巨厚松散層下軟弱覆巖破壞規(guī)律

張廣超，陶廣哲，孟祥軍，李 友，曲 治，緒瑞華，于善昌，陳 淼，周廣磊，欒恒杰

(1.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東能源集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250014；3.臨沂礦業(yè)集團(tuán)菏澤煤電有限公司 郭屯煤礦，山東 菏澤 274000)

我國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量豐富且具有明顯的區(qū)域性分布特點(diǎn)，其中華東地區(qū)是我國(guó)重要的煤炭能源產(chǎn)地。隨著淺部沖積層下煤炭資源幾近枯竭，華東地區(qū)大多數(shù)礦井正在開(kāi)采第四系巨厚松散層條件下的煤炭資源，且第四系松散含水層以非膠結(jié)沙土、砂礫為骨架直接賦存在煤系基巖頂部[1-3]。在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，由于松散層厚度大、基巖巖性軟弱的特殊地層條件，覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其破壞趨于復(fù)雜，若覆巖破壞貫穿松散層底部含水層層位，極易造成突水潰砂事故，對(duì)井下人身及財(cái)產(chǎn)安全造成威脅[4-5]。因此，對(duì)巨厚松散層軟弱巖層條件下的覆巖破壞規(guī)律及破壞高度開(kāi)展深入系統(tǒng)的研究具有刻不容緩的必要性。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在覆巖破壞規(guī)律及其發(fā)育高度方面進(jìn)行了大量有益探索。如：來(lái)興平等[6]通過(guò)物理相似模擬實(shí)驗(yàn)揭示了支架阻力與裂隙導(dǎo)水位置、導(dǎo)水量之間的關(guān)系；許家林等[7]提出了利用關(guān)鍵層位置預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂隙帶高度的方法，并通過(guò)相似模擬實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)進(jìn)行了驗(yàn)證；郭文兵等[8]分析了影響覆巖破壞充分采動(dòng)的關(guān)鍵因素，提出了高強(qiáng)度長(zhǎng)壁開(kāi)采條件下覆巖破壞充分采動(dòng)的判據(jù)；周宏偉等[9]通過(guò)相似模擬實(shí)驗(yàn)研究了長(zhǎng)壁工作面推進(jìn)過(guò)程中覆巖采動(dòng)裂隙分布演化規(guī)律；黃萬(wàn)朋等[10]基于覆巖裂隙與巖層拉伸變形量的關(guān)系，提出采用巖層拉伸變形率來(lái)表征巖層中裂隙的大小及分布規(guī)律；張玉軍等[11]發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度綜放開(kāi)采條件下采動(dòng)覆巖裂隙發(fā)育形態(tài)以高角度為主，裂隙數(shù)量隨埋深呈二次方增大的發(fā)育規(guī)律；譚毅等[12]采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬的研究方法，得到了非充分采動(dòng)條件下淺埋堅(jiān)硬頂板破壞高度隨采寬變化規(guī)律；楊達(dá)明等[13]采用鉆孔注水漏失量觀測(cè)與鉆孔電視的方法分析了厚煤層軟弱覆巖綜放開(kāi)采條件下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律。

上述研究成果為覆巖破壞規(guī)律及高度計(jì)算研究奠定了基礎(chǔ)，但是由于煤礦生產(chǎn)地質(zhì)條件的復(fù)雜性，覆巖破壞規(guī)律受開(kāi)采厚度、開(kāi)采深度、煤層傾角、覆巖巖性、工作面尺寸、松散層厚度與開(kāi)采方法等諸多因素的影響，且單一因素對(duì)覆巖破壞規(guī)律的影響作用及程度不同。巨野礦區(qū)位于山東省西南部，該煤田松散層平均厚度600 m以上、煤層平均厚度5.8～9.9 m不等、基巖厚度40～450 m不等，加之大采高工藝的應(yīng)用，諸多影響因素使得覆巖破壞規(guī)律呈現(xiàn)新的特征，當(dāng)前對(duì)該類復(fù)雜地質(zhì)生產(chǎn)條件下覆巖破壞規(guī)律的研究相對(duì)較少。

巨野礦區(qū)郭屯煤礦3301工作面為典型的巨厚松散層軟弱巖層大采高工作面，筆者基于3301工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件，采用理論分析、數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等研究手段對(duì)巨厚松散層下軟弱覆巖破壞力學(xué)機(jī)制進(jìn)行研究，揭示松散層厚度及開(kāi)采高度對(duì)覆巖破壞規(guī)律的影響機(jī)制，本研究對(duì)類似地質(zhì)條件下的煤炭安全高效開(kāi)采具有重要指導(dǎo)意義。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

郭屯煤礦位于巨野煤田中北部的鄆城縣境內(nèi)，地理坐標(biāo)東經(jīng)115.83°～116.00°，北緯35.45°～35.58°。井田南北長(zhǎng)約16 km，東西寬約14 km，井田面積222.1 km2。礦井核定生產(chǎn)能力240萬(wàn)t/a，服務(wù)年限52.4 a。郭屯井田為全隱蔽的華北型石炭二疊系煤田，煤系以中、下奧陶統(tǒng)為基底，沉積了石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組和下石盒子組及上統(tǒng)上石盒子組，基巖巖性以泥巖、砂巖為主，其上被新生界第三系和第四系松散層所覆蓋。其中，第四系與新近系地層統(tǒng)稱為松散層，主要由黏土質(zhì)砂、黃色黏土、棕色細(xì)砂與灰綠色厚層黏土組成[14-15]。據(jù)山東煤炭地質(zhì)工程勘察研究院的《郭屯井田勘探(精查)地質(zhì)報(bào)告》：通過(guò)對(duì)巖性、測(cè)井曲線、古地磁、微體古生物化石資料的對(duì)照驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，新近系巖性、固結(jié)程度與第四系差異不大，宏觀上表現(xiàn)為不易區(qū)別。

1.2 水文條件

根據(jù)松散層巖土類型及富水特性可將其分為3個(gè)含水層和2個(gè)隔水層，其中第四系上部主要為中、細(xì)砂，砂層較為松散，是其主要含水層(一含)，富水性中等；下部為隔水性能良好的灰綠、棕黃黏土(一隔)，不整合于新近系地層之上。新近系地層上部主要由中、細(xì)砂層與雜色黏土、砂質(zhì)黏土相間沉積而成，為其主要含水層(二含)，富水性中等；中部為棕色、灰綠色厚層黏土和砂質(zhì)黏土(二隔)、富含蒙脫石礦物，隔水性能良好，平均厚度為151.8 m；下部為直接覆蓋于風(fēng)化基巖地層之上的第三含水層(又稱“底含”)，平均厚度為43.5 m，富水性弱～中等、基巖與第三含水層不整合接觸，無(wú)黏土隔水層，三采區(qū)含(隔)水層情況如圖1所示。

圖1 三采區(qū)含(隔)水層情況Fig.1 Characteristics of aquifer and impermeable layer of mining section No.3

1.3 開(kāi)采條件

3301工作面為三采區(qū)首采工作面，采用綜合機(jī)械化一次采全高采煤工藝，全部垮落法管理頂板，基本支架型號(hào)為ZY13000/28/63D，共111架，立柱缸徑為420 mm/305 mm(一級(jí)缸缸徑/二級(jí)缸缸徑)，安全閥調(diào)定壓力46.9 MPa，泵站壓力為31.5 MPa。當(dāng)前主采3號(hào)煤層，煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層平均厚度約為6.0 m。煤層傾角3.1°～7.9°，平均5.5°。3301工作面松散層最小厚度485.4 m，最大厚度650.2 m，平均550 m；基巖厚度自開(kāi)切眼位置開(kāi)始逐漸增大，最小厚度35.5 m，最大厚度110.4 m，基巖多為軟弱的泥巖、泥砂巖。3301工作面采用“三八”制生產(chǎn)，兩班采煤，每班進(jìn)5～6刀，日推進(jìn)度8.65～10.38 m。

綜上可知，3301工作面具有埋深大、松散層厚、含水層多、基巖厚度變化大、開(kāi)采高度大的特點(diǎn)，諸多因素共同作用使得工作面覆巖破壞規(guī)律極為復(fù)雜。因此，結(jié)合三采區(qū)基巖分布范圍、厚度及含水層富水性，開(kāi)展覆巖破壞規(guī)律研究對(duì)煤炭安全開(kāi)采極具必要性和緊迫性。

2 巨厚松散層軟弱覆巖破壞演化分析

2.1 巨厚松散層軟弱覆巖破壞聯(lián)動(dòng)演化

在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，上覆巖層發(fā)生移動(dòng)、變形和破壞，并隨著工作面推進(jìn)距離的增加，覆巖破壞向上發(fā)育，并引起一系列采場(chǎng)、地表動(dòng)態(tài)響應(yīng)[2]。在巨厚松散層軟弱覆巖條件下進(jìn)行煤炭開(kāi)采時(shí)，由于軟弱基巖和厚松散層雙層介質(zhì)影響及兩者聯(lián)動(dòng)作用，覆巖結(jié)構(gòu)演化明顯區(qū)別于常規(guī)工作面，具有自身特殊性。

由于基巖軟弱、抗壓強(qiáng)度低且抗變形能力強(qiáng)，煤層開(kāi)采后軟弱覆巖隨采隨冒，自下而上逐層發(fā)生破裂，同時(shí)考慮到軟弱覆巖垮落后較強(qiáng)的碎脹特性，愈往上巖層塑性破壞范圍愈小，直至發(fā)育至松散層與基巖交界處，形成近似梯形破壞形態(tài)[8]。整體而言，基巖破壞表現(xiàn)為軟弱巖層塑性破裂特征，即使基巖中存在厚度較大、強(qiáng)度稍高的關(guān)鍵層時(shí)，由于其上覆松散層產(chǎn)生的高垂直靜載作用，關(guān)鍵層更易發(fā)生破斷，且破斷步距較小、形成的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，關(guān)鍵層承載作用不明顯，進(jìn)而使得大部分載荷轉(zhuǎn)移到了采場(chǎng)支架上，表現(xiàn)出支架壓力大、來(lái)壓不明顯的礦壓現(xiàn)象[15-17]。

與基巖力學(xué)特性不同，松散層屬于松散介質(zhì)，其抗拉、抗剪及抗彎能力都很低，當(dāng)基巖塑性破裂發(fā)展至交界面時(shí)，下部松散層在采空區(qū)邊緣發(fā)生滑移破壞，并誘發(fā)上部近地表松散層發(fā)生拉裂破壞并向下拓展；隨著滑移破壞和拉裂破壞的發(fā)展和積累，中部松散層受到的剪切應(yīng)力逐漸達(dá)到極限而發(fā)生剪切破壞。由于隨著埋深的增加，松散層壓實(shí)程度逐漸提高，松散層的黏聚力和內(nèi)摩擦角亦隨之逐漸增大[18]，松散層極易沿著與水平面成(45°+φ/2)(φ為松散層內(nèi)摩擦角)夾角發(fā)生滑移-拉剪-剪切破壞，最終形成類倒梯形破壞形態(tài)(圖2，θ1,θ2分別為開(kāi)切眼上方、工作面上方覆巖破斷角)?；谒缮犹厥獾牧W(xué)性質(zhì)及運(yùn)移機(jī)制，巨厚松散層下開(kāi)采呈現(xiàn)出了移動(dòng)變形初始期時(shí)間短、啟動(dòng)距小、下沉速度快、下沉系數(shù)大、下沉影響范圍大的特點(diǎn)[19]。

圖2 厚松散層軟弱巖層下覆巖破壞形態(tài)特征[8，18]Fig.2 Failure shape of weak overburden stratumunderlying extra-thick alluvium[8,18]

在實(shí)際工程條件下，基巖、松散層及兩者聯(lián)動(dòng)演化一直處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中，且受到巖層組合、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、水砂作用及開(kāi)采布局等諸多因素的影響，極為復(fù)雜。筆者將其聯(lián)動(dòng)演化過(guò)程描述為：① 煤層開(kāi)采前，巨厚松散層自重產(chǎn)生的高靜載全部作用在基巖上，處于靜力平衡狀態(tài)；② 隨著工作面推進(jìn)，靜力平衡被打破，在上覆松散層高靜載作用下，軟弱基巖自下而上發(fā)生塑性破裂，直至基巖與松散層的分界面，并引起上覆松散層的同步協(xié)調(diào)沉降；③ 松散層發(fā)生沉降后形成倒梯形破壞形態(tài)，由于松散層自身性質(zhì)無(wú)法形成穩(wěn)定承載結(jié)構(gòu)，其運(yùn)移區(qū)域內(nèi)的大范圍介質(zhì)仍將以載荷形式作用在基巖上，從而進(jìn)一步加劇了軟弱基巖破壞程度與速度；④ 軟弱基巖的加劇破壞，反過(guò)來(lái)又致使松散層進(jìn)一步沉降運(yùn)移，倒梯形破壞區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，直至達(dá)到新的平衡狀態(tài)。綜上運(yùn)移過(guò)程可知，巨厚松散層引起的高靜載是軟弱覆巖破壞的根本動(dòng)力，而松散層與軟弱基巖的特殊力學(xué)特性及兩者聯(lián)合演化是造成采場(chǎng)壓力大、來(lái)壓特征不顯著及地表下沉系數(shù)大、影響范圍大的根本原因。

2.2 考慮軟弱巖層塑性破裂的覆巖破壞高度計(jì)算

基于上述軟弱巖層塑性破裂特征，在工程中可采用水平拉伸應(yīng)變作為軟弱巖層能否發(fā)生破裂的評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)于泥巖、砂質(zhì)泥巖等軟弱巖層，其極限拉伸變形值為1～2 mm/m[20]。若軟弱巖層最大拉伸應(yīng)變值大于極限變形值，則軟弱巖層發(fā)生塑性破裂；反之，軟弱巖層不會(huì)發(fā)生塑性破裂。

根據(jù)文獻(xiàn)[21-22]可知，軟弱巖層最大水平拉伸應(yīng)變?chǔ)舖ax表達(dá)式為

(1)

式中，q為上覆巖層載荷；l為軟弱巖層破斷距；E為巖層彈性模量；h為巖層厚度。

由材料力學(xué)理論可知，應(yīng)變可通過(guò)撓度來(lái)分析，從而式(1)中的最大水平拉伸應(yīng)變可采用撓度表達(dá)形式：

(2)

式中，wmax為軟弱巖層彎曲撓度；I為慣性矩，I=lh3/12。

考慮到巖層破裂碎脹性，得到軟弱巖層下方自由空間高度表達(dá)式：

(3)

式中，Δn為第n層下方自由空間高度；M為煤層高度；kpi為第i層巖層碎脹系數(shù)；hi為第i層巖層厚度。

在實(shí)際工程中，可通過(guò)軟弱巖層最大撓度值wmax與其下部自由空間高度Δn的關(guān)系判斷覆巖破壞的發(fā)育情況。當(dāng)軟弱巖層下部自由空間高度Δn大于軟弱巖層最大撓度wmax時(shí)，軟弱巖層發(fā)生塑性破裂，即

(4)

由表1可知，3301工作面基巖厚度為98 m，共10個(gè)巖層；根據(jù)關(guān)鍵層理論計(jì)算可知，第7,11層的砂質(zhì)泥巖為關(guān)鍵層，但由于其破斷步距(分別為9，10.1 m)較小，形成的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，關(guān)鍵層承載作用不明顯，可根據(jù)判別式(4)得到覆巖破壞情況，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。3301工作面覆巖自下而上發(fā)生運(yùn)移破壞，直至第11層泥質(zhì)粉砂巖；對(duì)于第12層泥巖，其最大撓度為1.222 m，但由于其下自由空間高度為0，因而無(wú)法發(fā)生塑性破裂；第12層泥巖及其上松散層進(jìn)入彎曲下沉帶范圍。第12層泥巖距煤層頂板距離為71 m，因此，3301工作面覆巖破壞高度為71 m。

表1 3301工作面上覆巖層分布情況及其破斷判別結(jié)果

3 巨厚松散層下軟弱覆巖破壞規(guī)律模擬分析

為明晰巨厚松散層下軟弱覆巖破壞演化規(guī)律，采用3DEC數(shù)值軟件模擬分析工作面推進(jìn)過(guò)程覆巖破壞形態(tài)及裂隙發(fā)育特征，并著重揭示松散層厚度與開(kāi)采高度對(duì)覆巖破壞規(guī)律的影響機(jī)制。

3.1 數(shù)值模型建立與模擬方案

圖3 數(shù)值計(jì)算模型與裂隙識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)Fig.3 Numerical calculation model and fracture identification standard

巖層節(jié)理簡(jiǎn)化為水平與垂直節(jié)理，節(jié)理采用面接觸庫(kù)倫滑移模型，基于實(shí)驗(yàn)室力學(xué)實(shí)驗(yàn)獲取完整煤巖塊的力學(xué)參數(shù)，并采用廣義Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)各巖層參數(shù)進(jìn)行校核[24]，獲得的模型力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。模擬過(guò)程為：數(shù)值模型建立→初始地應(yīng)力計(jì)算平衡→3301工作面回采(工作面采高6 m，開(kāi)挖步距10 m)→開(kāi)挖計(jì)算平衡→直至工作面回采結(jié)束。根據(jù)地表沉陷實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，工作面推進(jìn)110～170 m時(shí)進(jìn)入地表變形活躍期，之后沉降速率趨于平緩，工作面推采距離大于350 m后基本達(dá)到穩(wěn)沉；據(jù)此，兼顧計(jì)算效率及模擬主要目的[13,25]，本文模擬工作面推進(jìn)長(zhǎng)度為180 m，雖然無(wú)法達(dá)到實(shí)際工程條件下工作面充分采動(dòng)，但能夠反映軟弱覆巖破壞的主要過(guò)程和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

表2 煤巖體及節(jié)理力學(xué)參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1 軟弱覆巖破壞形態(tài)特征

圖4為工作面推進(jìn)不同步距時(shí)覆巖運(yùn)動(dòng)演化特征。由圖4可知，當(dāng)工作面推進(jìn)20 m時(shí)，由于泥巖、泥砂巖抗拉強(qiáng)度低，煤層開(kāi)采后直接頂開(kāi)始發(fā)生垮落，覆巖破壞高度約為6.5 m；當(dāng)工作面推進(jìn)40 m時(shí)，2 m泥巖、4.5 m泥砂巖與7 m泥巖全部垮落充填采空區(qū)，垮落帶高度為13.5 m，此時(shí)裂隙自下而上向泥質(zhì)粉砂巖頂部迅速發(fā)育拓展；當(dāng)工作面推進(jìn)60 m時(shí)，泥質(zhì)粉砂巖發(fā)生塑性變形，下方部分巖層開(kāi)始脫離母體充填采空區(qū)，此時(shí)垮落帶高度增長(zhǎng)至15 m左右，裂隙繼續(xù)向上迅速拓展，裂隙帶高度約為13 m；此后，隨著工作面進(jìn)一步推進(jìn)，泥質(zhì)粉砂巖發(fā)生破斷下沉運(yùn)動(dòng)，致使泥質(zhì)粉砂巖及其上部巖層內(nèi)裂隙迅速發(fā)育；當(dāng)工作面推進(jìn)80 m和100 m時(shí)，覆巖破壞高度分別發(fā)育至40 m和58 m；當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)至120 m時(shí)，覆巖運(yùn)動(dòng)開(kāi)始趨于平緩，裂隙發(fā)育速度亦隨之趨于平緩，覆巖破壞高度約為70 m；工作面推進(jìn)140 m時(shí)，覆巖運(yùn)動(dòng)趨于穩(wěn)定，覆巖破壞高度發(fā)育至泥巖(厚度17 m)內(nèi)部，最終覆巖破壞發(fā)育高度穩(wěn)定在75 m。由圖4還可發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)覆巖破裂發(fā)展過(guò)程中，由于覆巖風(fēng)化嚴(yán)重，強(qiáng)度低，隨采隨冒落，關(guān)鍵層(泥質(zhì)粉砂巖)破斷步距小，覆巖整體表現(xiàn)為自下而上的整體塑性破裂，初次來(lái)壓和周期來(lái)壓均不明顯。

圖4 不同推進(jìn)距離下覆巖破壞演化過(guò)程Fig.4 Evolution process of overburden strata failure characteristics at various retreating

3.2.2 軟弱覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律分析

已有研究表明[26]，巖層破斷運(yùn)移過(guò)程中將產(chǎn)生大量裂隙，可采用巖層內(nèi)裂隙發(fā)育情況描述覆巖破壞高度發(fā)育情況。在本文模擬過(guò)程中，通過(guò)fish語(yǔ)言遍歷模型的全部節(jié)理接觸，動(dòng)態(tài)識(shí)別每個(gè)節(jié)理接觸的狀態(tài)，若接觸出現(xiàn)滑移、拉伸破壞，則表明接觸出現(xiàn)斷裂(圖3)，即覆巖出現(xiàn)了裂隙[27]。圖5為獲得的覆巖內(nèi)裂隙數(shù)量變化曲線。

圖5 覆巖裂隙數(shù)量變化曲線Fig.5 Variation curve of overburden stratum cracks

由圖5可知，覆巖裂隙發(fā)育過(guò)程可劃分為3個(gè)階段：緩慢增長(zhǎng)階段、快速增長(zhǎng)階段與穩(wěn)定平衡階段，其與頂板巖層運(yùn)動(dòng)過(guò)程密切相關(guān)。隨著工作面由開(kāi)切眼位置開(kāi)始逐步推進(jìn)，煤層上方巖層(2 m泥巖、4.5 m泥砂巖、7 m泥巖)由下至上依次逐層垮落，垮落高度逐漸增大，裂隙數(shù)量逐漸增長(zhǎng)；工作面推進(jìn)20～40 m時(shí)，由于泥質(zhì)粉砂巖強(qiáng)度相對(duì)偏大，未能立即發(fā)生大范圍塑性破裂，延緩了裂隙的增長(zhǎng)，此階段裂隙數(shù)量呈緩慢增長(zhǎng)狀態(tài)；當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)40～120 m時(shí)，隨著推進(jìn)距離增加，泥質(zhì)粉砂巖最大水平拉伸應(yīng)變逐漸達(dá)到塑性變形極限而開(kāi)始發(fā)生破裂，泥質(zhì)粉砂巖連同其上覆軟弱巖層共同發(fā)生塑性破裂，且推進(jìn)距離越大，軟弱巖層運(yùn)動(dòng)范圍越大，此階段裂隙數(shù)量呈快速增長(zhǎng)狀態(tài)；當(dāng)工作面推進(jìn)120 m后，覆巖裂隙增長(zhǎng)數(shù)量逐漸趨于穩(wěn)定；工作面達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)，新生裂隙與閉合裂隙數(shù)量逐漸達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，裂隙數(shù)量最終穩(wěn)定在19 000條左右，此時(shí)覆巖破壞高度達(dá)到最大值。

3.2.3 軟弱覆巖破壞高度分析

結(jié)合覆巖運(yùn)動(dòng)形態(tài)及裂隙數(shù)量演化特征，確定3301工作面覆巖破壞高度動(dòng)態(tài)變化，如圖6所示。

由圖6可知，覆巖破壞高度呈先緩慢增加后快速增長(zhǎng)并最終趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，最終確定覆巖破壞高度為75 m，其中覆巖破壞高度(Hf)與推進(jìn)距離(x)的關(guān)系可采用slogisticl回歸函數(shù)關(guān)系表征，擬合函數(shù)為

(5)

圖6 不同開(kāi)挖步距下覆巖破壞規(guī)律Fig.6 Development law of weak overburdenstratum with different excavation distance

3.3 采高對(duì)覆巖破壞高度的影響機(jī)制分析

圖7為不同采高條件下采場(chǎng)覆巖破壞高度發(fā)育變化規(guī)律。由圖7可知，覆巖破壞高度隨采高的增加而增加，當(dāng)采高為2，3，4，5，6 m時(shí)，覆巖破壞高度分別為41，47，57，68，75 m。這是由于在各軟弱巖層厚度及力學(xué)性質(zhì)一致條件下，開(kāi)采高度h的增加使得覆巖中各軟弱巖層下部自由空間高度Δn增加，軟弱巖層更容易達(dá)到破裂力學(xué)條件，最終使得軟弱巖層破裂高度隨之增加。采用不同類型函數(shù)對(duì)覆巖破壞高度(Hf)與采高(h)關(guān)系進(jìn)行擬合，通過(guò)對(duì)比相關(guān)性系數(shù)，最終確定覆巖破壞高度(Hf)與采高(h)成線性增長(zhǎng)關(guān)系，其關(guān)系式為

Hf=9.1h+21.4，R2=0.989

(6)

圖7 不同采高下覆巖破壞規(guī)律Fig.7 Development law of overburden stratum at various mining heights

3.4 松散層厚度對(duì)覆巖破壞規(guī)律的影響機(jī)制分析

圖8為不同松散層厚度作用下采場(chǎng)覆巖破壞高度發(fā)育規(guī)律。由圖8可知，覆巖破壞高度整體變化呈“S”型曲線變化趨勢(shì)，依次經(jīng)歷緩慢增長(zhǎng)、快速增長(zhǎng)與趨于平緩3個(gè)階段。

圖8 不同松散層厚度下覆巖破壞高度規(guī)律Fig.8 Development failure law of overburden stratum at various alluvium thickness

當(dāng)松散層厚度較小時(shí)，松散層載荷作用不明顯，覆巖破壞高度增長(zhǎng)較為緩慢；隨著松散層厚度增加，作用于基巖上方的載荷逐漸增大，加劇了軟弱基巖破壞的速度與程度，覆巖破壞高度迅速增加；但當(dāng)松散層厚度到一定程度后，松散層載荷對(duì)軟弱基巖具有一定壓密作用，進(jìn)而導(dǎo)致覆巖破壞高度趨于平緩。采用不同類型函數(shù)對(duì)覆巖破壞高度(Hf)與松散層厚度(hs)關(guān)系進(jìn)行擬合，通過(guò)對(duì)比相關(guān)性系數(shù)，最終確定覆巖破壞高度(Hf)與松散層厚度(hs)成指數(shù)型增長(zhǎng)關(guān)系，其表達(dá)關(guān)系式為

(7)

4 巨厚松散層下軟弱覆巖破壞高度實(shí)測(cè)分析

4.1 探測(cè)方法與設(shè)備

確定覆巖破壞高度的方法主要有地面鉆孔沖洗液漏失量法、井下仰孔分段注水觀測(cè)法與物探法[28]。其中，地面鉆孔沖洗液漏失量法工作量大，而物探法利用巖層電阻率變化判斷覆巖破壞高度，易受地質(zhì)因素影響，誤差較大且結(jié)果解釋具有難度，因此，筆者選用井下仰孔分段注水觀測(cè)法進(jìn)行3301工作面覆巖破壞高度的探測(cè)。

井下仰孔分段注水觀測(cè)法通過(guò)導(dǎo)高觀測(cè)儀觀測(cè)覆巖破壞高度，相比其他方法，具有工程量小、成本低與精度高等優(yōu)點(diǎn)。導(dǎo)高觀測(cè)儀由雙端堵水器、起脹管路、注水管路、起脹控制臺(tái)與注水控制臺(tái)組成，其中雙端堵水器由兩個(gè)起脹氣囊和注水探管構(gòu)成[29]。觀測(cè)時(shí)，先將雙端堵水器送至預(yù)定位置；通過(guò)起脹控制臺(tái)，對(duì)雙端堵水器的2個(gè)膠囊注氣加壓，使之處于膨脹狀態(tài)并與圍巖緊密接觸，完成孔段封堵；最后操作注水控制臺(tái)對(duì)分隔出的鉆孔進(jìn)行帶壓注水，持續(xù)觀測(cè)鉆孔內(nèi)的注水漏失量，進(jìn)而確定該段巖層的裂隙發(fā)育情況。

4.2 探測(cè)方案設(shè)計(jì)

觀測(cè)過(guò)程中，在工作面回采前，向工作面上方布置一個(gè)仰斜采前鉆孔(CQ1)，用于探測(cè)工作面采前原生裂隙發(fā)育情況；工作面開(kāi)采并達(dá)到充分采動(dòng)后，再次布置仰斜采后鉆孔(CH1，CH2)，用于探測(cè)工作面采后裂隙發(fā)育情況。

根據(jù)3301工作面實(shí)際開(kāi)采狀況，具體探測(cè)方案如圖9所示。由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)時(shí)3301工作面近于推采結(jié)束，不具備采前觀測(cè)條件，故將采前孔CQ1布置在與3301工作面地質(zhì)條件相似的3303工作面上方巖層內(nèi)。采前鉆孔(CQ1)與采后鉆孔(CH1，CH2)均在同一鉆場(chǎng)內(nèi)施工，探測(cè)鉆場(chǎng)位于3303工作面軌道巷，考慮到巖性、推采速度、開(kāi)采高度等因素，探測(cè)工作應(yīng)在3301工作面回采結(jié)束后60～120 d內(nèi)進(jìn)行。

圖9 觀測(cè)鉆孔布置平、剖面Fig.9 Layout plane and section of observation boreholes

在現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)過(guò)程中，采用上行觀測(cè)方法，根據(jù)表1計(jì)算軟弱覆巖破裂范圍，確定鉆孔施工參數(shù)見(jiàn)表3。

探測(cè)鉆孔仰角為53°，鉆孔深度設(shè)計(jì)為105 m，鉆孔直徑94 mm，由此可觀測(cè)到頂板最大垂直高度83.85 m、最大水平距離63 m內(nèi)的裂隙狀況，同時(shí)可避開(kāi)垮落帶垮落巖石的影響。

在實(shí)際觀測(cè)過(guò)程中，自鉆孔深度46 m(垂深36.7 m)開(kāi)始進(jìn)行注水漏失量觀測(cè)，雙端堵水膠囊起脹壓力為0.5～0.6 MPa，桿內(nèi)注水壓力為0.1 MPa，封堵段長(zhǎng)度為1 m，井下探測(cè)如圖10所示。鉆孔注水觀測(cè)順序?yàn)镃H2→CQ1→CH1，在實(shí)際鉆孔過(guò)程中，CH2，CQ1鉆孔觀測(cè)過(guò)程較為順利，能夠有效反映覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律，但CH1鉆孔過(guò)程中出現(xiàn)嚴(yán)重塌孔、卡鉆等問(wèn)題，后嘗試在附近區(qū)域進(jìn)行鉆孔觀測(cè)，多次嘗試仍不成功，因而，筆者僅采用CQ1，CH2鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4.3 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

將CQ1與CH2鉆孔分段注水漏失量數(shù)據(jù)及巖層柱狀圖繪制到圖中，分析注水漏失量變化規(guī)律，最終確定覆巖破壞高度，圖11是鉆孔注水漏失量分布統(tǒng)計(jì)圖及變化曲線。

由圖11(a)可知，工作面覆巖未受到開(kāi)采擾動(dòng)時(shí)，CQ1采前孔注水漏失量總體保持穩(wěn)定，漏失量為1.0～4.1 L/min，平均值1.7 L/min。根據(jù)注水漏失量變化情況，CQ1孔存在注水漏失量大小不一的現(xiàn)象，其中在70～81 m孔段內(nèi)(巖性為泥質(zhì)粉砂巖)注水漏失量相比其他孔段較大，平均值約為3.1 L/min，這是由于該范圍內(nèi)主要為泥質(zhì)膠結(jié)的粉砂巖巖層，相對(duì)于泥巖、泥砂巖，其強(qiáng)度偏大、原生裂隙較為發(fā)育，彌合性較差，因而漏失量較大?？傮w來(lái)看，頂板巖層僅存在少量裂隙，裂隙整體不發(fā)育，原巖結(jié)構(gòu)較為完整。

圖11 鉆孔注水漏失量統(tǒng)計(jì)變化Fig.11 Statistical of water injection leakage in borehole

由圖11(b)可知，沿孔深方向各測(cè)段漏失量存在明顯的分區(qū)現(xiàn)象，即I區(qū)和II區(qū)。其中I區(qū)對(duì)應(yīng)孔深46～98 m，該區(qū)域所測(cè)得孔段注水漏失量均較大，為8.5～21.8 L/min，平均值為17.5 L/min，明顯高于采前孔CQ1注水漏失量，局部孔段正常封堵后孔口淋水大，說(shuō)明此區(qū)域各孔段圍巖裂隙較發(fā)育，且在一定范圍內(nèi)裂隙相互貫通，由此可以判定I區(qū)屬于覆巖破壞區(qū)；Ⅱ區(qū)對(duì)應(yīng)孔深98～105 m，此區(qū)域各孔段漏失量相比于Ⅰ區(qū)明顯減小，范圍為1.6～5.2 L/min，平均值為2.6 L/min，與該孔段CQ1鉆孔漏失量基本相同，說(shuō)明此區(qū)域各孔段圍巖無(wú)裂隙或存在較少原生裂隙，覆巖已進(jìn)入彎曲下沉帶。

圖11(c)為回采前后鉆孔漏失量變化曲線。由圖11(c)可知，工作面回采前，由于覆巖未受到采動(dòng)影響，裂隙不發(fā)育，CQ1鉆孔注水漏失量較小，平均約為1.7 L/min；工作面回采后，上覆軟弱巖層受到采動(dòng)影響，巖層開(kāi)始運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生大量裂隙，CH2鉆孔注水漏失量大幅度增加，平均約為15.7 L/min，漏失量增長(zhǎng)比為9.2。由圖11(c)還可發(fā)現(xiàn)，CH2孔段65～70 m內(nèi)鉆孔漏失量明顯低于其他孔段，這是由于孔段范圍內(nèi)主要為風(fēng)氧化帶泥巖，其性質(zhì)較為軟弱，裂隙彌合速度較快，能夠有效抑制裂隙發(fā)育。鉆孔深度78 m之外仍有厚度較大的泥巖、泥砂巖存在，但實(shí)測(cè)漏失量較小。這是由于：① 在覆巖運(yùn)移過(guò)程中，由于下部已垮落覆巖的充填作用，覆巖層位越高，其自由運(yùn)動(dòng)空間越小，裂隙發(fā)育越緩和；② 風(fēng)氧化帶泥巖、泥砂巖內(nèi)黏土礦物含量高，浸水泥化程度較高，滲透能力差，呈現(xiàn)出較強(qiáng)的隔水性能，具有阻止和抑制裂隙發(fā)展。上述2個(gè)因素共同作用，使得78 m以上泥巖和泥砂巖裂隙發(fā)育減少，不能貫穿形成導(dǎo)水裂隙帶。

綜上分析可知，3301工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)覆巖破壞發(fā)育至泥巖巖層內(nèi)，高度為78 m，與理論分析、數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果基本一致。

5 工作面開(kāi)采實(shí)踐

5.1 工作面涌水量實(shí)測(cè)分析

由地質(zhì)水文資料可知，3301工作面開(kāi)采主要受到風(fēng)氧化帶基巖含水層、新近系松散孔隙承壓水(三含)的影響，其他含水層距離煤層較遠(yuǎn)，不會(huì)對(duì)工作面造成影響。

3煤層風(fēng)氧化帶基巖含水層，位于煤層上方35.7～47.2 m，單位涌水量0.014 1 L/(s·m)，位于覆巖破壞高度之內(nèi)，是3301工作面涌水的主要來(lái)源?？紤]到該含水層富水性弱且無(wú)供給，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)采取超前疏放水措施，取得了較好的疏放效果，未對(duì)工作面開(kāi)采造成影響。

新近系下段含水層(三含)，位于煤層上方82.6～89.9 m，單位涌水量0.131 7 L/(s·m)，弱-中等富水，屬于松散孔隙承壓水；自開(kāi)切眼45 m范圍內(nèi)，上覆基巖較薄，可能導(dǎo)通該承壓含水層，誘發(fā)突水、潰沙災(zāi)害性事故。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，3301工作面初采階段加強(qiáng)疏放水強(qiáng)度，延長(zhǎng)疏放水時(shí)間，最大限度疏降含水層厚度，同時(shí)將工作面采高降低至4.0 m，從而消除了突水潰砂發(fā)生的動(dòng)力源和路徑，有效保障了初采階段的生產(chǎn)安全。

自2018年10月回采至2020年9月回采結(jié)束，3301工作面最大涌水量為10 m3/h，最小涌水量為6 m3/h，涌水量整體較小且變化不大，見(jiàn)表4；在基巖較薄區(qū)域，未見(jiàn)流沙涌出。由此表明，3301工作面涌水主要來(lái)自頂板砂巖水、未引起新近系下段含水層突水，即覆巖破壞高度位于兩含水層之間(<82.6)，證實(shí)了本文分析結(jié)論的正確性。

表4 3301工作面頂板涌水量統(tǒng)計(jì)

5.2 工作面礦壓規(guī)律分析

3301工作面推進(jìn)過(guò)程中，對(duì)液壓支架工作阻力開(kāi)展了實(shí)測(cè)工作，監(jiān)測(cè)日期為2019-06-02—2019-12-23，采用YHY.60型壓力分站進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在3301工作面推采期間，液壓支架一直保持較高的工作阻力，平均工作阻力為11 766 kN/架，為額定工作阻力的90.51%，支架工作阻力一直處于較高狀態(tài)，工作阻力變化范圍相對(duì)不大。上述礦壓顯現(xiàn)的原因在于，基巖軟弱、強(qiáng)度低且上覆松散層載荷高，造成覆巖關(guān)鍵層破斷步距小，來(lái)壓顯現(xiàn)程度不突出；加之關(guān)鍵層破斷形成的結(jié)構(gòu)承載能力差，絕大部分載荷全部作用到支架上，造成了液壓支架壓力較大?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)礦壓數(shù)據(jù)及礦壓規(guī)律與數(shù)值分析結(jié)果較為符合，側(cè)面反映了數(shù)值模擬效果的準(zhǔn)確性。

6 結(jié) 論

(1)闡明了巨厚松散層下軟弱覆巖破壞演化力學(xué)過(guò)程，明確了巨厚松散層、軟弱基巖及兩者聯(lián)動(dòng)演化對(duì)覆巖破壞的綜合影響機(jī)制，并考慮軟弱巖層塑性破裂特征，提出了基于極限拉伸應(yīng)變的軟弱覆巖破壞高度計(jì)算方法。

(2)巨厚松散層下軟弱覆巖破壞演化依次經(jīng)歷緩慢增長(zhǎng)階段、快速增長(zhǎng)階段與穩(wěn)定平衡階段，覆巖破壞高度與采高呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，與松散層厚度呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，基于回歸分析理論擬合出了相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

(3)井下仰孔分段注水觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)表明，試驗(yàn)工作面覆巖破壞高度為78 m，為采高的13倍，發(fā)育至彌合性較強(qiáng)的泥巖巖層內(nèi)，并基于工作面水害危險(xiǎn)性分析、涌水量規(guī)律及采場(chǎng)礦壓規(guī)律，對(duì)理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證分析。