充填開采覆巖裂隙時(shí)空演化實(shí)驗(yàn)研究

徐連兵，楊 科，趙新元

(1.國(guó)家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100010；2.安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001)

我國(guó)每年在煤炭產(chǎn)業(yè)鏈上產(chǎn)出的固廢數(shù)量巨大，這些固廢堆積在地表，并未得到有效處理。將這種固廢材料作為井下充填材料，已經(jīng)成為近年來煤礦綠色開采的發(fā)展方向。因此煤礦固廢充填開采因其有效處理固廢、降低覆巖損傷和地表沉陷、解決三下壓煤?jiǎn)栴}等作用在近年來得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用[1-4]。煤層開采后形成體積巨大的采空區(qū)域，在采空區(qū)未充填情況下，上覆巖層從下向上依次下沉、斷裂和垮落，覆巖應(yīng)力和位移發(fā)生劇烈變化，破斷的巖層在垮落過程中重新排列和疊加，形成大量的離層、空隙和裂隙，這些不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)對(duì)煤層開采造成嚴(yán)重安全隱患，對(duì)上覆含水層和地表生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞[5-7]。然而，在采空區(qū)內(nèi)充填大量固體廢棄物后，上覆巖層的運(yùn)移形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征發(fā)生明顯改變，巖層損傷程度必然大大降低，因而覆巖裂隙的發(fā)育演化和空間分布也必然有所區(qū)別。

目前眾多專家學(xué)者主要對(duì)充填開采巖層移動(dòng)特征做了大量研究工作，取得了豐碩成果[8-18]。然而針對(duì)充填開采覆巖裂隙時(shí)空演化規(guī)律和分布特征方面的內(nèi)容，目前研究較少。

以任家莊煤礦擬充填工作面為工程背景，通過相似材料模擬實(shí)驗(yàn)，分析充填開采覆巖裂隙的萌生、發(fā)育、擴(kuò)展和閉合等變化，統(tǒng)計(jì)充填開采覆巖裂隙數(shù)量、角度、長(zhǎng)度、寬度等參數(shù)，研究覆巖裂隙在煤層開采充填過程中的時(shí)空演化規(guī)律和分布特征，針對(duì)充填開采覆巖裂隙演化過程提出有針對(duì)性的控制措施。研究結(jié)果為充分認(rèn)識(shí)充填開采導(dǎo)水裂隙時(shí)空演化機(jī)理和保水減沉采煤提供了指導(dǎo)。

1 工程背景

任家莊煤礦位于寧東橫城礦區(qū)，處于寧夏回族自治區(qū)靈武市東北部。煤礦井田深部屬地溫異常區(qū)；無(wú)陷落柱，受基巖空隙裂隙水和采空區(qū)積水影響有限，水文地質(zhì)條件中等。任家莊煤礦地形地貌簡(jiǎn)單，地質(zhì)構(gòu)造中等，地層巖性變化大，巖體結(jié)構(gòu)多為互層狀，可采煤層頂板多屬于半堅(jiān)硬層狀砂質(zhì)巖類，工程地質(zhì)條件中等。

該礦擬充填試驗(yàn)工作面所采煤層為9#煤，平均厚度4.2m，平均傾角17°。煤層埋深約420m。充填試驗(yàn)工作面位于11采區(qū)南翼，西部是110902工作面，南部是110906未采區(qū)段，上部是110504和110506采空區(qū)，西北方向有一背斜斷層，區(qū)段走向邊界存在防水危險(xiǎn)區(qū)警戒線。采區(qū)井上位置位于工業(yè)廣場(chǎng)的東南部，地面有運(yùn)煤公路和排矸公路經(jīng)過。

2 相似材料模擬

2.1 模型鋪設(shè)

相似材料模型以任家莊煤礦擬充填工作面為工程背景進(jìn)行搭建。相似材料模型尺寸定為150cm×10cm×90cm(長(zhǎng)×寬×高)，模型幾何相似比為1∶100(模型：原型)，容重相似比為1∶1.6，應(yīng)力相似比1∶160，模擬煤層開采方向?yàn)樗阶呦蜷_采。模型巖層相似材料以河砂為骨料，石灰和石膏為膠結(jié)材料。通過相似材料配比試驗(yàn)最終確定模型各巖層的配比，各層材料用量按照1.2的富裕系數(shù)進(jìn)行稱量，巖層配比參數(shù)見表1。

表1 模型巖層材料配比

為了使得模型開挖充填過程中充填體相似材料的變形特性與現(xiàn)場(chǎng)擬采用的充填材料變形特性盡可能相似，有必要進(jìn)行充填體的相似材料選擇。通過壓縮測(cè)試，最終選擇一種壓縮特性曲線與現(xiàn)場(chǎng)充填材料的理論壓縮特性曲線在走勢(shì)和形態(tài)上最為接近，相似度最高的材料組合作為模擬充填體[11]，如圖1所示。將模擬充填體制作成高度4cm、寬度5cm的塊體用于模型的充填。

圖1 模擬充填體壓縮曲線對(duì)比

2.2 模擬方案

模型開挖前需要在模型上部施加補(bǔ)償載荷以模擬模型上部至地表未鋪設(shè)巖層的自重。煤層兩側(cè)留設(shè)12.5cm的煤柱，中間125cm為模型的開挖充填范圍，開挖充填的方向?yàn)閺淖蟮接?。煤層每開挖5cm就充填一個(gè)充填塊體，然后靜置模型[19]。

將模型開挖充填和靜置等一個(gè)充填塊體的操作流程的時(shí)間定為30min，之后再進(jìn)行下一個(gè)充填塊體的開挖充填工作，依此類推直到煤層終采線，模型開挖充填實(shí)例如圖2所示。為了觀測(cè)模型巖層在開挖充填過程中的裂隙演化情況，采用高精度照相機(jī)對(duì)巖層出現(xiàn)的裂隙變化情況實(shí)時(shí)拍攝和測(cè)量，并進(jìn)行素描。

圖2 相似材料模型開挖充填布置

3 結(jié)果分析

3.1 充填距離與覆巖裂隙分布

當(dāng)開挖充填到一定距離時(shí)，將模型覆巖出現(xiàn)的裂隙進(jìn)行拍照，并對(duì)覆巖裂隙進(jìn)行素描，如圖3—圖5所示。

圖3 充填35cm覆巖裂隙分布

圖4 充填100cm覆巖裂隙分布

由圖3—圖5可知，當(dāng)煤層開挖充填距離為35cm時(shí)，直接頂與基本頂之間出現(xiàn)第一條橫向裂隙，其長(zhǎng)度約為260mm。當(dāng)開挖充填距離為70cm時(shí)，第一條橫向裂隙發(fā)生擴(kuò)展，長(zhǎng)度增加，同時(shí)在煤柱與采空區(qū)交界處的直接頂出現(xiàn)非貫通性縱向裂隙，此時(shí)裂隙發(fā)育高度增加至煤層上方約30cm處，裂隙類型主要以橫向裂隙居多。隨著開挖充填距離增加至100cm，裂隙發(fā)育范圍進(jìn)一步向上向前擴(kuò)展，發(fā)育高度擴(kuò)展至煤層上方約60cm的關(guān)鍵層，關(guān)鍵層出現(xiàn)非貫通性縱向裂隙，此階段采充區(qū)中部的低位巖層偶見塊體剝落，低位巖層裂隙呈現(xiàn)縮小閉合趨勢(shì)，高位巖層出現(xiàn)新增裂隙。隨著開挖充填距離進(jìn)一步增加至125cm，工作面到達(dá)終采線，關(guān)鍵層下方裂隙發(fā)生明顯擴(kuò)展，關(guān)鍵層上方無(wú)新增裂隙，裂隙發(fā)育范圍暫停向上擴(kuò)展，說明關(guān)鍵層對(duì)裂隙向上發(fā)育起到了阻礙作用。此階段采充區(qū)中部覆巖裂隙明顯減少，采充區(qū)兩側(cè)覆巖裂隙較為發(fā)育，同時(shí)終采線附近出現(xiàn)塊體剝落，右側(cè)煤柱與直接頂交界處出現(xiàn)表面離層，說明煤柱附近巖層彎曲程度大，煤柱受集中應(yīng)力作用明顯。

圖5 充填125cm覆巖裂隙分布

3.2 覆巖裂隙時(shí)空演化

根據(jù)覆巖在不同充填距離時(shí)出現(xiàn)的裂隙空間位置素描出覆巖裂隙時(shí)空演化特征，如圖6所示。圖6中用文字標(biāo)注了不同開挖充填距離時(shí)的新增裂隙，虛線裂隙表示在開挖充填到一定距離時(shí)出現(xiàn)而在停采后閉合消失的裂隙，實(shí)線裂隙表示模型停采后依然顯現(xiàn)的裂隙。

圖6 覆巖裂隙時(shí)空演化素描

由圖6可知，在煤層開挖充填過程中，覆巖裂隙的萌生、發(fā)育、擴(kuò)展和閉合等演化行為表現(xiàn)出一定的時(shí)空特性，工作面從開切眼開始開挖充填到一定距離，基本頂下方首先出現(xiàn)一條橫向裂隙，隨著工作面的推進(jìn)，橫向裂隙發(fā)生橫向擴(kuò)展，并衍生出非貫通性縱向裂隙，同時(shí)基本頂上方巖層發(fā)生彎曲下沉，產(chǎn)生新的裂隙。隨著開挖充填距離不斷增加，覆巖裂隙發(fā)育范圍逐漸由低位巖層向高位巖層擴(kuò)展，采充區(qū)域中部的低位巖層裂隙受巖層下沉擠壓作用發(fā)生明顯縮小和閉合。

另外，裂隙在模型覆巖的空間分布具有一定規(guī)律性，即煤層開挖充填過程中，低位巖層產(chǎn)生的裂隙長(zhǎng)度普遍比高位巖層要大，分布更密集。停采后，采充區(qū)中部上覆巖層的裂隙數(shù)量減少，采充區(qū)兩側(cè)覆巖裂隙分布較多，其中在煤柱與采充區(qū)交界的上覆巖層分布較多縱向裂隙，采充區(qū)近煤柱區(qū)域的上覆巖層分布較多橫向裂隙，分析原因?yàn)槊褐某休d性能遠(yuǎn)比充填體承載性能要大，巖層在煤柱與采充區(qū)域交界處發(fā)生彎曲變形，采充區(qū)側(cè)巖層下沉傾斜程度大，而煤柱上方巖層下沉小，巖層下沉程度差異較大，因而在煤柱與采充區(qū)交界處產(chǎn)生縱向張拉破壞，在采充區(qū)兩側(cè)近煤柱區(qū)域的巖層產(chǎn)生離層破壞。

3.3 覆巖裂隙數(shù)量

為了更清楚的表征覆巖裂隙的發(fā)育程度，對(duì)不同充填距離時(shí)的覆巖裂隙數(shù)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7所示。統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為將橫向及其衍生出的縱向裂隙視為一條完整裂隙。

圖7 不同充填距離時(shí)的裂隙數(shù)量

由圖7分析可知，隨著開挖充填距離的增加，覆巖裂隙數(shù)量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，具體為，當(dāng)煤層的開挖充填距離從0cm到100cm時(shí)，覆巖裂隙數(shù)量逐漸增多，在充填距離為100cm時(shí)覆巖裂隙數(shù)量達(dá)到峰值，完整裂隙數(shù)量為11條，當(dāng)充填距離超過100cm達(dá)到125cm時(shí)，覆巖裂隙數(shù)量仍為11條，表明覆巖裂隙發(fā)育范圍達(dá)到關(guān)鍵層附近，關(guān)鍵層暫時(shí)阻礙了覆巖裂隙向上發(fā)育，同時(shí)關(guān)鍵層下方巖層發(fā)生下沉和疊加，擠壓了巖層間的離層和裂隙，導(dǎo)致采空區(qū)兩側(cè)覆巖新增裂隙數(shù)量與采空區(qū)中部覆巖閉合裂隙數(shù)量相等。

3.4 覆巖裂隙角度-長(zhǎng)度

定義煤層開挖充填方向?yàn)?°，角度沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)逐漸增大；橫向裂隙的角度定義為以橫向裂隙的起裂點(diǎn)為起點(diǎn)，裂隙停止擴(kuò)展的點(diǎn)為終點(diǎn)，沿裂隙擴(kuò)展方向畫直線，其與水平的夾角；縱向裂隙的角度定義也是如此。

隨著煤層開挖充填距離的增加，橫向和縱向裂隙數(shù)量和長(zhǎng)度均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，其中角度在0°～10°之間的橫向裂隙數(shù)量較多，且長(zhǎng)度大多集中在小于40cm的范圍，縱向裂隙發(fā)育長(zhǎng)度均較小，其最大長(zhǎng)度僅為10cm左右；充填距離從70cm增加至100cm，橫向裂隙最大長(zhǎng)度減小，說明在此過程覆巖裂隙發(fā)生閉合現(xiàn)象；當(dāng)充填距離為125cm，橫向裂隙最大長(zhǎng)度超過90cm，此裂隙位于關(guān)鍵層下?？v向裂隙的角度普遍大于180°，說明巖層普遍從上向下發(fā)生張拉破壞。

3.5 覆巖裂隙長(zhǎng)度-寬度

選取停采后的模型中三條表現(xiàn)明顯的覆巖裂隙，導(dǎo)入軟件中分析裂隙的長(zhǎng)度與寬度的關(guān)系，如圖8所示。將位于模型充填起始位置、上部位置和終采線位置附近的裂隙分別編號(hào)為裂隙1、裂隙2和裂隙3。

圖8 裂隙長(zhǎng)度與寬度

由圖8可知，充填模型中的覆巖裂隙寬度普遍較小，最大寬度不超過0.8mm。從裂隙的兩端向中部位置，其寬度呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，表明裂隙兩端位置寬度大，裂隙發(fā)育擴(kuò)展，而中部位置裂隙在覆巖下沉擠壓作用下出現(xiàn)縮小閉合趨勢(shì)，裂隙寬度變小。從覆巖裂隙分布位置來看，煤層開采起始位置附近的覆巖裂隙寬度較大，最大約為0.8mm，停采位置附近的裂隙寬度較小，最大約為0.7mm左右，且開采起始位置的覆巖裂隙寬度普遍較大，但其長(zhǎng)度卻較小，約為35cm左右，說明在經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間開挖充填后，開采起始位置的覆巖下沉較充分，覆巖裂隙受到擠壓，導(dǎo)致其長(zhǎng)度變小。

4 充填開采覆巖裂隙控制措施

由相似材料模擬實(shí)驗(yàn)可知，充填開采覆巖裂隙演化具有一定的時(shí)空特性。因此，針對(duì)充填開采裂隙演化特征，在實(shí)際工程中采取一定的控制措施：充填過程中應(yīng)采取及時(shí)密實(shí)充填方式，增加采空區(qū)充實(shí)率，減少充填體的欠接頂量，提高前期充填體對(duì)頂板的支撐能力，控制覆巖裂隙早期發(fā)育程度，提前改善采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)；增強(qiáng)充填體的后期承載和抗變形性能，減少頂板對(duì)充填體的壓縮量，控制覆巖下沉變形，減小裂隙發(fā)育范圍；針對(duì)煤柱和工作面附近區(qū)域縱向裂隙較為發(fā)育的特征，應(yīng)在此區(qū)域內(nèi)采取加強(qiáng)頂板支護(hù)措施，防止頂板切落造成的安全風(fēng)險(xiǎn)。在地表建筑保護(hù)等級(jí)較高的壓煤區(qū)域進(jìn)行充填開采，除了上述覆巖裂隙控制措施，還可采取在覆巖裂隙或關(guān)鍵層下方離層中進(jìn)行注漿充填方式，填補(bǔ)裂隙空間，控制裂隙發(fā)育程度和影響范圍，阻止裂隙進(jìn)一步向地面擴(kuò)展。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過相似材料模擬實(shí)驗(yàn)，分析了模型在開挖充填過程中的覆巖裂隙時(shí)空演化和分布特征，結(jié)果表明，煤層開挖充填距離較短時(shí)，近煤層的低位巖層首先產(chǎn)生橫向裂隙，數(shù)量少，角度呈近水平。隨著開挖充填距離的增加，橫向裂隙的數(shù)量和長(zhǎng)度均呈增加趨勢(shì)。橫向裂隙衍生出的非貫通性縱向裂隙基本分布在煤柱與采空區(qū)交界的區(qū)域內(nèi)，其長(zhǎng)度相對(duì)較短，角度普遍大于180°。覆巖裂隙由低位巖層逐漸向高位巖層發(fā)育擴(kuò)展，裂隙分布范圍逐漸擴(kuò)大，在關(guān)鍵層處裂隙發(fā)育受到一定阻礙。采充區(qū)中部覆巖的裂隙發(fā)生縮小和閉合現(xiàn)象，減緩覆巖裂隙數(shù)量的增加。停采后的覆巖裂隙寬度普遍小于0.8mm，由裂隙兩端向中部位置，裂隙寬度呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)；開采起始位置的覆巖裂隙寬度比停采位置附近的覆巖裂隙寬度大。最后針對(duì)充填開采覆巖裂隙演化過程提出了有針對(duì)性的控制措施。