水力耦合條件下近距離煤層采動(dòng)裂隙動(dòng)態(tài)演化規(guī)律探究

陳廣金，程志恒，周禮杰，趙志研，陳 亮，王宏冰

(1.鄭州煤炭工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450000；2.華北科技學(xué)院 礦山安全學(xué)院，北京 101601；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；4.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110141；5.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

隨著我國(guó)煤炭資源開采深度的不斷增加，深部煤炭開采逐漸成為資源開發(fā)的常態(tài)[1-3]，在深部煤炭資源開采時(shí)，煤層“三高一低”的賦存特征益加凸顯，且突出煤層群的瓦斯壓力和瓦斯含量也隨之增加，煤層瓦斯治理難度進(jìn)一步加大[4-8]，與目前高效綜合機(jī)械化開采程度相悖，瓦斯始終制約著煤炭資源安全、高效開采，為了針對(duì)性地防控瓦斯災(zāi)害，提高煤礦綜合機(jī)械化回采效率，需進(jìn)一步探究煤層群采動(dòng)條件下裂隙場(chǎng)的形成機(jī)制及分布特征以及煤巖層垮落、裂隙演化的時(shí)空轉(zhuǎn)化關(guān)系，進(jìn)而確定采動(dòng)卸壓瓦斯?jié)B流規(guī)律，為突出煤層群瓦斯精準(zhǔn)防控提供理論支撐。

突出煤層群的煤與瓦斯共采技術(shù)，是目前解決突出煤層群煤炭資源開采及煤層氣資源高效抽采利用的主要手段，也是響應(yīng)當(dāng)今社會(huì)倡導(dǎo)綠色開采技術(shù)之一[6，7]，在煤層群開采過程中，由于覆巖結(jié)構(gòu)的巖體性質(zhì)、頂板厚度以及巖層間的相互作用的不同，在受到回采作業(yè)的擾動(dòng)影響時(shí)，煤層覆巖結(jié)構(gòu)破斷形態(tài)體現(xiàn)出多樣性，基于此，眾多學(xué)者對(duì)采動(dòng)覆巖破斷結(jié)構(gòu)及運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行大量的研究[8-10]，并相繼提出了“懸臂梁假說(shuō)”“鉸接巖塊假說(shuō)”“關(guān)鍵層理論”“傳遞巖梁”理論模型以及依據(jù)煤體采動(dòng)后覆巖的移動(dòng)規(guī)律提出了“橫三區(qū)”“豎三帶”的概念[11]，而覆巖采動(dòng)裂隙為卸壓瓦斯的擴(kuò)散、滲流、運(yùn)移的通道[12]，因此，通過研究覆巖結(jié)構(gòu)破斷形態(tài)特征，準(zhǔn)確掌握覆巖采動(dòng)裂隙時(shí)空演化規(guī)律及精準(zhǔn)劃分瓦斯抽采有利區(qū)域，是確保安全高效抽采覆巖內(nèi)卸壓瓦斯的關(guān)鍵，對(duì)突出煤層群安全生產(chǎn)實(shí)踐具有重要意義。目前，在覆巖采動(dòng)裂隙時(shí)空演化規(guī)律方面的研究大多采用了理論分析、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)室相似模擬試驗(yàn)及數(shù)值模擬等方法，如程志恒等[13，14]、馬海峰等[15]研究了近距離煤層群開采條件下采動(dòng)應(yīng)力及覆巖位移場(chǎng)、裂隙場(chǎng)的演化特征，得到了不同采動(dòng)應(yīng)力作用下底板巖層裂隙角度的分布規(guī)律；Sun、Ding等[16，17]分析了近距離煤層群采動(dòng)應(yīng)力分布范圍及采空區(qū)破壞深度；張春雷[18]研究發(fā)現(xiàn)近距離煤層群上行開采過程中，上煤層周期來(lái)壓步距小于下煤層，且覆巖離層高度更大；王偉等[19]研究了深部近距離上保護(hù)層開采底板煤巖層裂隙瓦斯通道演化規(guī)律及下被保護(hù)層卸壓瓦斯抽采的時(shí)效性，在回采方向上底板煤巖層可分為原始應(yīng)力區(qū)、卸壓增透區(qū)和重新壓實(shí)區(qū)；王成等[20]研究了上行卸壓開采頂板裂隙帶巷道失穩(wěn)過程，發(fā)現(xiàn)頂板裂隙帶巷道隨上覆巖層呈整體下沉特征；焦振華[21]等研究了下保護(hù)層開采覆巖的運(yùn)移、裂隙動(dòng)態(tài)演化特征及被保護(hù)層變形規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨基本頂周期破斷，采動(dòng)裂隙呈梯形演化，貫通的豎向裂隙未連通上被保護(hù)層。

綜上可知，以上的研究成果大多集中在覆巖結(jié)構(gòu)破斷形態(tài)及采動(dòng)裂隙演化分布特征等方面，而在對(duì)于水力條件影響下覆巖破斷特征及采動(dòng)裂隙演化規(guī)律等方面的研究尚不明，由于在水力耦合條件下工作面覆巖破斷垮落規(guī)律、來(lái)壓強(qiáng)度、來(lái)壓步距等特征有別于不受水力條件影響的其他工作面，往往導(dǎo)致其支護(hù)不及時(shí)或支護(hù)強(qiáng)度不夠，甚至造成冒頂事故?；诖?，筆者以沙曲一號(hào)煤礦為研究對(duì)象，采用相似模擬、數(shù)值模擬及理論分析相結(jié)合的方法，研究了水力耦合下覆巖采動(dòng)裂隙動(dòng)態(tài)演化規(guī)律，指出了水力條件對(duì)于覆巖垮落及采動(dòng)裂隙發(fā)育的影響，進(jìn)而為優(yōu)化工作面覆巖支護(hù)方案設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。

1 工程概況

沙曲一號(hào)煤礦為近距離突出煤層群，其主采煤層為2#、3+4#、5#煤層，2#煤層位于3+4#、5#煤層上部，平均煤層厚度為1.21m，下距3+4#煤層為21.2m；3+4#位于2#煤層與5#煤層中部，平均傾角為6°，平均煤層厚度為4.55m，3+4#煤層工作面長(zhǎng)度平均為260m，距5#煤層為4.09m，本次研究對(duì)象為3+4#煤層工作面。工作面煤層賦存柱狀圖如圖1所示。

2#煤層作為保護(hù)層優(yōu)先開采其下部的煤巖體同時(shí)進(jìn)行卸壓，故此時(shí)Y3—Y5巖層內(nèi)將衍生大量的裂隙，如圖1所示，2#煤層回采后由于生產(chǎn)用水及地質(zhì)巖溶裂隙水的原因，工作面采空區(qū)內(nèi)匯聚著大量積水，若此時(shí)下伏的3+4#煤層進(jìn)行回采時(shí)上覆巖層將經(jīng)歷二次卸壓，將導(dǎo)致上覆2#煤層采空區(qū)內(nèi)積水沿著卸壓通道積聚在3+4#煤層頂板內(nèi)，造成了3+4#回采時(shí)覆巖破斷垮落規(guī)律、來(lái)壓強(qiáng)度、來(lái)壓步距等特征參數(shù)有別于不受采空區(qū)積水影響的工作面，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致支護(hù)不及時(shí)或支護(hù)強(qiáng)度不夠而造成冒頂事故。

2 水力耦合下采動(dòng)裂隙演化特征

2.1 試驗(yàn)方案

采用自行研制的相似模擬試驗(yàn)平臺(tái)，通過在試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭芯嚯x3+4#煤層頂板4cm的泥巖內(nèi)鋪設(shè)一層?0.3mm×0.6mm的四氟毛細(xì)管，還原了3+4#煤層上覆巖層中含水情況(2#煤層采空區(qū)積水)，并采用針管容量為1mL、針頭規(guī)格為外徑0.46mm的注射器控制煤層注水情況，以及使用水分測(cè)試儀對(duì)注水前后的泥巖層進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，相似模擬比例為1∶100，相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖3所示。模型所附的巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

在煤層開挖過程中時(shí)刻用相機(jī)記錄開挖過程中煤層及上覆巖層的變化，以期獲得較為準(zhǔn)確的裂隙發(fā)育及演化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)中采用了三維數(shù)字散斑應(yīng)變測(cè)量分析系統(tǒng)，在模型開挖時(shí)計(jì)算全場(chǎng)應(yīng)變和變形特征。

表1 相似模型煤巖層材料配比參數(shù)

2.2 水力耦合下覆巖裂隙發(fā)育及演化特征分析

為了探究上覆煤層(2#煤層)水力條件下3+4#煤層回采過程中覆巖裂隙演化規(guī)律，利用相似模型中覆巖內(nèi)鋪設(shè)的四氟毛細(xì)管，在工作面回采期間分別向覆巖內(nèi)注水以真實(shí)還原出采空區(qū)積水特征，其模擬結(jié)果如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可以看出，無(wú)論上覆巖層內(nèi)是否有積水的存在，在3+4#煤層開采過程中上覆巖垮落形態(tài)均由完全懸露頂板破斷，基本頂滯后工作面破斷，最后呈臺(tái)階式下沉，上覆巖層裂隙也均從初始形成、逐步發(fā)育、裂隙加密和不斷擴(kuò)展的演化過程，并在采動(dòng)裂隙形成、發(fā)育、擴(kuò)展的循環(huán)過程中上覆巖層形成了不同的裂隙分區(qū)和瓦斯流動(dòng)通道。但受制于上覆巖層內(nèi)采空區(qū)積水的存在，當(dāng)無(wú)采空區(qū)積水時(shí)隨著工作面回采覆巖初次來(lái)壓步距約為34m，周期來(lái)壓步距約為13m，而當(dāng)上覆巖層存在采空區(qū)積水時(shí)隨著工作面回采覆巖初次垮落步距約24m，周期來(lái)壓步距約為10m。

綜上所述，上覆巖層中含有少量水的情況下能對(duì)煤層開采造成一定影響，具體體現(xiàn)在改變初次來(lái)壓和周期來(lái)壓步距，但覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律與礦壓顯現(xiàn)和單一煤層相似，工作面頂板由完全懸露頂板破斷，基本頂滯后工作面破斷，上覆巖層裂隙呈臺(tái)階式下沉，隨著工作面的推進(jìn)，覆巖裂隙逐漸往上與向前發(fā)育(裂隙發(fā)育帶)。

2.3 水力耦合下覆巖位移演化規(guī)律分析

三維數(shù)字散斑應(yīng)變測(cè)量分析系統(tǒng)具有靈活易用的觸發(fā)功能，豐富的外部軟硬件接口，應(yīng)變測(cè)量范圍可在從0.01%到1000%的范圍變化，它采用數(shù)字圖像相關(guān)方法DIC，采用兩個(gè)高速攝像機(jī)，實(shí)時(shí)收集實(shí)物在各個(gè)階段中形變的散斑圖像，利用相關(guān)算法將物體的位移量與立體匹配，實(shí)現(xiàn)位移場(chǎng)數(shù)據(jù)的可視化分析，從而達(dá)到快速、高精度、實(shí)時(shí)的實(shí)驗(yàn)需求。

當(dāng)上覆巖層內(nèi)無(wú)水力條件時(shí)其隨著工作面回采覆巖垮落特征如圖6所示，從圖6可以看出，當(dāng)工作面推進(jìn)20m時(shí)，工作面前方出現(xiàn)細(xì)微位移，此時(shí)位移量最大值為0.029mm，結(jié)合實(shí)驗(yàn)相似常數(shù)，實(shí)際工作面前方出現(xiàn)0.29cm的微弱位移，這可能是由于工作面前方應(yīng)力環(huán)境改變?cè)斐傻?，?dāng)工作面推進(jìn)28m時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)采空區(qū)上部出現(xiàn)約0.799mm的微弱位移，結(jié)合實(shí)驗(yàn)相似常數(shù)，即實(shí)際采空區(qū)上方有離層裂隙或橫向裂隙發(fā)育；當(dāng)工作面推進(jìn)34m時(shí)，采空區(qū)上覆巖層已經(jīng)發(fā)生垮落，采空區(qū)上方巖層出現(xiàn)約0.049～0.083mm的細(xì)微位移，說(shuō)明實(shí)際采空區(qū)上方經(jīng)過頂板垮落后依然存在0.49～0.83cm的裂隙，原因可能是經(jīng)過頂板垮落，垮落矸石碎漲后對(duì)其上方頂板有部分支撐作用，當(dāng)工作面分別推進(jìn)37m、40m、47m時(shí)，采空區(qū)上方有位移集中較大的區(qū)域，且隨著工作面推進(jìn)，工作面前方底板發(fā)現(xiàn)有些許位移量，這可能是采動(dòng)造成的底鼓現(xiàn)象。

當(dāng)上覆巖層內(nèi)有積水時(shí)其隨著工作面回采覆巖垮落特征如圖7所示，從圖中可以看出，當(dāng)工作面推進(jìn)20m時(shí)，其上覆巖層位移量變化不大，當(dāng)工作面推進(jìn)至24m時(shí)，受上覆巖層重力作用，其上覆巖層位移有明顯變化，采空區(qū)上方巖層出現(xiàn)約0.051～0.123mm的細(xì)微位移，表明此時(shí)巖層開始垮落；分別當(dāng)工作面推進(jìn)50m、60m、70m、80m時(shí)，隨著回采持續(xù)推進(jìn)，其采空區(qū)上覆巖層位移量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，且煤層底板位移量也隨工作面回采推進(jìn)呈現(xiàn)相同的變化，此時(shí)位移變化的范圍約是1.147～3.087mm之間，且其位移量在采空區(qū)上覆巖層中部變化值最大，向采空區(qū)前后的位移量則是變化較小。

產(chǎn)生上述的現(xiàn)象表明：當(dāng)覆巖中賦存少量水時(shí)，受工作面采動(dòng)影響下其覆巖垮落較為劇烈，覆巖位移量也相對(duì)較大，且隨著工作面持續(xù)推進(jìn)，由于其覆巖垮落存在一定高度，覆巖位移會(huì)持續(xù)增大至一個(gè)終值后會(huì)保持平緩。

3 采動(dòng)水力耦合下采動(dòng)覆巖演化數(shù)值分析

3.1 建立模型

為了能夠正確反映水力耦合下工作面開采過程中上覆巖層的應(yīng)力應(yīng)變特征、裂隙發(fā)育演化特征，采用UDEC2D7.0軟件進(jìn)行模型構(gòu)建與計(jì)算。模型上部邊界距離地表450m，按照埋深施加均布載荷，頂面施加載荷為11.25MPa，巖層平均密度取2500kg/m3，各巖層的物理力學(xué)參數(shù)見表2，并依據(jù)原始巖層的層理結(jié)構(gòu)、巖石單元體的尺寸等對(duì)模型的各層進(jìn)行了細(xì)分，最終建立的模型。

表2 煤巖體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

3.2 采動(dòng)下覆巖裂隙發(fā)育及演化特征

無(wú)水力條件下覆巖裂隙演化規(guī)律如圖8所示，由圖8可知，當(dāng)工作面開切眼及推進(jìn)至20m時(shí)，采空區(qū)頂板有微微彎曲的變化，采空區(qū)前后煤壁也存在向采空區(qū)凸起的變化；當(dāng)工作面推進(jìn)至40m時(shí)，采空區(qū)頂板的彎曲更為嚴(yán)重，同時(shí)有裂隙及離層裂隙發(fā)育，底板也出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象；當(dāng)工作面推進(jìn)至60m時(shí)，采空區(qū)后端頂板開始垮落，隨著工作面推進(jìn)，采空區(qū)前端頂板有裂隙發(fā)育及未垮落巖層，可以發(fā)現(xiàn)垮落的頂板呈現(xiàn)不規(guī)則狀態(tài)，再往上發(fā)現(xiàn)上方巖層有規(guī)則垮落；當(dāng)工作面推進(jìn)至80m時(shí)，工作面隨采隨垮，之前垮落的部分逐漸被壓實(shí)，其裂隙隨工作面推進(jìn)向前發(fā)育。

水力條件下覆巖裂隙演化規(guī)律如圖9所示，由圖9可知，當(dāng)工作面開切眼及推進(jìn)至20m時(shí)，采空區(qū)頂板有微微彎曲的變化，在采空區(qū)前后煤壁也存在向采空區(qū)凸起的變化；當(dāng)工作面推進(jìn)至40m時(shí)，采空區(qū)頂板開始垮落，同時(shí)有裂隙及離層裂隙發(fā)育；當(dāng)工作面推進(jìn)至60m時(shí)，采空區(qū)隨采隨垮，之前垮落的部分逐漸被壓實(shí)，其裂隙隨工作面推進(jìn)向前發(fā)育；當(dāng)工作面分別推進(jìn)至80m時(shí)，采空區(qū)上覆巖層垮落、裂隙發(fā)育情況與推進(jìn)至40m時(shí)相似。

3.3 采動(dòng)下覆巖應(yīng)力演化特征

無(wú)水力條件下覆巖應(yīng)力演化規(guī)律如圖10所示，由圖可知：隨著工作面開挖20m、40m、60m、80m時(shí)，在水平方向上(工作面回采方向)呈現(xiàn)出上覆巖層和下伏巖層應(yīng)力較高的現(xiàn)象，且隨著推進(jìn)的繼續(xù)，其應(yīng)力集中隨著之往深部擴(kuò)散；在縱向方向上(覆巖垮落方向)的應(yīng)力變化則是兩種情況：第一個(gè)是隨工作面推進(jìn)距離較短時(shí)，采空區(qū)前后出現(xiàn)應(yīng)力集中，采空區(qū)上下出現(xiàn)卸壓情況；另一個(gè)則是當(dāng)工作面推進(jìn)距離較長(zhǎng)時(shí)，采空區(qū)上覆巖層垮落后矸石受力壓實(shí)，其中出現(xiàn)有應(yīng)力由小增大的現(xiàn)象，而采空區(qū)前后端依然處于卸壓狀態(tài)。這是由于隨著開采距離的增加，覆巖頂板懸露長(zhǎng)度到達(dá)一定跨度后，在自重及覆巖層載荷的作用力下發(fā)生規(guī)律的性破斷和垮落，采空區(qū)后方逐漸被壓實(shí)，頂板上方出現(xiàn)的離層與裂隙在重力作用下逐漸閉合，應(yīng)力發(fā)生傳遞，原先卸壓區(qū)部分應(yīng)力恢復(fù)或超過原有應(yīng)力狀態(tài)。應(yīng)力分布隨著覆巖周期性垮落出現(xiàn)周期性分布狀態(tài)，應(yīng)力卸壓區(qū)影響的高度及深度與基本頂斷裂后無(wú)明顯變化，隨著工作面的推進(jìn)，卸壓區(qū)域呈拱形逐步前移即為采動(dòng)應(yīng)力拱形成、演化和分布的過程。

從整體上來(lái)說(shuō)，水力條件下覆巖應(yīng)力演化規(guī)律與無(wú)水力條件下覆巖應(yīng)力演化規(guī)律大致相同，如圖11所示，由于受制于上覆巖層內(nèi)采空區(qū)積水的影響，工作面回采至相同位置時(shí)無(wú)水力條件下的覆巖應(yīng)力峰值大于水力條件下的覆巖應(yīng)力峰值，但當(dāng)工作面分別推進(jìn)至20m、40m、60m位置處時(shí)水力條件下覆巖垮落應(yīng)力峰值分別增大了1.3倍、1.12倍，而無(wú)水力條件下覆巖垮落應(yīng)力峰值分別增大了1.04倍、1.2倍，因此表明覆巖垮落過程中受到水力條件的影響其來(lái)壓強(qiáng)度大大增加，故此時(shí)應(yīng)加大工作面覆巖支護(hù)強(qiáng)度。

4 結(jié) 論

1)沙曲一號(hào)煤礦2#煤層優(yōu)先開采，由于生產(chǎn)用水及地質(zhì)巖溶裂隙水的原因，2#煤層工作面采空區(qū)內(nèi)匯聚著大量積水，而3+4#煤層的回采會(huì)對(duì)上覆巖層進(jìn)行二次卸壓而導(dǎo)致上覆2#煤層采空區(qū)內(nèi)積水沿著卸壓通道積聚在3+4#煤層頂板內(nèi)，造成了3+4#回采時(shí)覆巖破斷垮落規(guī)律、來(lái)壓強(qiáng)度、來(lái)壓步距等特征參數(shù)有別于不受采空區(qū)積水影響的工作面。

2)由相似模擬實(shí)驗(yàn)得出，無(wú)論上覆巖層內(nèi)是否有積水的存在，其覆巖垮落形式變化不大，其裂隙也均從初始形成、逐步發(fā)育、裂隙加密和不斷擴(kuò)展的演化過程，并在采動(dòng)裂隙形成、發(fā)育、擴(kuò)展的循環(huán)過程中上覆巖層形成了不同的裂隙分區(qū)和瓦斯流動(dòng)通道，但受制于上覆巖層內(nèi)采空區(qū)積水的存在，其覆巖初次來(lái)壓步距相較于無(wú)水力條件的影響的覆巖初次來(lái)壓步距減小10m，其周期來(lái)壓步距減小3m。

3)基于數(shù)字散斑系統(tǒng)分析覆巖運(yùn)動(dòng)特征可知當(dāng)覆巖中積著少量水時(shí)，受工作面采動(dòng)影響下其覆巖垮落較為劇烈，覆巖位移量也相對(duì)較大，且隨著工作面持續(xù)推進(jìn)，由于其覆巖垮落存在一定高度，覆巖位移會(huì)持續(xù)增大至一個(gè)終值后會(huì)保持平緩。

4)覆巖垮落過程中由于受到水力條件的影響，其來(lái)壓強(qiáng)度大大增加，因此在對(duì)工作面覆巖進(jìn)行支護(hù)時(shí)應(yīng)加大支護(hù)強(qiáng)度或增加支護(hù)密度。