王素華,宋朝亮,劉 永

1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木學(xué)院,山東 泰安 271000

2.山東省德州市水利局,山東 德州 253000

覆巖離層注漿減沉技術(shù)是近十幾年來發(fā)展起來的開采沉陷控制的一種新方法。隨著覆巖離層注漿減沉技術(shù)的發(fā)展，有關(guān)上覆巖層移動和離層規(guī)律的研究也在不斷深入，但大多著眼于覆巖破壞和力學(xué)性質(zhì)[1-7]，對采動過程中離層的動態(tài)發(fā)育規(guī)律研究較少，特別是實驗研究更少。覆巖離層動態(tài)發(fā)育規(guī)律是注漿減沉方案的理論與設(shè)計基礎(chǔ)，也是研究水平的標志性成果之一。離層的形成是一個比較復(fù)雜的過程，正確掌握這一規(guī)律對合理進行離層帶注漿具有重要作用。通過覆巖離層規(guī)律的工程觀測實驗，可以獲得離層觀測資料，總結(jié)離層動態(tài)發(fā)育規(guī)律，從而為進一步推廣覆巖離層注漿減沉技術(shù)提供實踐基礎(chǔ)。本文根據(jù)唐山礦離層觀測實測資料對這一問題進行了探討。

1 覆巖離層動態(tài)發(fā)育規(guī)律實驗

1.1 工作面的地質(zhì)情況

唐山礦T2294 工作面位于礦井12-13 水平鐵二區(qū)二采區(qū)，屬8、9 合區(qū)煤層。工作面四鄰均未有采掘活動，其南鄰4070 丙、丁斜井，東南部為T2192 采空區(qū)。地面為陳莊糧庫、市物質(zhì)儲運公司、物質(zhì)采購站等。

工作面走向長度1195 m，傾斜長度144 m，煤層平均采厚10.3 m，煤層傾角140，煤層平均埋深約716 m，采用綜合機械化放頂煤開采，全陷式頂板管理，最高日進尺按3.0 m/d，日均進尺為2.0 m/d。頂?shù)装迩闆r：老頂為灰色細中砂巖，8.6 m，主要成份以石英長石為主，硅質(zhì)膠結(jié)。直接頂為深灰色粉砂巖，5.3 m，以粉砂質(zhì)為主。無偽頂。直接底為灰黑色泥巖，5.5 m，主要成份泥質(zhì)，富含植物根化石。老底為灰黑色粉砂巖，4.0 m，斷口參差狀，致密性脆。上覆巖層為中硬巖層，且軟硬相間。

1.2 觀測鉆孔的平面位置

為研究煤層開采后，覆巖離層的動態(tài)發(fā)育規(guī)律，在工作面布置了離層觀測鉆孔（圖1）。

1.3 測點在鉆孔中的布置

離層觀測層位的選擇，要根據(jù)煤層覆巖的巖層結(jié)構(gòu)和注漿層位。由觀測鉆孔的地層柱狀圖確定觀測的離層層位。根據(jù)觀測的需要和測點安裝的可能，設(shè)計共布置6 個離層觀測測點。其次要確定觀測巖層的垂向范圍，考慮到鐵二采區(qū)注漿層位一般在煤層頂板以上180～300 m 之間，所以離層觀測的巖層范圍也基本選擇在這個層位范圍，比這更寬一些，即煤層頂板向上180～350 m。離層觀測鉆孔處煤層的埋深為721 m，觀測巖層的深度是372～543 m。再就是測點的位置一定要考慮巖層的力學(xué)性質(zhì)，將測點布置在堅硬巖層中，測點固定可靠；布置在軟弱巖層中，則有可能因為巖層的破碎而無法固定。

根據(jù)巖層的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)，判斷巖層的離層層位，布置離層觀測測點，6 個測點的位置如表1，全部布置在較厚的堅硬巖層中。全部測點要在工作面距離鉆孔至少50 m 前就安裝完畢，以保證能及時觀測到初始數(shù)據(jù)。

表1 鉆孔內(nèi)測點位置表Table 1 Observed point's position in deep stratum

觀測方法是定期測量孔口至測點標志之間的距離及孔口標高，觀測頻率可以視工作面距孔口的距離而調(diào)整，一般在工作面沒過孔口時觀測1 次/d，工作面接近孔口時觀測3 次/d，工作面過孔口后觀測1 次/h。

2 覆巖離層動態(tài)發(fā)育規(guī)律

煤層開采后，采空區(qū)上方頂板巖層要發(fā)生垮落破壞，形成垮落帶；垮落帶上部巖層還將相繼發(fā)生斷裂和彎曲下沉，斷裂巖層仍保持原有層狀結(jié)構(gòu)，但巖層層面方向已喪失了結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)的連續(xù)性，隨著巖層變形的向上發(fā)展，下部碎脹巖石減少了上部巖層的下沉量。同時層面方向的變形范圍逐步擴展，減少了巖層的彎曲曲率，這樣，當巖層的斷裂破壞發(fā)育到一定高度，巖層就只發(fā)生彎曲下沉和離層；這一部位的各巖層雖然自身是連續(xù)的，但是由于下沉過程中層面都發(fā)生了離層，所以彼此之間層面已是非連續(xù)的，離層層面最終還會閉合，但存在一定的錯動，變形繼續(xù)向上發(fā)展，上部巖層就會以整體彎曲形式下沉?；鶐r之上的松散沖積層則隨下部基巖一同下沉。一般情況下，離層的發(fā)育程度與離層距煤層頂板的距離成反比，即越靠近頂板離層越發(fā)育，越遠離頂板離層越不發(fā)育。當上覆巖層中存在上硬下軟、剛度差別較大的巖層組時，最利于產(chǎn)生離層。

表2 為測點2、6 的下沉值和其下位離層量值，圖2 為觀測孔處的下沉速度曲線，圖3 為觀測孔口處及孔內(nèi)個測點的下沉移動曲線，圖4 為各觀測點間的離層曲線和在測點區(qū)段內(nèi)的總的離層曲線，其中圖中的離層1、2、3、4、5 分別為測點1、2，2、3，3、4，4、5，5、6 之間的離層量，總離層為測點所在區(qū)段內(nèi)的離層總量，圖5 為各測點活動頻率曲線。

表2 測點2、6 的下沉值及其下位離層量值Table 2 Values of subsidence and separated layer at No.2 and 6 observing points

圖2 觀測孔處的下沉速度曲線Fig.2 Subsidence velocity curve at the observation holes

圖3 孔口處及各測點的下沉曲線Fig.3 Subsidence curves at observation hole and measuring points

圖4 各觀測點間的離層曲線和在測點區(qū)段內(nèi)的總離層曲線Fig.4 Separation curves at every observation point and total separation curves in observation point section

圖5 各測點活動頻率曲線Fig.5 Activity frequency curves at every measuring point

實測資料表明，上覆巖層(垮落帶除外)在采動過程中都經(jīng)歷一個連續(xù)的動態(tài)下沉移動過程，而且離煤層頂板越遠，移動過程越連續(xù)，其移動曲線的形態(tài)與地表點的移動過程越接近；采動過程中，上覆巖層中會有離層產(chǎn)生，而且會同時有多個離層的存在，當巖層移動達到拐點即最大下沉速度時，離層迅速發(fā)育，離層量的大小主要與采深、工作面寬度和上覆巖層的巖性有關(guān)，在采寬和采深相同的條件下，剛度大的厚硬巖層下離層縫比較大且持續(xù)時間長，在非充分或者極非充分采動條件下，覆巖內(nèi)的離層會長期存在，注漿后可有效減輕或避免由于流變效應(yīng)或采區(qū)周圍采動影響引起的二次沉陷問題；通過對測點活動次數(shù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：工作面過鉆孔后活動明顯頻繁，特別是在過孔底52.5～141.2 m（0.08～0.20 H）之間最為活躍，可以據(jù)此合理安排注漿起始時間。

3 離層縫寬度的計算

為了提高注漿減沉效果，應(yīng)盡可能選擇離層縫寬度最大的離層作為注漿層位，所以離層縫寬度的計算就顯得尤為重要。同時，離層縫寬度的計算也是設(shè)計注漿量的依據(jù)。一般來說，在工作面推進過程中，上覆巖層的運動及破壞均可簡化為板或梁的形式，據(jù)T2294 工作面具體的地質(zhì)情況，其巖層的運動及破斷也可視為梁的受力情況，由于四周都未有采動，這里簡化為固支梁如圖6 所示。當離層發(fā)展到一定程度后，離層的下位巖層將受到下部巖體的支撐作用，這時可將其視為彈性地基梁。而上位巖層可視為固支梁，離層縫寬度即為二者的下沉量(即撓度)之差。在均布荷載q（q由巖層的自重和上覆軟弱夾層的重量形成)作用下，地基梁和地基的位移為y(x)，梁與地基之間的壓力為p(x)。根據(jù)溫克爾假設(shè)[7]，地基沉陷y與壓力p的關(guān)系為：p=ky(1)

式中k為地基本身的阻力系數(shù)，y為地基梁的下沉量。

圖6 巖梁力學(xué)結(jié)構(gòu)模型Fig.6 Mechanics model of stratum beam

3.1 彈性地基梁的下沉量計算

在圖6所示的坐標系中，對原點以右的半邊地基梁（x≥0）進行計算。從梁來看，撓度y與荷載q1、地基壓力p的關(guān)系為：

式中EIZ1為截面的抗彎剛度。代入?yún)?shù)可求得下述形式的積分方程：

由定性分析可知，當x→∞時，下沉,只有當C3=C4=0 時，這一條件得到滿足。因此上式應(yīng)為：

實際上，距開采邊界無窮遠(x→∞)點的下沉量應(yīng)該等于零，而計算值為回采前后在兩種情況之中受載和非受載巖層的下沉之差。因此，為了得到實際下沉量，應(yīng)從上式中減去，因此彈性地基梁的下沉曲線方程為：

所以彈性地基梁的下沉方程為：

利用上述同樣的方法可以求得原點以左(x≤0)半邊梁的相應(yīng)計算公式，最終結(jié)果為：

3.2 固支梁的撓度計算

此即為承受均布載荷固支梁的撓曲線方程，顯然梁的最大撓度在梁跨度的中點，即x=0 處，因而，得到：

式中：ymax-巖梁的最大撓度/mm；q-巖梁承受的均布荷載/kN/m；L-巖梁的跨度/m；E-巖梁的彈性模量/Pa（表3）；Iz2-固支梁的截面慣性矩/m4。

表3 唐山礦巖石力學(xué)參數(shù)表Table 3 Mechanics parameter of rock on Tangshan mine

巖梁的垮度L的計算，為計算方便，可根據(jù)“傳遞巖梁”理論中的極限跨距來確定[8,9]（圖7）。

圖7 傳遞巖梁跨距示意圖Fig.7 Schematic diagram of the stratum beam span

其中：

式中m-托層厚度/m；[σt]-材料的極限抗壓強度/Pa；mi-隨支托層同時運動的弱巖層的厚度/m；r-支托層容重/(N/m3)。

當計算第n個傳遞巖梁的跨度時，則Ln=0.8n-1L1，將Ln代入y即可。從彈性地基梁和固支梁的撓曲線方程可以看出，在x=0 處即梁的中點處它們的下沉量最大，二者的下沉量之差即為離層縫最大寬度。計算所得最大離層量為42.8 mm，發(fā)生在測點5、6 之間，計算值與實際測量值相比偏小，原因可能是：在計算過程中，巖石力學(xué)參數(shù)取自T2191 工作面的巖石力學(xué)參數(shù)的平均值，與實際的巖石性質(zhì)有誤差所致。

4 結(jié)論

（1）上覆巖層(垮落帶除外)在采動過程中都經(jīng)歷一個連續(xù)的動態(tài)下沉移動過程，而且離煤層頂板越遠，移動過程越連續(xù)，其移動曲線的形態(tài)與地表點的移動過程越接近。

（2）在軟硬互層的中硬上覆巖層中會同時存在多個離層，離層量的大小與其所在位置的巖層厚度和性質(zhì)有關(guān)，厚度大、堅硬巖層下的離層量較大。

（3）采動過程中上覆巖層的離層發(fā)育是有一定規(guī)律的：當工作而推過之后，離層逐漸產(chǎn)生；當巖層移動達到拐點即最大下沉速度時，離層迅速發(fā)育。

（4）在非充分或者極非充分采動條件下，覆巖內(nèi)的離層會長期存在，注漿后可有效減輕或避免由于流變效應(yīng)或采區(qū)周圍采動影響引起的二次沉陷問題。