重的拱形區(qū)域持續(xù)滯后于空區(qū)幾何中部位置，基本處于黃土溝谷上坡段下方；工作面超前支承壓力集中程度受上覆黃土層厚度影響明顯。