白國良,李樹志,高均海

(煤炭科學研究總院唐山研究院,河北唐山 063012)

老采動區(qū)覆巖裂隙發(fā)育特征及活化機理研究

白國良,李樹志,高均海

(煤炭科學研究總院唐山研究院,河北唐山 063012)

采用鉆孔勘探、鉆孔電視、地球物理測井、巖石力學測試等技術和方法對老采空區(qū)覆巖裂隙發(fā)育特征進行了研究。研究結果表明:老采空區(qū)彎曲帶巖層的整體性未遭破壞,表現(xiàn)為連續(xù)平緩的彎曲變形,局部有裂隙產生;裂縫帶巖層產生裂隙或斷裂發(fā)育,但尚未塌落;垮落帶巖層斷裂破碎塌落,有殘留空洞發(fā)育。對其中的 53條采動裂隙發(fā)育特征統(tǒng)計顯示,裂隙平均間距 1.08m,間距小于 2.0m的裂隙占統(tǒng)計數(shù)據(jù)的 85%,老采動區(qū)采動巖體裂隙以低角度裂隙為主,傾角小于 30°的裂隙占統(tǒng)計數(shù)據(jù)的 68%;煤炭開采引起的地下空洞、離層、裂隙和垮落帶的欠壓密、孔隙飽水等現(xiàn)象是老采動區(qū)活化的根本原因。

老采動區(qū);巖體裂隙;活化;結構失穩(wěn)

煤炭開采在許多老能源基地形成了大面積、大規(guī)模采動區(qū),據(jù)不完全統(tǒng)計,每采萬噸煤沉陷面積0.2hm2,在近 60年煤炭開采過程中形成采煤沉陷土地面積約 800000hm2。隨著城市建設的迅猛發(fā)展,理想的工程建設用地日趨緊張,一些工業(yè)與民用建筑、交通設施等擬建或穿越于采動區(qū)之上,如開灤、焦作、徐州、淮北等礦區(qū)都在采煤沉陷區(qū)上進行了工業(yè)園區(qū)建設,采煤沉陷區(qū)的建設利用成為解決我國采煤礦區(qū)建設用地“瓶頸”的有效途徑。

老采空區(qū)覆巖經過多年的自然風化、重力及地下水等因素的綜合作用下已趨于穩(wěn)定,但老采空區(qū)覆巖結構依然存在,在新增荷載作用下老采動區(qū)可能活化,對地表建 (構)筑物造成損害[1-2]。因此,掌握老采動區(qū)覆巖裂隙發(fā)育特征,分析其活化機理對于老采動區(qū)地基穩(wěn)定性評價及老采動區(qū)的開發(fā)建設具有現(xiàn)實意義。

以某老采動區(qū)探測工程為例,對老采空區(qū)覆巖裂隙發(fā)育特征進行了研究,并對老采區(qū)巖體結構活化機理進行了深入分析。

1 工程背景與測試方法

1.1 工程條件

工程區(qū)煤炭開采歷史久遠,采掘活動于 20世紀 80年代末結束。主要可采煤層為二疊系下統(tǒng)山西組的二1煤和石炭系上統(tǒng)太原組的一5煤。二1煤層開采深度 50～200m,煤層厚 0.36～11.73m,平均厚 5.36m;一5煤層開采深度 100～260m,煤層厚度 0.23～4.36m,平均厚 1.3m。

本區(qū)域主要為國有煤礦開采,其次為小煤窯開采,國有煤礦采用走向長壁式采煤方法,自然垮落處理頂板,厚煤層分層開采,一般 2.0～2.2 m為一分層;小煤窯開采國有煤礦殘留的煤柱,一般采用巷道式開采,自然垮落法處理頂板。

1.2 測試方法

采用鉆孔勘探、鉆孔電視、地球物理測井、巖石力學測試等技術和方法對老采空區(qū)覆巖裂隙發(fā)育特征進行了研究。共計布設鉆孔 37個,總進尺6583.3m;測井孔 10個,總測井 1974.80m;鉆孔電視 8個,總測井 1259.90m;巖石力學試樣測試138組。

2 老采動區(qū)覆巖裂隙場特征

綜合分析鉆孔電視孔壁圖像、物探測井資料、采掘工程平面圖及鉆探巖芯及泥漿消耗量、掉塊、掉鉆、卡鉆位置資料劃分三帶,并對其裂隙發(fā)育特征進行分析。

2.1 彎曲帶

彎曲帶的巖層在重力作用下,變形較小,所受應力尚未超過其本身強度,出現(xiàn)連續(xù)平緩的彎曲變形,局部有裂隙產生,此帶巖層的整體性未遭破壞,巖層彎曲帶和裂隙發(fā)育特征如圖 1所示。

圖1 巖層彎曲帶裂隙發(fā)育特征

2.2 裂縫帶

裂隙的巖層在重力作用下,移動變形較大,所受應力超過本身強度,巖層產生裂隙或斷裂,但尚未塌落。裂縫帶頂部一般巖層受力斷裂,巖石受力遭破壞,縱向裂隙發(fā)育,局部巖芯破碎。巖體受采動影響,巖石受力被垂向劈開,表現(xiàn)為巖芯垂向裂隙發(fā)育[3],從井下電視觀測到的巖石裂隙發(fā)育情況如圖2。

圖2 裂縫帶裂隙發(fā)育電視圖像

2.3 垮落帶

垮落帶巖層移動變形很大,所受應力大大超過本身強度,使巖層斷裂破碎塌落,堆積于采空區(qū)。地下開采形成的采出空間一部分被垮落覆巖所充填;另一部分則形成殘留空洞,其一般出現(xiàn)在短壁開采工作面上方,這是由于覆巖垮落塌陷不充分而形成,如房柱式、條帶開采形成的空洞就是覆巖垮落塌陷不充分所致;另外一部分出現(xiàn)在開采工作面邊界附近,在該部分由于覆巖具有一定的剛度,在采空區(qū)邊緣形成懸頂,從而使覆巖不垮落而形成空洞;再有一部分是在覆巖中存在的離層區(qū),由于上面巖體的剛度大于下方巖體的剛度,在巖層移動過程中出現(xiàn)離層,從而形成空洞。采空垮落帶頂部空洞特征見圖 3?？斩瓷喜繋r層還沒有垮落,存在殘余空洞,鉆探過程可能出現(xiàn)掉鉆、漏水等現(xiàn)象。

圖3 垮落帶裂隙發(fā)育特征

對其中的 53條采動裂隙進行了統(tǒng)計,裂隙發(fā)育特征如圖 4,圖 5所示。裂隙平均間距 1.08m,間距小于 2.0m的裂隙占統(tǒng)計數(shù)據(jù)的 85%,各統(tǒng)計段所占比例相當,其中裂隙間距在 1.0～2.0m所占比例略高于其他 2組數(shù)據(jù);老采空區(qū)采動巖體裂隙傾角平均 25.55°,以低角度裂隙為主,小于 30°傾角占統(tǒng)計數(shù)據(jù)的68%。

圖4 采動巖體裂隙分布規(guī)律

圖5 采動巖體裂隙傾角分布規(guī)律

3 老采動區(qū)活化機理

研究表明,不同的頂板處理方法老采空區(qū)地基穩(wěn)定性存在較大差異;同時老采空區(qū)及其覆巖中不同位置的巖體結構有較大差異,這種采動次生巖體結構的差異對老采空區(qū)覆巖活化規(guī)律有重要影響,其存在形式將決定老采空區(qū)覆巖活化的基本特點,直接影響老采空區(qū)的地基穩(wěn)定性[4-5]。

3.1 長壁開采后形成的采空區(qū)

地下煤層開采結束,經過一段時間后,地表沉陷逐漸減小,按開采沉陷理論,當連續(xù) 6個月內下沉值不超過 30mm時,可認為地表移動已穩(wěn)定,實際上地表仍會產生少量的殘余沉降。實測表明,地下開采結束以后雖然經過長時間的自然壓實,在開采引起的地下空洞、離層、裂隙和垮落帶的欠壓密、孔隙中飽水等現(xiàn)象仍長期存在,地表新增荷載、地震活動、鄰區(qū)開采、多煤層開采、強排地下水等,都可能打破原來的應力平衡狀態(tài),使老采空區(qū)活化[6]。

老采空區(qū)覆巖受力情況如圖 6所示?？迓鋷r體為散體和碎裂結構,存在較大的殘余碎脹系數(shù)和空隙率,在采空區(qū)邊緣存在未被垮落巖塊充分充填的空洞,煤壁上方頂板形成了一定的懸臂梁結構和砌體梁結構。裂隙帶巖體為塊裂結構,塊體間相互咬合、鉸接,形成一定的鉸接砌體巖梁半拱形結構和懸臂梁結構[7]。彎曲帶為較完整的層狀結構,為堅硬巖層和軟弱巖層交互沉積層,物性特征為法向非均質異性體,切向為均質各向同性體。表土層可視為覆巖載荷層,隨彎曲帶整體移動。

新增荷載作用下長壁開采老采空區(qū)活化存在如下2種形式:

(1)在地震活動、煤炭開采活動、地下水等因素的作用下,垮落帶巖體結構失穩(wěn),下部巖體結構的失穩(wěn)導致裂縫帶巖體結構失穩(wěn),彎曲帶巖體結構受力狀態(tài)發(fā)生改變,在地表新建建 (構)筑物及表土層荷載的作用下,當彎曲帶巖層結構滿足失穩(wěn)條件時,彎曲帶巖層結構失穩(wěn),地表產生較大的變形,地表建 (構)筑物受到開采沉陷損害影響。

(2)在地表新建建 (構)筑物及表土荷載層的作用下,彎曲帶內離層裂隙隙寬減小,巖體變形增加,在彎曲帶變形的影響下,裂縫帶巖體結構受力狀態(tài)發(fā)生改變,當受力狀態(tài)滿足裂隙巖體結構失穩(wěn)條件時,垮落帶及裂縫帶巖體結構失穩(wěn),下覆巖體結構的失穩(wěn)導致上覆巖體結構相繼失穩(wěn),地表產生較大的變形,地表建 (構)筑物受到開采沉陷損害影響。

3.2 非充分開采后形成的采空區(qū)

建國前開采的采空區(qū)、小煤窯開采的采空區(qū)、大多數(shù)急傾斜煤層開采的采空區(qū)等,均屬殘留煤柱較多的采空區(qū)。這種類型采空區(qū),在開采結束的最初若干年,甚至一二十年內地表沉降均較小,不能用地表移動穩(wěn)定的概念來衡量。隨著時間的推移,這些殘留的煤柱,在上覆巖層重力作用下產生蠕變并將逐步垮落,或在外在因素的影響下可能發(fā)生垮落,在這種情況下地表可能發(fā)生沉降,甚至可能發(fā)生突然性劇烈沉降,對地表建 (構)筑物造成嚴重損害[8]。

非充分開采后形成的采空區(qū),上覆巖層也可劃分為垮落帶、裂縫帶、彎曲帶。由于受采出范圍的限制,這三帶的發(fā)育程度常常不足,在地表也僅形成一個淺緩的下沉盆地。如果采出范圍較大,地表沉降也較大。這類型的采空區(qū),如果留下的未采煤柱尺寸不合理,煤柱不能長期支撐上履巖層;多數(shù)情況殘余沉降變形較大、且分布不規(guī)則、不連續(xù),甚至是突發(fā)的。沉降可能在開采后數(shù)十年或上百年突然發(fā)生,對地表建 (構)筑物的危害更大。

4 結論

(1)綜合鉆探、鉆孔電視、物探測井研究表明,老采動區(qū)彎曲帶表現(xiàn)為連續(xù)平緩的彎曲變形,局部有裂隙產生,巖層的整體性未遭破壞;裂縫帶巖層產生裂隙或斷裂發(fā)育,但尚未塌落;垮落帶巖層斷裂破碎塌落,堆積于采空區(qū),有殘留空洞。

(2)對其中的 53條采動裂隙發(fā)育特征統(tǒng)計表明,裂隙平均間距 1.08m,間距小于 2.0m的裂隙占統(tǒng)計數(shù)據(jù)的 85%;老采空區(qū)采動巖體裂隙以低角度裂隙為主,小于 30°傾角占統(tǒng)計數(shù)據(jù)的 68%。

(3)煤炭開采引起的地下空洞、離層、裂隙和垮落帶的欠壓密、孔隙中飽水等現(xiàn)象仍長期存在,在地表新增荷載、地震活動、煤炭開采、地下水等因素作用下,老采動區(qū)覆巖應力平衡狀態(tài)發(fā)生改變,巖體結構再次失穩(wěn)使老采動區(qū)活化。

[1]常 江 .老采空區(qū)上方建筑物地基穩(wěn)定性的研究 [J].西北礦業(yè)學院學報,1995,15(1):29-33.

[2]馬金榮,劉 輝,季 翔 .煤礦廢棄采空區(qū)建筑場地穩(wěn)定性研究 [J].建筑科學,2006,22(4):21-24.

[3]張玉軍,張華興,陳佩佩 .覆巖及采動巖體裂隙場分布特征的可視化探測 [J].煤炭學報,2008,33(11).

[4]許延春,耿德庸.采空區(qū)待建工程地基穩(wěn)定性分析評價 [J].勘察科學技術,1996(3):9-12.

[5]張俊英,王金莊 .采空區(qū)地表新建建筑地基穩(wěn)定性評價技術研究 [J].礦山測量,2003(9):28-30.

[6]張永波,孫雅潔,盧正偉,等 .老采空區(qū)建筑地基穩(wěn)定性評價理論與方法 [M].北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2006.

[7]侯忠杰 .對淺埋煤層“短砌體梁”、“臺階巖梁”結構與砌體梁理論的商榷 [J].煤炭學報,2008,33(11).

[8]郭廣禮,何國清,崔曙光 .部分開采老采空區(qū)覆巖穩(wěn)定性分析 [J].礦山壓力與頂板管理,2003(3):70-73.

[責任編輯:李宏艷]

Crack Development Characteristic of Rock Strata over Abandoned Gob and Its Activation M echan ism

BA I Guo-liang,L I Shu-zhi,GAO Jun-hai

(Tangshan Research Institute,China Coal Research Institute,Tangshan 063012,China)

This paper researched characteristic of crack in overlying strata over abandoned gob by borehole exploration,borehole TV, geophysicalwell logging,rock mechanics test,et al.Resultswas shown as follows.Rock in bending zone over abandoned gob was intact and took on continuous bending deformation with local cracks.Cracks developed in crack zone but rock didn’t cave.Rock parted and caved in caving zone.Statistics from 53 cracks induced by mining showed that average interval of the cracks was 1.08m and cracks whose interval less than 2.0m was 85%of total data.Cracks in overlying rock over abandoned gobweremostly s mall dip.Dip less than 30°was 68%of total data.Underground cave,parting,cracks induced by mining,under-consolidation and aqueous pore in caving zone were basic cause of abandoned gob activation.

abandoned gob;rock crack;activation;structure instability

TD325

A

1006-6225(2010)05-0011-03

2010-03-16

“十一五”國家科技支撐計劃重點資助項目 (2006BAC09B01);天地科技股份有限公司發(fā)展基金項目 (TZ-JJ-09-TS-2)

白國良 (1979-),男,黑龍江雙城人,工程師,博士,主要從事礦山地質環(huán)境與巖土工程方面的研究。