厚松散層下開采覆巖及地表移動變形規(guī)律試驗(yàn)研究

夏筱紅, 魏宏濤,2, 楊偉峰, 徐洪遠(yuǎn), 張方正

(1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院, 徐州 221116; 2.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司, 天津 300222)

煤炭開采后將引起圍巖破碎垮落,變形失穩(wěn)而產(chǎn)生位移、開裂,直至上覆巖土層整體移動變形、彎曲下沉,采動過程將在空間上形成性質(zhì)復(fù)雜的采空區(qū),而在地表形成移動下沉盆地。中外專家從不同的研究角度,依據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行了采掘引起的地面沉降影響范圍及采空區(qū)上覆巖層移動變形規(guī)律的研究[1-4],學(xué)者們對采動覆巖與地表移動變形特征的研究主要集中于理論分析與計(jì)算、相似材料模型實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬和監(jiān)測等方面,方法較多,成果較為豐富[5-7]。通過干涉式合成孔徑雷達(dá)(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)時(shí)序處理Sentinel-1A影像技術(shù),王智純等[8]開展了新疆西準(zhǔn)噶爾沙吉海地區(qū)采空區(qū)地表形變時(shí)空特征研究。李學(xué)良[9]采用光纖-微震相結(jié)合的方法,對煤礦老采空區(qū)覆巖移動變形進(jìn)行了監(jiān)測研究,該實(shí)時(shí)監(jiān)測能夠滿足預(yù)期監(jiān)測目的。王曉蕾[10]等論述與分析了煤層開采地表沉陷監(jiān)測及預(yù)測過程與技術(shù)方法。

對地表移動變形特征與松散層厚度的關(guān)系也開展了很多研究[11-13]。厚松散層下采煤地表移動規(guī)律有其獨(dú)特性,基巖和松散層存在一定的耦合關(guān)系?；鶐r的厚薄、能否形成對上覆土層的結(jié)構(gòu)控制,都將影響著上覆巖土體結(jié)合程度和地表的移動變形特征[14]。許延春等[15]提出當(dāng)松散層很厚時(shí)應(yīng)按土層埋深和沉積年代分段劃分松散層移動角量。彭林軍等[16]通過對深部開采沉陷結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的研究,提出了盆地水平煤層地表沉陷的理論預(yù)測模型。彭世龍等[17]針對厚松散層薄基巖煤層開采建立了采動與底含疏降水共同作用下地表沉陷預(yù)計(jì)模型,探討了此條件開采地表沉陷特征及其主要影響因素。王永輝等[18]針對某煤礦巨厚松散層下開采沉陷問題,探索了地表變形規(guī)律和地下巖土體移動特征。上述成果豐富了礦山開采巖移理論,但對于特定條件的沉降變形區(qū)仍需開展有針對性的研究。

針對厚松散層下煤層開采覆巖及地表移動變形問題,以山東兗州礦區(qū)某煤礦的地質(zhì)條件為研究背景,采用相似材料模型試驗(yàn),研究采動過程中覆巖破壞規(guī)律,監(jiān)測地表及各層覆巖移動變形指標(biāo)的變化,探索采掘結(jié)束后的地表持續(xù)變形特征。研究成果不僅對礦區(qū)工程建設(shè)用地及線路規(guī)劃選址提供技術(shù)依據(jù),而且豐富了厚松散層這種特殊地質(zhì)條件下開采地表移動變形規(guī)律的理論研究。

1 研究區(qū)地質(zhì)條件

兗州礦區(qū)某煤礦,該區(qū)面積約2.2 km2,研究區(qū)煤系整體構(gòu)造形態(tài)為一傾向東的單斜構(gòu)造,地層有起伏形成寬緩的褶曲;井田內(nèi)的大、中型斷層多以正斷層形式產(chǎn)出,且具有多期活動特征。該煤礦二疊系下統(tǒng)山西組,屬于一套過渡相、陸相碎屑巖含煤沉積建造,主采3煤層厚度為7.9～9.2 m,平均8.5 m,傾角0°～15°,平均8°,為近水平煤層。煤系地層上覆第四系厚度182.2～196.2 m,屬于厚松散層,3層煤上覆基巖厚30～80 m。3煤區(qū)北部較為普遍的分布有厚薄不等的底黏土層,鉆孔揭露厚度3.24～6.80 m,南部則局部分布,底黏土的賦存起到了阻隔第四系松散層底部含水層與基巖風(fēng)化帶的水力聯(lián)系作用?；鶐r風(fēng)化帶巖性以細(xì)砂巖為主,發(fā)育垂直小裂隙,但多為泥質(zhì)充填,為弱含水層或微弱含水層基本干燥無水,開采過程中覆巖及地表移動變形時(shí)可忽略含水層突水造成的影響。

研究區(qū)煤礦3煤上覆巖層及土層可按其成因類型、巖性巖相、成層條件與厚度變化、結(jié)構(gòu)特征以及物理力學(xué)特征等組合,進(jìn)行工程地質(zhì)巖(土)層(組)的劃分,由此概化地質(zhì)原型,構(gòu)建地質(zhì)模型,為模型試驗(yàn)的材料配比與鋪設(shè)奠定基礎(chǔ)。

2 相似材料模型設(shè)計(jì)

2.1 模型設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)以研究區(qū)煤礦9301工作面作為原型,位于礦區(qū)北部,所采煤層為二疊系山西組3煤,工作面煤層采厚2.2 m,工作面走向約1 600 m,斜長200 m。依據(jù)相似理論及模型架尺寸,取幾何相似比Cl=200,時(shí)間相似比Ct=14.14,根據(jù)原型與模型的應(yīng)力比值,確定應(yīng)力相似比Cσ=334,根據(jù)前三者可得到密度相似比Cγ=1.67。

試驗(yàn)所采用的模型架400 cm(長)×30 cm(寬)×200 cm(高),根據(jù)模型設(shè)計(jì)尺寸調(diào)節(jié)其高度。模型設(shè)計(jì)采厚為1.1 cm,模型兩側(cè)各留設(shè)相應(yīng)煤巖柱,底板鋪設(shè)厚度為20 cm,模型總高137.25 cm。

2.2 相似材料選擇

模型試驗(yàn)的組成主要包括骨料和膠結(jié)物,本次試驗(yàn)以河砂作為主要材料,即骨料;石膏,碳酸鈣作為膠結(jié)物;除此之外,考慮到煤層埋深較大,且上覆巖土層包含厚松散層,故以質(zhì)量較輕的鋸末作為配料,用以模擬松散地層;另外,用云母粉及云母片起到分層的作用。依據(jù)礦區(qū)巖土樣物理力學(xué)指標(biāo)(表1),按前述相似比制作不同巖土層材料配比試樣,并進(jìn)行力學(xué)測試校核。

表1 巖土樣物理力學(xué)參數(shù)

2.3 監(jiān)測設(shè)計(jì)

采用百分表及布設(shè)監(jiān)測線的方式,共布設(shè)4層百分表,分別在地表以及距地表30、60、90 cm處,每層布設(shè)7個(gè),共計(jì)28個(gè)百分表,等間距布設(shè)(圖1);另外,在模型表面布設(shè)位移監(jiān)測點(diǎn),采用固定機(jī)位拍攝法,對開采過程中的位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測記錄,再通過計(jì)算機(jī)軟件對各測點(diǎn)進(jìn)行后處理。

圖1 模型位移測點(diǎn)布設(shè)圖Fig.1 Layout of model displacement measuring points

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 覆巖破壞高度及變化情況

模擬開采時(shí),對預(yù)先設(shè)置的煤層從左至右依次開挖,兩側(cè)留足尺邊界煤柱,每次開采5 cm,共開采40次,開采時(shí)間間隔3 h,開采總時(shí)間120 h。開采過程中覆巖變形破壞特征如圖2所示。

監(jiān)測開挖至模型穩(wěn)定覆巖變形破壞情況,可分4個(gè)階段,具體如下。

(1)初次垮落階段。當(dāng)煤層開采35 cm(相當(dāng)于實(shí)際開采70 m)時(shí),模型直接頂板泥巖出現(xiàn)初次垮落。在此之前,由于工作面推進(jìn)距離較短,未達(dá)到巖體破裂所需的臨界采寬,巖體未發(fā)生破壞。垮落后,巖體充填采空區(qū),巖體內(nèi)應(yīng)力達(dá)到新的平衡。

(2)垮落帶發(fā)育階段。隨著工作面的持續(xù)向前推進(jìn),直接頂板巖體不斷垮落,直至工作面開采結(jié)束。在模型向前推進(jìn)到70 cm時(shí)(對應(yīng)實(shí)際開采距離140 m),垮落帶升高到3.8 cm,此后垮落帶只在橫向上發(fā)展,其豎向垮落高度保持不變。

(3)裂隙帶發(fā)育階段。伴隨著垮落帶的發(fā)育,其上部形成懸空,當(dāng)懸空距離超過上覆砂巖破裂的臨界限度時(shí),砂巖面出現(xiàn)破斷,由于下伏垮落帶的支撐作用,在煤柱兩側(cè)出現(xiàn)折斷,形成類似鉸接的結(jié)構(gòu)。在工作面推進(jìn)至50 cm(對應(yīng)實(shí)際100 m)時(shí),裂隙帶初次出現(xiàn),并隨著工作面的推進(jìn)快速向上發(fā)育。當(dāng)推進(jìn)至90 cm(對應(yīng)實(shí)際180 m)裂隙帶發(fā)育至煤層上方18 cm(包含垮落帶)處,隨著采動的持續(xù)進(jìn)行,在橫向上持續(xù)擴(kuò)張。隨著下伏采空區(qū)面積擴(kuò)大,垮落巖體被上覆裂隙帶巖體逐步壓實(shí),而裂隙帶高度不再向上發(fā)育,裂隙帶與上覆巖層局部出現(xiàn)離層。

(4)覆巖移動變形階段。隨著采動距離增大,裂隙帶與上覆巖層產(chǎn)生的離層也在上覆巖層的彎曲變形中逐漸閉合。至工作面采長180 cm時(shí),采空區(qū)中部產(chǎn)生的離層基本閉合,僅剩局部橫向裂縫。在工作面開采結(jié)束后,并未對模型架進(jìn)行拆除,持續(xù)觀察覆巖(土)層在其自重作用下的緩慢變形發(fā)育。并對地表及覆巖移動變形繼續(xù)進(jìn)行觀測,直至變形穩(wěn)定,位移基本不再發(fā)生大的變化。

最終形成的垮落帶高度約為3.8 cm(相當(dāng)于實(shí)際7.6 m),裂隙帶高度約為14.2 cm(相當(dāng)于實(shí)際28.4 m)。經(jīng)計(jì)算,模型的垮采比為3.5,裂采比為12.9。

3.2 地表及覆巖移動變形規(guī)律

礦井工作面推進(jìn)到一定距離后,采空區(qū)所造成的巖移便波及地表,使工作面上方地表因采動而發(fā)生水平向及豎直向移動,形成范圍較工作面更大的下沉盆地。

通過在模型地表及各覆巖層設(shè)置位移測點(diǎn),架設(shè)百分表,對地表及覆巖移動變形進(jìn)行觀測。統(tǒng)計(jì)匯總移動變形數(shù)據(jù)并繪制成曲線(圖3、圖4),可較完整地呈現(xiàn)地表及覆巖(土)層在開采過程中的動態(tài)移動變形規(guī)律。

3.2.1 地表移動變形規(guī)律

經(jīng)測量結(jié)果反映出的采動過程中各階段地表的移動變形情況如圖3所示,由此地表移動變形規(guī)律如下。

(1)最大下沉值基本位于采空區(qū)中央,下沉曲線沿中央中線大體上呈對稱分布;且隨著工作面向前推進(jìn),采動距離的擴(kuò)大,下沉值呈快速增長,其地表下沉影響范圍也逐漸擴(kuò)大,最大下沉值也隨著工作面的推進(jìn)不斷沿著開采方向前移。水平移動曲線沿著采空區(qū)中央呈現(xiàn)反對稱,峰值基本處于礦柱上方地表處;且水平移動值的零點(diǎn)基本位于采空區(qū)中央?yún)^(qū)域,因采空區(qū)中央地表總體上只發(fā)生豎向的下沉,在水平方向移動量較小或不移動;隨著工作面的推進(jìn),水平移動值的零點(diǎn)也隨著工作面前移,左側(cè)峰值位置保持不變,僅隨著開采距離的增大而數(shù)值增加,右側(cè)的反向峰值位置及數(shù)值,隨著工作面推進(jìn)不斷增大且前移。

(2)根據(jù)測得的下沉值及水平移動值,通過傾斜和曲率變形的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算,獲得傾斜和曲率變形曲線[圖3(c)、圖3(d)]。由傾斜變形曲線知,地表的傾斜變形與水平移動曲線呈現(xiàn)類似規(guī)律,都表現(xiàn)為沿著采空區(qū)中央呈反對稱的趨勢,且右側(cè)反方向傾斜值隨著采動推進(jìn)增大前移。由圖3(d),地表曲率在推進(jìn)至100～300 m時(shí)出現(xiàn)3個(gè)峰值,分別為位于兩側(cè)煤柱上方的兩個(gè)正曲率峰值以及位于采空區(qū)中央的負(fù)曲率峰值;當(dāng)工作面推進(jìn)至400 m時(shí),曲線上仍是兩個(gè)正曲率峰值,分別位于兩側(cè)煤柱上方,而在負(fù)曲率部分,相較于前300 m開采,負(fù)曲率峰值有所減小,呈現(xiàn)波動狀態(tài)。

(3)隨著采動距離增大,地表盆地的影響范圍也在不斷擴(kuò)大,地表最大下沉值、水平移動值、傾斜變形、曲率變形也逐漸增大,影響較為集中,收斂較緩慢,邊界處下沉趨勢仍較平緩。

3.2.2 不同層位覆巖移動規(guī)律

通過對不同層位的移動變形觀測,獲得終采階段地表及覆巖層的移動變形曲線(圖4),由此探索覆巖和地表的變形規(guī)律。

(1)通過對不同推進(jìn)階段各層位的下沉曲線[圖4(a)、圖4(b)]分析知,豎向下沉值隨著覆巖深度的增大而增大,最大值均位于不同推進(jìn)階段的采空區(qū)中央附近,呈對稱分布;各階段下沉值在煤柱上方收斂較快,位于煤柱一側(cè)的下沉值隨著深度的增大而略有減小,主要由于采空區(qū)影響范圍類似于碗狀結(jié)構(gòu),隨著距地表深度的增大,該區(qū)域位于地表邊界點(diǎn)與采空區(qū)邊界的連線外側(cè),加之下方煤柱的支承作用,導(dǎo)致煤柱上方下沉值隨埋深增大而略有減小。隨著工作面的推進(jìn),地表及覆巖下沉值逐漸增大,且下沉曲線的形狀也由V字形變?yōu)轭愃芔形。

(2)由于存在厚松散層,可觀測到不同松散層厚度處的移動變形情況,由圖4(b)可知,隨著測線越靠近地表,松散層厚度越大,下沉曲線越平緩,且影響范圍越大。這一現(xiàn)象也反映出在煤層開采過程中上覆厚松散層呈倒梯形下沉。

(3)由傾斜變形曲線[圖4(c)]與水平移動曲線[圖4(e)]可知,不同埋深的水平移動曲線及傾斜變形曲線呈現(xiàn)相似的規(guī)律,兩者均沿著采空區(qū)中央呈反對稱,同時(shí)有一正一負(fù)兩個(gè)峰值,在采空區(qū)中央附近的水平移動值較小,貼近于零值線。不同層位的水平移動值的極值均位于采空區(qū)煤柱上方附近,且隨著深度的增加,移動值減小;由于基巖層移動角大于松散層移動角,加之該研究區(qū)松散層較厚,地表水平移動變形值最大值偏向煤柱邊界外側(cè),而地表下180 m處覆巖水平移動最大值偏向工作面上方。

(4)圖4(d)、圖4(f)為曲率變形及水平變形曲線,兩者趨勢大致相同,沿采空區(qū)中心軸線呈對稱分布,在煤柱上方出現(xiàn)最大值,隨著距地表深度的增大而增大,在采空區(qū)上方區(qū)域,兩者均回歸零值線附近,這是由于充分采動下地表及覆巖出現(xiàn)平底,故曲率及水平變形均在零值線上下徘徊。

通過對不同層位下沉值及水平移動值進(jìn)行統(tǒng)計(jì),綜合下沉曲線,通過式(1)、式(2),對此刻各層位的下沉系數(shù)及水平移動系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 不同埋深下下沉系數(shù)及水平移動系數(shù)Table 2 Subsidence coefficient and horizontal movement coefficient of different burial depths

(1)

(2)

式中:q為下沉系數(shù);W為下沉值;M為采厚;α為煤層傾角;b為水平移動系數(shù);U為水平移動值。

3.2.3 地表持續(xù)移動變形規(guī)律

停采后繼續(xù)通過百分表對地表下沉進(jìn)行觀測,持續(xù)觀測時(shí)間以地表下沉移動變形期結(jié)束、殘余變形期開始作為最終的觀測時(shí)間點(diǎn),即一般情況下以6個(gè)月內(nèi)下沉值不超過30 mm為界限或下沉速度v<0.167 mm/d。對停采后不同時(shí)間的百分表數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),繪制持續(xù)下沉曲線(圖5),從圖5可以看出,停采后地表仍產(chǎn)生較大下沉位移。在持續(xù)下沉階段,采空區(qū)中央附近下沉值較大,在邊界處由于煤柱的支撐作用,持續(xù)下沉仍有發(fā)生但相對較小,且左右兩側(cè)的持續(xù)下沉量并不完全對稱,右側(cè)區(qū)域的持續(xù)下沉量比左側(cè)區(qū)域略大,主要由于開切眼位于左側(cè),起始采動中,左側(cè)區(qū)域首先受到擾動,在后來的開采過程中已經(jīng)伴隨了持續(xù)下沉,故在停采后的持續(xù)觀測階段左側(cè)區(qū)域相較于右側(cè)區(qū)域下沉值偏小。最大下沉量接近基巖層位的下沉值,采掘后的地表持續(xù)下沉值更多來源于厚松散層受擾動后的層內(nèi)壓縮。

通過測點(diǎn)對地表水平移動分析,伴隨著地表下沉值的增大,水平移動值也緩慢增大,監(jiān)測得到地表移動變形參數(shù)如表3所示。

4 結(jié)論

依托研究區(qū)煤礦地質(zhì)原型,采用模型試驗(yàn),研究了厚松散層下煤層采動過程中地表及覆巖的移動變形規(guī)律。得出如下結(jié)論。

(1)通過對地表及不同埋深下地層的下沉及水平移動值對比,隨著埋深的增加,采空區(qū)中央?yún)^(qū)域的下沉值不斷增大,厚松散層在煤層開采過程中,隨著基巖頂板的垮落、彎曲,松散層呈現(xiàn)倒梯形下沉,隨著松散層厚度的增大,下沉曲線更加平緩、下沉值減小、影響范圍增大;水平移動值在煤柱上方隨著深度的增大而減小,距離頂板較近的層位水平移動最大值偏向工作面上方,而非煤柱正上方;下沉系數(shù)隨著埋深增大而增大,水平移動系數(shù)隨著埋深增大而減小。在煤層采厚2.2 m條件下,觀測獲得地表的最大下沉值為1 447.6 mm,最大水平移動值為394.6 mm。

(2)松散層的移動變形是基巖下沉與松散層壓縮疊加造成的,在采掘結(jié)束后的持續(xù)變形階段,松散層壓縮導(dǎo)致的移動變形值在整體移動變形上占比增大;基巖層的移動變形主要受煤層開采的影響,整體呈正梯形。厚松散層礦區(qū)的下沉盆地更加平緩,影響范圍更大,厚松散層的緩慢壓縮致使殘余下沉?xí)r間更長。

(3)對覆巖破壞規(guī)律進(jìn)行分析,可將覆巖破壞分為4個(gè)階段:初次垮落階段,垮落帶發(fā)育階段,裂隙帶發(fā)育階段,覆巖穩(wěn)定變形階段;觀測獲得垮落帶與裂隙帶高度分別為7.6 m和28.4 m,垮采比3.5,裂采比12.9。

(4)通過對開采后的模型持續(xù)觀測,地表的持續(xù)變形呈現(xiàn)出采空區(qū)中央附近持續(xù)下沉較大,水平移動值伴隨著厚松散層在自重作用下的壓縮不斷增大,但整體發(fā)育緩慢,監(jiān)測結(jié)果可獲得其移動變形基本指標(biāo)的量化值。