不同結(jié)構(gòu)頂板垮落帶及采空區(qū)孔隙率分布規(guī)律研究

王康健

（淮南礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232001）

0 引言

隨著工作面不斷推進(jìn)，根據(jù)覆巖采動破壞程度，從開采煤層的頂板開始，由下而上大致可劃分為三個不同的破壞影響帶：垮落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶。多數(shù)情況下，垮落帶是由直接頂垮落后形成的。隨著煤層的開采，其直接頂在自重力的作用下，發(fā)生法向彎曲并產(chǎn)生斷裂，進(jìn)而破碎成大小不一的巖塊垮落，無規(guī)則地堆積在采空區(qū)內(nèi)［1］。

工作面采場頂板穩(wěn)定性是保障煤炭資源安全、高效開采的關(guān)鍵因素。近年來，頂板失穩(wěn)事故造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡［2］。煤層形成過程中，由于沉積環(huán)境的改變可導(dǎo)致煤層出現(xiàn)分岔現(xiàn)象，當(dāng)開采近距離分岔煤層時，上部煤層的開采會致使下部煤層頂板嚴(yán)重破碎，導(dǎo)致下部煤層頂板成為采空區(qū)垮落帶，其破碎頂板易超前漏冒，煤壁易片幫，圍巖控制困難，難以實現(xiàn)工作面安全高效開采。為保證生產(chǎn)安全，提高煤炭產(chǎn)量，國內(nèi)眾多學(xué)者針對垮落帶開展了大量研究［3-4］。常見的研究方法包括理論公式法、相似模擬試驗法、數(shù)值模擬等［5-7］。其中，Zhang等［8］、韓青青等［9］采用數(shù)值模擬等方法，研究了垮落帶的形成、發(fā)育高度和壓實特性，分析了現(xiàn)有研究方法和成果的適用性與可靠性，確定了未來研究的重點(diǎn)領(lǐng)域；Cheng 等［10］建立了一系列數(shù)值模型來描述垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶的巖層移動，在影響函數(shù)法和力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，提出了斷裂帶和彎曲下沉帶地層沉降計算模型和垮落帶地層垮落發(fā)展分析模型；查文華等［11］采用數(shù)值模擬等方法計算分岔煤層上分層底板破壞深度，提出井下注漿治理破碎頂板方案；翟曉榮等［12］基于數(shù)值模擬方法，開展了上覆煤層采空區(qū)空隙及滲透性研究，間接計算了不同位置空隙率及滲透系數(shù)大小，得出空隙率及滲透系數(shù)，總結(jié)了空隙率及滲透系數(shù)空間分布規(guī)律；劉志高等［13］以具體采區(qū)為例，通過UDEC 數(shù)值模擬等手段分析了傾斜煤層工作面開采后上覆巖層移動變形規(guī)律，確定了該工作面垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶臨界高度位置。上述學(xué)者運(yùn)用不同軟件，建立數(shù)值模型，選取不同參數(shù)，分析垮落帶的發(fā)育規(guī)律，為煤炭安全開采提供了有力的支撐。

但是，針對不同結(jié)構(gòu)的頂板垮落帶發(fā)育特征的研究還較少，為系統(tǒng)分析孔隙率分布規(guī)律和垮落帶發(fā)育特征，本研究基于FLAC3D軟件對單、雙煤層垮落帶和孔隙率分布規(guī)律進(jìn)行分析。

1 模型的建立、邊界條件及參數(shù)選擇

該模擬通過FLAC3D軟件分析各類煤層頂板覆巖結(jié)構(gòu)對采空區(qū)垮落帶及孔隙率的影響，通過對比這些模型數(shù)值模擬的結(jié)果，找出在相同的地質(zhì)條件下，不同巖體結(jié)構(gòu)下的頂板垮落帶規(guī)律及采空區(qū)孔隙率分布規(guī)律，以便能夠更好地對比分析巖體結(jié)構(gòu)的控制作用。

由于煤層頂板覆巖結(jié)構(gòu)有所差異，為使模型更貼合實際，在實地調(diào)研基礎(chǔ)上，結(jié)合頂板巖石的各項指標(biāo)，共建立了兩大類頂板，具體情況見表1。

表1 煤層頂板巖體結(jié)構(gòu)分類

由于巖體及其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，該模擬作了如下假設(shè)：①巖土層在巖組內(nèi)為均勻各向同性連續(xù)介質(zhì)；②原始應(yīng)力場定為自重應(yīng)力場；③嚴(yán)格按照設(shè)計開采順序進(jìn)行開挖；④模擬巖層中結(jié)構(gòu)面的巖石力學(xué)性質(zhì)基本相似；⑤選取Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則，并且均不考慮塑性流動（不考慮剪脹）。

模型計算區(qū)域擬定的模型幾何參數(shù)如下：①模型參數(shù)的長×高＝300 m×184 m；②頂板覆巖厚度為120 m；③工作面采用一次推進(jìn)，推進(jìn)距離為100 m。

目前，模型邊界條件為底部邊界采用全約束邊界條件；模型上部邊界采用自由邊界條件；前后左右邊界條件采用x、y方向固定，z方向自由的邊界條件。模型深度范圍以上的直接頂上的巖層作為外載荷施加于模型的上邊界。按照每100 m 產(chǎn)生2.5 MPa 壓應(yīng)力計算，該模型上部邊界施加應(yīng)力大小為10 MPa。

根據(jù)巖石單軸抗壓強(qiáng)度和主要巖性、巖相，建立不同頂板結(jié)構(gòu)的一般模型，并根據(jù)各項指標(biāo)取其平均值作為該模擬的參數(shù)，具體情況見表2。

表2 計算模型中巖體物理力學(xué)參數(shù)

為使模型與實際地質(zhì)情況一致，在直接頂巖層中設(shè)立接觸面，為接觸面賦予一定的巖石力學(xué)參數(shù)，模擬現(xiàn)實情況下的層與層之間的結(jié)構(gòu)面。本次模型中每種情況均建立10 個接觸面。接觸面巖石力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 計算模型中接觸面巖石力學(xué)參數(shù)

2 不同頂板結(jié)構(gòu)垮落帶規(guī)律

2.1 硬巖頂板型覆巖垮落帶規(guī)律

將煤層直接頂板設(shè)置為硬巖，頂板垮落下沉量云圖和覆巖垮落帶情況如圖1和圖2所示。由于頂板巖性較硬，故頂板與上部巖層發(fā)生部分離層，但尚未完全垮落，此時頂板最大沉降高度近3 m，垮落帶發(fā)育高度為8~14 m，其最大高度出現(xiàn)在采空區(qū)的兩端。因頂板硬巖強(qiáng)度相對較高，故垮落帶區(qū)域并不連續(xù)，僅有采空區(qū)上方2 m 厚度的硬巖巖層受采動影響發(fā)生完全垮落，其上的巖層均呈現(xiàn)為部分垮落。

圖1 硬巖頂板垮落下沉量云圖

圖2 硬巖頂板型覆巖垮落情況

2.2 軟巖頂板型覆巖垮落帶規(guī)律

將煤層直接頂板設(shè)置為軟巖，頂板垮落下沉量云圖和覆巖垮落帶情況如圖3和圖4所示。由于頂板巖性較為軟弱，故此時頂板與上部巖層發(fā)生離層，完全垮落；頂板最大沉降高度近4 m，垮落帶發(fā)育高度為4~24 m。由圖3 和圖4 可知，垮落帶區(qū)域連續(xù)且完整，采空區(qū)上方6 m 內(nèi)的巖層基本完全垮落，而在采空區(qū)兩端處由于上部巖層受采動影響較小，因此出現(xiàn)局部垮落現(xiàn)象。

圖3 軟巖垮落下沉量云圖

圖4 軟巖頂板型覆巖垮落情況

2.3 上硬下軟頂板型覆巖垮落帶規(guī)律

將煤層直接頂板設(shè)置為上部硬巖，下部軟巖，覆巖垮落帶情況如圖5 所示。由圖5 可知，此時頂板垮落帶整體高度較為一致，介于8~14 m 之間，由于下部巖層自身強(qiáng)度較低，且受采動影響較大，因此采空區(qū)上方8 m 內(nèi)的軟巖層基本全部發(fā)生垮落。而上部巖層由于其自身強(qiáng)度較高，同時受采動影響較小，則完全沒有發(fā)生垮落。

圖5 上硬下軟頂板型覆巖垮落情況

2.4 上軟下硬頂板型覆巖垮落帶規(guī)律

將煤層直接頂板設(shè)置為上部軟巖，下部硬巖，覆巖垮落帶情況如圖6 所示。由圖6 可知，此時頂板垮落帶高度為8~24 m，采空區(qū)中部垮落帶高度顯著小于兩端。由于緊鄰采空區(qū)的頂板下部強(qiáng)度較大，因此垮落帶區(qū)域并不連續(xù)，僅有采空區(qū)上方2 m內(nèi)的硬質(zhì)巖層完全發(fā)生垮落。

圖6 上軟下硬頂板型覆巖垮落情況

3 不同頂板結(jié)構(gòu)空隙率分布規(guī)律

孔隙率是表達(dá)巖石內(nèi)部孔隙裂隙發(fā)育情況的重要參數(shù)，也是影響多孔介質(zhì)內(nèi)流體傳輸性能的重要參數(shù)。在研究孔隙率時忽略巖石內(nèi)部裂隙的影響，假設(shè)在應(yīng)力作用下，垮落的巖石不發(fā)生變形，孔隙率的變化則完全被認(rèn)為由垮落巖塊間不規(guī)則堆積造成的孔洞變化所引起?？紫堵视霉娇杀硎緸槭剑?）。

式中：n為采空區(qū)的孔隙率；V0為所研究巖層的原巖體積；V為所研究巖層垮落后的體積。

煤層覆巖各巖層厚度及強(qiáng)度具有差異性，因此采空區(qū)內(nèi)在同一點(diǎn)的不同方向上，孔隙率一般是不同的，為簡化研究問題，本研究將采空區(qū)孔隙率視為各向同性，以采空區(qū)豎直方向孔隙率為研究對象，設(shè)煤層底板位置為z=0，根據(jù)巖層距煤層底板距離與下沉量，可得到垮落后單元巖塊采空區(qū)中的位置。各交界面位置表示為式（2）。

式中：hn為垮落巖層各交界面與煤層底板距離；Hn為原巖巖層各交界面高度；f(x，y)n為三維空間巖層各交界面下沉量。

忽略巖石自身膨脹造成的體積增大作用，根據(jù)模型中各巖層厚度定義及各巖層下沉量，可計算得出采場垮落區(qū)域內(nèi)孔隙率表達(dá)式為式（3）。

式中：n為孔隙率；hn+1為垮落巖層上交界面高度；hn為垮落巖層下交界面高度；Mn為巖層原巖厚度。

結(jié)合不同交界面高度與巖層厚度，分段表示上覆巖層垮落下沉后的孔隙率分布。當(dāng)三維空間中的某點(diǎn)位于交界面n與交界面n1間時，該點(diǎn)孔隙率為式（3）的計算結(jié)果。

結(jié)合上一節(jié)的數(shù)值模型，經(jīng)計算可以得出四種情況下的垮落帶孔隙率分布規(guī)律。不同結(jié)構(gòu)頂板垮落帶孔隙率分布情況如圖7 所示。由圖7 可知，四種結(jié)構(gòu)頂板垮落帶的孔隙率整體分布趨勢基本相同，均呈現(xiàn)為“平底鍋狀”；且采空區(qū)四壁對應(yīng)位置處的孔隙率較大，中部對應(yīng)孔隙率較小；越靠近邊緣部位，孔隙率增長越明顯；孔隙率最小值均為0.1左右。

圖7 不同頂板垮落帶孔隙率分布

由圖7（a）和圖7（d）可知，硬巖型頂板垮落帶與上軟下硬型頂板垮落帶的最大孔隙率均為0.6左右；而又由圖7（b）和圖7（c）可知，上硬下軟型頂板垮落帶最大孔隙率約為0.8，軟巖型頂板垮落帶最大孔隙率為1.0 左右，均明顯大于前兩者。分析以上現(xiàn)象可以得出，頂板巖層質(zhì)地越硬，垮落帶最大孔隙率越??；頂板巖層質(zhì)地越軟，垮落帶最大孔隙率越大。

4 結(jié)論

運(yùn)用數(shù)值模擬的手段，設(shè)計了四種典型煤層頂板覆巖結(jié)構(gòu)（均質(zhì)軟巖、均質(zhì)硬巖、下軟上硬及上軟下硬），并模擬計算出了不同覆巖結(jié)構(gòu)下的垮落帶形成特征及孔隙率的分布規(guī)律，為后續(xù)注漿加固頂板工程注漿量的計算等提供技術(shù)支撐。

①四種情況下的垮落帶發(fā)育形狀均呈“圓拱形”，四周低，向中部平緩過渡。軟巖和上硬下軟型頂板破壞情況和垮落帶發(fā)育形式規(guī)律基本相同，硬巖和上軟下硬型頂板破壞情況和垮落帶發(fā)育形式規(guī)律基本相同，這是因為下部的硬巖發(fā)揮了“強(qiáng)硬層”的作用。

②從以上四種頂板類型下采空區(qū)巖層頂板下沉量分析得出，采空區(qū)各類型巖層頂板下沉量分布呈“碗形”，四周因煤巖柱的支撐作用，下沉量較小，隨著工作面的推進(jìn)，越靠近采空區(qū)中部，巖層承受支承壓力，因此產(chǎn)生的位移也就越大，所以在采空區(qū)中部下沉量達(dá)到最大。

③四種情況下的采空區(qū)垮落帶孔隙率分布特征基本一致，分布規(guī)律上，采空區(qū)四壁孔隙率值較大，中部孔隙率值較小，且從四壁向中間變化較快。

④在四種頂板結(jié)構(gòu)下，孔隙率最大值均在采空區(qū)四壁。由采空區(qū)向里，孔隙率變小且變化幅度較大，分析得出，頂板巖層質(zhì)地越硬，垮落帶最大孔隙率越??；頂板巖層質(zhì)地越軟，垮落帶最大孔隙率越大。