秦洪巖，王海東，張 帆，尹志輝，歐陽振華，張 峰，李雪冰

（1.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京101601；2.沈陽焦煤股份有限公司 西馬煤礦，遼寧 沈陽221116;3.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 采礦技術(shù)研究院，遼寧 阜新123000）

在以往的覆巖變形破壞規(guī)律研究中，主要集中 在壁式垮落法的覆巖變形破壞規(guī)律上，對(duì)于開采0.8 m 以下小采厚和充填的覆巖變形破壞規(guī)律的研究則相對(duì)較少[1-3]。充填開采實(shí)質(zhì)上是通過降低“采高”達(dá)到減少覆巖變形破壞程度的目的，到目前為止，仍沒有明確描述充填開采覆巖變形破壞規(guī)律的研究成果。

采空區(qū)充填的主要作用是緩解采場(chǎng)礦山壓力和減少覆巖及地表的變形破壞，但不同的充填效果肯定會(huì)對(duì)覆巖變形破壞產(chǎn)生不同的影響，當(dāng)充填體達(dá)到一定高度時(shí)，垮落帶將消失，僅有斷裂帶和彎曲下沉帶。那么，“兩帶”和“三帶”的覆巖變形破壞的區(qū)別、垮落帶消失的條件，以及充填開采覆巖斷裂帶的發(fā)育過程等都值得深入的研究。

1 理論分析

關(guān)鍵層指變形撓度小于其下部巖層，不與下部巖層協(xié)調(diào)變形，對(duì)上部巖層的變形破壞具有控制作用的巖層[4-5]。當(dāng)關(guān)鍵層發(fā)生斷裂變形時(shí)其承載的“軟弱”巖層會(huì)與之發(fā)生協(xié)調(diào)變形。根據(jù)關(guān)鍵層在覆巖變形破壞過程中的作用，可見其對(duì)覆巖裂縫發(fā)育具有決定性的作用。

關(guān)鍵層內(nèi)力示意圖如圖1。設(shè)關(guān)鍵層的中面為xy 平面，在z＞0 的一面為上表面，z＜0 的一面為下表面。假設(shè)關(guān)鍵層厚度H 是均勻分布的，而且應(yīng)力在上表面也是均勻施加的。

圖1 關(guān)鍵層內(nèi)力示意圖Fig.1 Schematic diagram of internal force of competent bed

應(yīng)用板殼理論分析關(guān)鍵層在z 方向的平衡方程如式（1）[6-8]：

式中：w 為z 方向的位移，m；Nx、Nxy、Ny為關(guān)鍵層的內(nèi)力，N；C為關(guān)鍵層的剪切剛度，N/m，C=GH；G為剪切模量，MPa；Q 為均布載荷，MPa；ψx、ψy為中間變量。

式中：Qx、Qy分別為關(guān)鍵層中的x 方向和y 方向的剪力，N。

斷裂帶高度判斷流程如圖2。斷裂帶是否向上發(fā)育主要受到關(guān)鍵層是否斷裂的影響，工作面推進(jìn)到某位置，極限位移小于自由空間高度，而且極限載荷小于關(guān)鍵層所承受的載荷時(shí)則關(guān)鍵層發(fā)生斷裂，再分析上1 個(gè)關(guān)鍵層的斷裂情況，依次類推，直到關(guān)鍵層不斷裂，則斷裂帶停止向上發(fā)育[9-14]。

圖2 斷裂帶高度判斷流程Fig.2 Flow chart of judging height of water conducted zone

關(guān)鍵層斷裂會(huì)使得受其控制的軟弱巖層與之協(xié)調(diào)變形；關(guān)鍵層不斷裂時(shí)其上方控制的軟弱巖層一定不會(huì)發(fā)生破壞。從圖2 中可看出，當(dāng)關(guān)鍵層的臨界載荷大于等于上覆載荷，且極限位移大于等于自由空間高度時(shí)發(fā)生斷裂。隨著工作面的推進(jìn)上覆載荷最終一定會(huì)達(dá)到臨界載荷，那么最終影響關(guān)鍵層斷裂的變量就是自由空間高度。采厚決定著關(guān)鍵層下方的自由空間高度，自由空間高度決定著關(guān)鍵層的斷裂與否。隨著采厚的增加關(guān)鍵層下方的自由空間高度會(huì)增加，當(dāng)自由空間高度的量變累積達(dá)到了極限位移時(shí)其會(huì)發(fā)生斷裂，此時(shí)斷裂帶會(huì)突然向上發(fā)育。據(jù)此得出隨著采厚的增加，斷裂帶是逐層向上發(fā)育，而不是隨著采厚的增加漸進(jìn)式發(fā)育。

2 模擬分析

2.1 工程概況

1327 工作面位于-350 m 水平南一采區(qū)，開采位于工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱內(nèi)的13#煤層。地表平均標(biāo)高為+18.5 m，工作面煤層標(biāo)高為-397～-497 m，平均埋深為447 m。工作面平均長(zhǎng)137.4 m，傾斜推進(jìn)長(zhǎng)度501.9 m，面積為70 255 m2。煤層賦存厚度為1.4～2.2 m，平均采厚1.811 m。工作面可采儲(chǔ)量為9.27 萬t，回采率為97 %；工作面為單斜構(gòu)造，傾角3°。開采影響的地表范圍內(nèi)主要為工業(yè)廣場(chǎng)和農(nóng)田，工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)主要建筑物有電纜架橋、洗煤廠主洗車間、介質(zhì)庫、油泵房、濃縮車間、備用水池、油罐房等，為保護(hù)地表等建筑物。為保障開采過程中的地表建筑物安全，采用膏體充填的方式回收資源。根據(jù)1327 工作面等效采高的計(jì)算模型，確定現(xiàn)有開采技術(shù)條件下的等效采高為0.399 m。

根據(jù)1327 工作面附近的5 個(gè)鉆孔，整理出工作面頂板50 m 范圍內(nèi)的煤巖層分布情況，根據(jù)西馬煤礦測(cè)試的巖石力學(xué)參數(shù)，得到的1327 工作面覆巖巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 1327 工作面覆巖巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 Overlying strata rock mechanics parameters at 1327 working face

2.2 模擬結(jié)果分析

采用UDEC 模擬軟件，按照1327 工作面的具體地質(zhì)采礦條件，只變換充填高度分析覆巖應(yīng)力分布和變形破壞隨之變化的規(guī)律和特征。選擇9 個(gè)方案進(jìn)行分析，充填高度分別為0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7 m。根據(jù)1327 工作面等效采高計(jì)算模型反推得到的各個(gè)充填高度對(duì)應(yīng)的等效采高分別為0.933、0.837、0.740、0.644、0.547、0.451、0.355、0.258、0.162 m。

在模擬過程中發(fā)現(xiàn)，等效采高為0.162、0.258、0.355 m 時(shí)第1 層關(guān)鍵層斷裂（充填高度分別為1.7、1.6、1.5 m）；等效采高為0.451、0.547 m 時(shí)第2層關(guān)鍵層斷裂（充填高度分別為1.4、1.3 m）；等效采高為0.644、0.740、0.837、0.933 m 時(shí)第3 層關(guān)鍵層斷裂（充填高度分別為1.2、1.1、1.0、0.9 m）。為得到充填開采中斷裂帶和垮落帶發(fā)育高度與等效采高之間的關(guān)系，以及等效采高對(duì)來壓步距的影響。對(duì)斷裂帶高度和垮落帶高度數(shù)據(jù)的進(jìn)行整理分析，分別繪制出的破壞范圍隨等效采高變化曲線如圖3。

圖3 破壞范圍隨等效采高變化曲線Fig.3 Curves of the variation of failure zone with the changing of equivalent-mining height

從圖3 中可以看出，隨著等效采高的不斷增加，斷裂帶和垮落帶高度不斷增加，在增加的過程中出現(xiàn)了跳變現(xiàn)象。

等效采高在0.162～0.547 m 時(shí)垮落帶的高度為0 m，當(dāng)?shù)刃Р筛哂?.547 m 增加到0.644 m 時(shí)垮落帶的高度突然增加，由0 m 突然增加到1.9 m。等效采高在0.644～0.933 m 之間時(shí)垮落帶穩(wěn)定在1.9～2.6 m。由上述的垮落帶高度的變化過程可以得出，等效采高在0.547～0.644 m 之間存在著1 個(gè)臨界值，突破該臨界值會(huì)突然出現(xiàn)巖層的垮落，垮落帶高度突然增加。

等效采高在0.162～0.355 m 時(shí)斷裂帶高度的變化范圍是2.0～2.6 m，當(dāng)?shù)刃Р筛哂?.355 m 增加到0.451 m 時(shí)斷裂帶高度突然增加，由2.6 m 突然增加到10.9 m。等效采高在0.451～0.547 m 時(shí)斷裂帶的高度穩(wěn)定在10.9～12.4 m，當(dāng)?shù)刃Р筛哂?.547 m 增加到0.644 m 時(shí)，斷裂帶高度由12.4 m 激增到19.4 m。等效采高在0.644～0.933 m 之間變化時(shí)，斷裂帶高度的變化范圍是19.4～20.7 m。由斷裂帶隨著等效采高的變化過程可看出，在0.355～0.451 m 和0.547～0.644 m 2 個(gè)區(qū)間內(nèi)存在著臨界值，突破該臨界值關(guān)鍵層會(huì)出現(xiàn)斷裂，斷裂帶高度突然增加。

由上述斷裂帶和垮落帶的模擬結(jié)果可以看出，覆巖的“兩帶”發(fā)育隨著等效采高的變化存在著臨界效應(yīng)。也可總結(jié)為“充填體高度的量變，會(huì)引起覆巖變形破壞高度的質(zhì)變”。

3 實(shí)測(cè)分析

3.1 觀測(cè)方案

觀測(cè)儀器選擇ZXZ20 礦用鉆孔成像裝置，可用于煤層頂板地質(zhì)構(gòu)造、煤層賦存、工作面前方斷層構(gòu)造、上覆巖層導(dǎo)水?dāng)嗔褞У鹊奶綔y(cè)，ZXZ20 礦用鉆孔成像裝置如圖4。該儀器方便實(shí)用，易于攜帶。在探測(cè)前先向頂板打鉆孔，并用水將鉆孔清洗干凈，降塵降濕后將微型攝像頭沿著鉆孔由外向內(nèi)探測(cè)，并實(shí)時(shí)記錄下探測(cè)結(jié)果，將探測(cè)的圖像在儀器內(nèi)儲(chǔ)存，方便日后分析。

圖4 ZXZ20 礦用鉆孔成像裝置Fig.4 ZXZ20 mine borehole imaging device

在1327 工作面的運(yùn)輸巷布置2 組測(cè)站，每組3個(gè)，共6 個(gè)鉆孔對(duì)頂板破壞情況進(jìn)行觀測(cè)。1#～3#為第1 組，第1 組測(cè)孔距離開切眼135.0 m。第2 組觀測(cè)孔為4#～6#鉆孔，距離開切眼168.4 m。觀測(cè)過程中同時(shí)記錄下工作面與觀測(cè)孔間的距離。每組觀測(cè)孔的各個(gè)鉆孔角度不同，第1 組的3 個(gè)鉆孔分別與頂板成47°、42°、38°，各個(gè)鉆孔的深度分別為23、22、24 m，第2 組3 個(gè)鉆孔分別與頂板成65°、59°、54°，鉆孔深度分別為19、23、18 m，鉆孔布置圖如圖5。

3.2 觀測(cè)結(jié)果分析

在工作面的每個(gè)鉆孔施工完成后立即進(jìn)行觀測(cè)，以后每天觀測(cè)1 次。每次觀測(cè)時(shí)記錄當(dāng)時(shí)工作面推進(jìn)的位置，并且記錄下各鉆孔每次觀測(cè)時(shí)的頂板破壞的最大位置。

圖5 鉆孔布置圖Fig.5 Borehole layout

3.2.1 第1 組鉆孔1#～3#鉆孔在工作面推進(jìn)過程中不斷的進(jìn)行觀測(cè)，隨著工作面不斷推進(jìn)，當(dāng)工作面與3 個(gè)鉆孔的距離為18.9 m 時(shí)出現(xiàn)了斷裂帶迅速向上擴(kuò)展，在1#～3#3 個(gè)測(cè)孔中窺視儀所捕捉的孔壁破壞后裂縫發(fā)育最深位置18.9 m 時(shí)的影像如圖6～圖8。

圖6 工作面推進(jìn)過程中1#鉆孔探測(cè)深度13.1 mFig.6 Investigation depth is 13.1 m at 1# drilling in the process of working face advance

圖7 工作面推進(jìn)過程中2#鉆孔探測(cè)深度14.0 mFig.7 Investigation depth is 14.0 m at 2# drilling in the process of working face advance

圖8 工作面推進(jìn)過程中3#鉆孔探測(cè)深度15.9 mFig.8 Investigation depth is 15.9 m at 3# drilling in the process of working face advance

觀測(cè)過程中記錄工作面與鉆孔距離為16.2 m時(shí)覆巖都保持著完整狀態(tài)，沒有裂縫出現(xiàn)。從圖6～圖8 中可以看出，當(dāng)工作面與鉆孔距離為18.9 m時(shí)，1#鉆孔出現(xiàn)橫向裂隙，2#鉆孔出現(xiàn)了2 個(gè)橫向裂隙，3#鉆孔出現(xiàn)了多個(gè)縱向裂隙。說明在鉆孔與工作面距離16.2 m 增加到18.9 m 的過程中，出現(xiàn)了頂板突然斷裂現(xiàn)象，造成斷裂帶迅速向上發(fā)育。

由于鉆孔都存在著角度，將1#～3#鉆孔在整個(gè)觀測(cè)過程中記錄的最大深度換算成覆巖破壞的最大高度，以鉆孔與工作面之間的距離為變量，以覆巖破壞高度為因變量，繪制的第1 組鉆孔觀測(cè)斷裂帶高度發(fā)育過程如圖9。

圖9 第1 組鉆孔觀測(cè)斷裂帶高度發(fā)育過程Fig.9 Fault zone height developmental process based on the first set of drilling

從圖9 可以看出，當(dāng)鉆孔與工作面之間距離小于16.2 m 時(shí)，斷裂帶高度發(fā)育很慢，當(dāng)工作面與鉆孔距離增加到18.9 m 時(shí)斷裂帶高度突然增加。工作面繼續(xù)推進(jìn)，鉆孔與工作面之間的距離不斷變大，但此后裂隙最深位置穩(wěn)定，斷裂帶停止向上發(fā)育，3 個(gè)鉆孔觀測(cè)到的最大斷裂帶高度為10.7 m。

3.2.2 第2 組鉆孔

4#～6#鉆孔在工作面推進(jìn)過程中不斷的進(jìn)行觀測(cè)，隨著工作面不斷推進(jìn)，當(dāng)工作面與3 個(gè)鉆孔的距離為17.2 m 時(shí)出現(xiàn)了斷裂帶突然向上發(fā)育現(xiàn)象，4#～6#3 個(gè)鉆孔通過窺測(cè)孔觀測(cè)到出現(xiàn)裂縫最深位置的截圖如圖10～圖12。

圖10 工作面推進(jìn)過程中4#鉆孔探測(cè)深度10.8 mFig.10 Investigation depth is 10.8 m at 4# drilling in the process of working face advance

圖11 工作面推進(jìn)過程中5#鉆孔探測(cè)深度11.9 mFig.11 Investigation depth is 11.9 m at 5# drilling in the process of working face advance

圖12 工作面推進(jìn)過程中6#鉆孔探測(cè)深度10.9 mFig.12 Investigation depth is 10.9 m at 6# drilling in the process of working face advance

觀測(cè)過程中記錄工作面與鉆孔距離為14.8 m時(shí)覆巖都保持著完整狀態(tài)，沒有裂縫出現(xiàn)。從圖10～圖12 中可以看出，當(dāng)工作面與鉆孔距離為17.2 m時(shí)4#鉆孔出現(xiàn)了縱向裂隙，5#和6#鉆孔出現(xiàn)了不同程度的橫向裂縫。說明在鉆孔與工作面距離14.8 m增加大17.2 m 的過程中，出現(xiàn)了頂板突然斷裂現(xiàn)象，造成斷裂帶迅速向上發(fā)育。

由于鉆孔存在角度，將4#～6#3 個(gè)鉆孔在整個(gè)觀測(cè)過程中記錄的最大深度換算成覆巖破壞的最大高度，第2 組鉆孔觀測(cè)斷裂帶高度發(fā)育過程如圖13。

圖13 第2 組鉆孔觀測(cè)斷裂帶高度發(fā)育過程Fig.13 Fault zone height developmental process based on the second set of drilling

從圖13 中可以看出，當(dāng)鉆孔與工作面之間距離小于14.8 m 時(shí)，斷裂帶高度發(fā)育很慢，當(dāng)工作面與鉆孔距離增加到17.2 m 時(shí)斷裂帶高度突然增加。工作面繼續(xù)推進(jìn)，鉆孔與工作面之間的距離不斷變大，此后斷裂帶高度各有1 次小幅增大，之后穩(wěn)定不再發(fā)育，3 個(gè)鉆孔觀測(cè)到的最大裂隙帶高度為10.5 m。

通過2 組鉆孔的分析，得出斷裂帶最大高度為10.7 m。而且在6 個(gè)鉆孔觀測(cè)的過程中，每個(gè)鉆孔都只出現(xiàn)了裂縫，巖層都沒有出現(xiàn)層位錯(cuò)動(dòng)或散落的現(xiàn)象，說明整個(gè)充填開采過程中覆巖沒有垮落帶。這一點(diǎn)可由回風(fēng)巷留巷內(nèi)的充填體與頂板的接合狀態(tài)證明，充填后覆巖結(jié)構(gòu)如圖14。由圖14 可以看出，充填體與頂板直接接合，僅有很窄的縫隙。以上事實(shí)與理論和數(shù)值模擬分析得到的斷裂帶高度和不存在垮落帶的結(jié)論一致。

圖14 充填后覆巖結(jié)構(gòu)Fig. 14 Overburden structure after filling

4 結(jié) 論

1）采用板殼理論分析充填開采中關(guān)鍵層在覆巖斷裂帶發(fā)育過程中的關(guān)鍵性作用，揭示了覆巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞У陌l(fā)育規(guī)律，得到隨著采厚的增加，斷裂帶是逐層向上發(fā)育，而不是隨著采厚的增加漸進(jìn)式發(fā)育。

2）采用UDEC 軟件對(duì)不同充填高度時(shí)覆巖斷裂帶的發(fā)育過程進(jìn)行了分析，得出覆巖的“兩帶”發(fā)育隨著等效采高的變化存在著臨界效應(yīng)，即充填體高度的量變，會(huì)引起覆巖變形破壞高度的質(zhì)變。

3）對(duì)1327 充填工作面的覆巖斷裂帶發(fā)育過程進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得出斷裂帶最大高度為10.7 m，與數(shù)值模擬的結(jié)果吻合。實(shí)測(cè)的結(jié)果驗(yàn)證了上述理論分析和數(shù)值模擬得到的結(jié)論。