繆小成

(大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司)

煤層開(kāi)采后，其上覆巖層按照破壞程度可劃分為“三帶”，而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中更為關(guān)注的是由“冒落帶”和“裂縫帶”組成的導(dǎo)水裂隙帶的高度。導(dǎo)水裂隙帶高度受諸多因素，如采高、巖體力學(xué)性質(zhì)、頂板管理方法等的制約。特別是對(duì)于多層煤層的重復(fù)開(kāi)采，由于頂板在重復(fù)采動(dòng)的情況下遭到了多次破壞，致使其導(dǎo)水裂隙帶高度的確定方法往往更為復(fù)雜[1]。本研究以煤層開(kāi)采的頂板巖層為典型應(yīng)力單元，建立采動(dòng)巖層疊加應(yīng)力傳遞與形變迭代關(guān)聯(lián)模型，給出應(yīng)力與形變的演化分析原理及方法，分析采動(dòng)裂隙在上覆巖層“三帶”彎曲帶和裂隙帶中的分布與轉(zhuǎn)移特征，研究不同煤巖層結(jié)構(gòu)條件下多重采動(dòng)巖層的應(yīng)力傳遞機(jī)理和裂隙的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律，揭示采場(chǎng)覆巖破壞失穩(wěn)的應(yīng)力場(chǎng)演化及裂隙分布的關(guān)聯(lián)機(jī)制[2]。

1 模擬原型的確定

以煤層開(kāi)采的頂板巖層為典型應(yīng)力單元，建立采動(dòng)巖層疊加應(yīng)力傳遞與形變迭代關(guān)聯(lián)模型，給出應(yīng)力與形變的演化分析原理及方法，分析采動(dòng)裂隙在上覆巖層“三帶”彎曲帶和裂隙帶中的分布與轉(zhuǎn)移特征，研究不同煤巖層結(jié)構(gòu)條件下多重采動(dòng)巖層的應(yīng)力傳遞機(jī)理和裂隙的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律，揭示采場(chǎng)覆巖破壞失穩(wěn)的應(yīng)力場(chǎng)演化及裂隙分布的關(guān)聯(lián)機(jī)制，可以分析得到侏羅紀(jì)煤層開(kāi)采完畢后頂板裂隙的導(dǎo)通情況[3-4]。

以同煤集團(tuán)燕子山礦石炭—二疊紀(jì)山西組4號(hào)煤層為原型，該煤層對(duì)應(yīng)上覆同煤集團(tuán)馬脊梁礦開(kāi)采的侏羅紀(jì)煤層，侏羅紀(jì)煤層先后開(kāi)采4層煤，分別為 7#、11#、14-2#、14-3#煤層。

2 巖石物理力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)

同煤集團(tuán)燕子山礦現(xiàn)場(chǎng)鉆孔獲取石炭二疊紀(jì)煤層頂板直至侏羅紀(jì)煤層頂板一定高度范圍內(nèi)巖層的巖芯，將取得的巖芯在實(shí)驗(yàn)室加工成標(biāo)準(zhǔn)試件并進(jìn)行進(jìn)行了單軸壓縮實(shí)驗(yàn)和巴西劈裂實(shí)驗(yàn)，掌握了研究范圍內(nèi)巖層的物理、力學(xué)特性，為物理相似模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算提供了依據(jù)[5]。

主要獲得如下結(jié)論。

(1)巖樣單軸壓縮的破壞形式大致分為3種：張拉破壞、剪切破壞、拉剪復(fù)合破壞；巴西劈裂的主要的破壞形態(tài)大致分為3種：?jiǎn)尉€型、雙線型、“Y”型。

(2)煤巖樣的單軸壓縮和巴西劈裂實(shí)驗(yàn)載荷-位移曲線的形狀大體上是類(lèi)似的，可劃分為4個(gè)階段：壓密階段、彈性變形階段、塑性階段和破壞階段。

(3)獲得了部分巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、單軸抗壓強(qiáng)度等物理力學(xué)參數(shù)，結(jié)合所查閱文獻(xiàn)和礦方提供的資料，對(duì)山4#煤層上部直到地表全地層的巖石物理力學(xué)參數(shù)表進(jìn)行了補(bǔ)充和修改，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 原巖物理力學(xué)參數(shù)

續(xù)表

3 覆巖結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

相似材料試驗(yàn)?zāi)M從山西組4#煤層底板至11#煤層頂板，實(shí)現(xiàn)全層位相似模擬。試驗(yàn)鋪設(shè)模型主要模擬11#、14-2#、14-3#與山西組4#煤層圍巖破壞及裂隙連通情況。

3.1 模型試驗(yàn)臺(tái)及測(cè)試系統(tǒng)

相似材料模型試驗(yàn)系統(tǒng)由模型試驗(yàn)臺(tái)和測(cè)試及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2部分組成，相似材料模型試驗(yàn)采用長(zhǎng)×高×寬=3.0 m×1.87 m×0.2 m 平面模型試驗(yàn)臺(tái)和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)。

3.2 相似材料選取

在選取相似材料時(shí)，基于以下原則。

(1)模型與原型相應(yīng)部分材料的主要物理力學(xué)性能相似。

(2)力學(xué)指標(biāo)穩(wěn)定，不因大氣溫度、濕度變化而改變力學(xué)性能。

(3)改變配比后，能使其力學(xué)指標(biāo)大幅度變化，以便選擇使用。

(4)制作方便，凝固時(shí)間短，便于鋪設(shè)。

根據(jù)以上原則及經(jīng)驗(yàn)，本次模型試驗(yàn)選擇的相似材料。骨料：普通河砂(粒徑小于3 mm)；膠結(jié)材料：石膏、石灰；分層材料：云母粉。

3.3 相似模型參數(shù)計(jì)算(H代表原型，M代表模型)

模型模擬范圍為從11#煤層上方頂板52.83 m處到山西組4#煤層下方底板13.91 m處，共模擬33層煤巖層，模擬地層高度為148.45～429.46 m，共計(jì)281.01 m，模擬煤層走向長(zhǎng)度為450 m。共鋪設(shè)86層煤巖層，其中山西組4#煤層高度6.1 m，取模型幾何相似比αL=LH/LM=150/1,容重相似系數(shù)αv=γH/γM=1.5/1，彈性模量與應(yīng)力相似系數(shù)ασ,E=αγ/αL=225/1。

3.4 模型鋪設(shè)分層方案

模型分層方案的選取應(yīng)嚴(yán)格遵守模擬地層的取舍原則。

(1)模型的分層鋪設(shè)厚度為1～4 cm，對(duì)于模擬的地層厚度小于0.3 m應(yīng)綜合取舍。

(2)巖性接近的地層綜合，取加權(quán)平均的巖性參數(shù)。

(3)對(duì)巖層(堅(jiān)硬、軟弱巖層)界面應(yīng)嚴(yán)格確定。

3.5 監(jiān)測(cè)儀器及測(cè)站布置

模型建立完成后，在模型中共布置橫向?qū)游粶y(cè)線5條，縱向?qū)游粶y(cè)線3條，埋設(shè)55個(gè)金屬應(yīng)變傳感器測(cè)點(diǎn)。主要監(jiān)測(cè)橫向與縱向?qū)游坏奈灰萍皯?yīng)力變化，如圖1所示。同時(shí)在模型表面安設(shè)標(biāo)記測(cè)點(diǎn)，供數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)采集分析使用[6]。

圖1 覆巖結(jié)構(gòu)模型測(cè)點(diǎn)布置

3.6 模型加載

模擬區(qū)域頂部距離地面約158.45 m，巖石的密度區(qū)間為(2.52～2.85)×103kg/m3，垂直地應(yīng)力區(qū)間為 3.91～4.43 MPa，根據(jù)應(yīng)力相似，頂部氣囊加載 0.018 MPa，側(cè)向限制水平位移。

3.7 試驗(yàn)過(guò)程

建立采動(dòng)巖層疊加應(yīng)力傳遞與形變迭代關(guān)聯(lián)模型，分析山西組 4#煤層采動(dòng)裂隙在上覆巖層中的分布與轉(zhuǎn)移特征，研究采動(dòng)巖層的應(yīng)力傳遞機(jī)理和裂隙的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律。試驗(yàn)中對(duì)模型的開(kāi)采過(guò)程可以理解為工作面液壓支架的推移及放煤過(guò)程，整個(gè)模型的重點(diǎn)在于山西組 4#煤層與 14-3#煤層之間導(dǎo)水裂隙帶范圍及高度計(jì)算[7]。

實(shí)驗(yàn)步驟如下。

(1)模型架共3 m，在模型架左右兩側(cè)各留出50 cm的邊界(代表實(shí)際距離為75 m)，以弱化邊界效應(yīng)。

(2)模型中各煤層均為從右往左依次開(kāi)挖，代表煤層沿走向方向推進(jìn)；11#煤層、14-2煤層、14-3煤層、山4煤層，從上往下依次開(kāi)采。

(3)煤層開(kāi)采為一次采全高開(kāi)采，煤層每次開(kāi)挖的長(zhǎng)度為2 cm(代表實(shí)際推進(jìn)距離為3 m)。

4 覆巖破壞結(jié)構(gòu)特征及位移變化規(guī)律

為了研究，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)分別逐步開(kāi)挖11#煤層、14-2#煤層、14-3#煤層、山4#煤層，從上往下依次開(kāi)采，鋪設(shè)完成后，模型初始狀態(tài)如圖2所示。

圖2 模型初始狀態(tài)特征

4.1 11#煤層開(kāi)采覆巖破壞特征

11#煤層厚度為4.17 m，11#煤層從右往左依次開(kāi)采，先后經(jīng)歷“開(kāi)切眼—初次來(lái)壓—第一次周期來(lái)壓—多次周期來(lái)壓”等階段，直到開(kāi)采完畢。

11#煤層開(kāi)采后，堅(jiān)硬頂板致使煤層開(kāi)采過(guò)程中，周期來(lái)壓和初次來(lái)壓較普通頂板跨度大，具體表現(xiàn)為

(1)煤層開(kāi)采后，直接頂垮落塊度較大，尺寸約為15～30 m，垮落跨度規(guī)整。

(2)基本頂滯后直接頂垮落，整個(gè)開(kāi)采過(guò)程中，共伴隨3次較大的基本頂破斷，破斷步距為60～80 m，來(lái)壓規(guī)律明顯。

(3)部分直接頂垮落的位置和時(shí)刻，同時(shí)伴隨基本頂?shù)钠茢啵瑫?huì)造成二次來(lái)壓，壓力顯現(xiàn)明顯。

4.2 14-2#煤層開(kāi)采覆巖破壞特征

14-2#煤層厚度為2.69 m，14-2#煤層距離已開(kāi)采的11#煤層間距為26～30 m，層間距較小，從右往左依次開(kāi)采，直到開(kāi)采完畢。

14-2#煤層由于與11#煤層間距較小，煤層開(kāi)采后，并未出現(xiàn)明顯的大面積垮落，而是整體變形，具體表現(xiàn)為

(1)煤層開(kāi)采后，煤層上方近30 m的頂板表現(xiàn)為緩慢下沉，無(wú)劇烈來(lái)壓。

(2)由于頂板的整體下沉，導(dǎo)致頂板來(lái)壓壓力較大，且為持續(xù)增壓狀態(tài)。

(3)頂板變形后，超前裂隙發(fā)育明顯，很容易導(dǎo)通上方11#煤層采空區(qū)，且隨著工作面推進(jìn)，貫通裂隙逐漸增大增多，顯現(xiàn)明顯。

(4)14-2#煤層開(kāi)采完畢后，采空區(qū)空間縮小明顯，工作面前后兩端，剪切貫通裂隙明顯。

4.3 14-3#煤層開(kāi)采覆巖破壞特征

14-3#煤層厚度為2.82 m，14-3#煤層距離已開(kāi)采的14-2#煤層間距為5.18 m，層間距非常小，從右往左依次開(kāi)采，直到開(kāi)采完畢。

由于與 14-3#煤層間距非常小，煤層開(kāi)采后，頂板隨采隨垮，具體表現(xiàn)為：煤層開(kāi)采后，煤層隨采隨垮，頂板破碎嚴(yán)重，立即與上部采空區(qū)導(dǎo)通，同時(shí)，垮落的頂板無(wú)法完全充填滿(mǎn)采空區(qū)，致使上部14-2#煤層的頂板繼續(xù)下沉，增加了與 11#煤層的貫通；至此，11#煤層、14-2#煤層、14-3#煤層3個(gè)煤層的采空區(qū)徹底貫通。

4.4 山4#煤層開(kāi)采覆巖破壞特征

為分析山4#煤層開(kāi)采完畢后，上覆巖層的垮落、離層、運(yùn)移情況，試驗(yàn)通過(guò)PhotoInfor圖像處理軟件進(jìn)行巖層位移追蹤分析，根據(jù)圖像像素點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，輸出結(jié)果通過(guò)像素坐標(biāo)和實(shí)際坐標(biāo)換算，進(jìn)行位移處理[8]。

實(shí)驗(yàn)所用數(shù)字照相照片的像素為2 200萬(wàn)像素，照片大小為5 760×3 840，所選測(cè)定范圍為4 000×1 800，對(duì)應(yīng)模型架的尺寸為2.143 m×0.963 m，由于模型與現(xiàn)實(shí)的幾何相似比為1∶150，所以，所觀測(cè)區(qū)域?qū)?yīng)煤礦現(xiàn)場(chǎng)的尺寸為321.45 m×144.45 m，像素對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的比值為1∶8.036 cm，即1個(gè)像素對(duì)應(yīng)現(xiàn)實(shí)8.036 cm，100個(gè)像素對(duì)應(yīng)8.036 m。通過(guò)以上區(qū)域的監(jiān)測(cè)，可以分析山4#煤層頂板140 m以?xún)?nèi)區(qū)域的裂隙分布規(guī)律。

山4#煤層開(kāi)采后上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶的擴(kuò)展范圍，具體表現(xiàn)為

(1)煤層開(kāi)采后，頂板來(lái)壓明顯，整體呈塊體或板體破斷。

(2)由于煤層厚度為6.10 m，伴隨工作面推進(jìn)，采空區(qū)空間為頂板垮落提供了充足的空間，頂板出現(xiàn)大范圍離層。

(3)一次基本頂來(lái)壓與二次基本頂來(lái)壓后，頂板破斷導(dǎo)通，形成大面積垮落離層，上覆巖層裂隙持續(xù)往上擴(kuò)展。

(4)工作面開(kāi)采完畢后，上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶的高度約為98 m，但上覆裂隙的擴(kuò)展具有滯后性，隨著時(shí)間的推移，還在繼續(xù)增高，最終高度可達(dá)到約106 m。

5 模擬結(jié)論

(1)11#煤層、14-2#煤層、14-3#煤層開(kāi)采完畢后，導(dǎo)水裂隙貫通3個(gè)煤層所在區(qū)域，采空區(qū)連通，采空區(qū)積水下泄至14-2#或14-3#煤層。

(2)山西組4#煤層工作面開(kāi)采完畢后，上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶的高度約為98 m，但上覆裂隙的擴(kuò)展具有滯后性，隨著時(shí)間的推移，還在繼續(xù)增高，最終高度可達(dá)到約106 m。

(3)通過(guò)相似模擬實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)，山4#煤層開(kāi)采后，覆巖破壞波及范圍廣泛，頂板位移量變化明顯，煤層上方頂板25 m位置處，最大頂板下沉量為1.02 m。

(4)伴隨工作面推進(jìn)，頂板裂隙繼續(xù)往覆巖上方延伸，山4#煤層上方87 m頂板位置處，頂板仍有41.24 cm 的下沉量。

(5)山4#煤層頂板139 m層位，頂板的下沉量已基本為零，頂板完整穩(wěn)定，未與侏羅紀(jì)煤層采空區(qū)導(dǎo)通。

6 不同方法結(jié)果對(duì)比

6.1 經(jīng)驗(yàn)公式法

燕子山礦煤層上覆巖層巖性以粉砂巖、細(xì)粒砂巖為主，次為中粒砂巖及高嶺巖，呈互層結(jié)構(gòu)。砂巖多膠結(jié)致密，裂隙不發(fā)育，巖石飽和抗壓強(qiáng)度介于20～40 MPa。燕子山煤礦采用綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采，全垮落式管理頂板，所以采用《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》(GB 12719-91)附錄F的中硬巖類(lèi)巖石冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶最大高度的計(jì)算公式[9]：

Hm=(3～4)M，

(1)

(2)

式中，Hm為冒落帶最大高度，m；H為導(dǎo)水裂隙帶最大高度，m；M為煤層累計(jì)采厚，m；n為煤層分層層數(shù)。

燕子山礦山4#層8202面開(kāi)采厚度為6.1 m，帶入公式可得，冒落帶最大高度為24.4 m，導(dǎo)水裂隙帶最大高度91.02 m。

6.2 相似材料模擬法

燕子山礦山4#層8202面相似材料模擬法最終高度可達(dá)到約106 m。

6.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與類(lèi)比法

同忻礦位于燕子山礦東南，其下組的石炭系3-5#煤層平均厚度為18.6 m。煤層開(kāi)采后，導(dǎo)裂帶實(shí)測(cè)高度為150～170 m(根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，導(dǎo)裂帶最大高度應(yīng)在77 m左右)[10]。如果導(dǎo)裂帶高度按照煤層厚度線性變化，那么燕子山礦8202工作面的導(dǎo)裂帶高度應(yīng)為48～55 m。

7 結(jié) 論

經(jīng)驗(yàn)公式中導(dǎo)水裂隙帶高度僅與煤層采厚、分層參數(shù)與覆巖屬性有關(guān)，而覆巖巖性結(jié)構(gòu)的影響在經(jīng)驗(yàn)公式中沒(méi)有得到直接體現(xiàn)，考慮到雙系煤層開(kāi)采復(fù)雜的工作面布置以及多煤層開(kāi)采對(duì)覆巖巖性結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，相似材料模擬法彌補(bǔ)了經(jīng)驗(yàn)公式法的不足，動(dòng)態(tài)模擬煤層開(kāi)采過(guò)程中上覆基巖變形破壞的范圍及塑性分布情況，導(dǎo)水裂隙帶高度模擬結(jié)果更接近實(shí)測(cè)值。