劉超杰，高運增，趙高博，李少雄

(1.北京天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司，北京 100020； 2.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454000；3.新能礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

煤炭開采引起地層原巖應力重新分布，導致從頂板到高位巖層乃至松散層都發(fā)生不同程度的損傷破壞，形成垮落帶、斷裂帶與彎曲帶，即采動覆巖的“三帶”[1-2]。采動覆巖“三帶”發(fā)育特征與高度對含(隔)水層下采煤、瓦斯治理的保護層安全開采具有重要意義[3-6]。

目前，國內(nèi)外學者針對采動覆巖“三帶”高度進行了大量研究。錢鳴高院士提出的“砌體梁”結(jié)構(gòu)模型為采動覆巖“三帶”發(fā)育特征研究提供了重要的思路[7]；Syd S. Peng院士研究了美國中厚煤層開采垮落帶、斷裂帶高度與煤層采高、覆巖巖性的關系[8]；我國《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》中指出覆巖“三帶”高度主要與巖性和采高有關[9]；許家林等提出了一種基于關鍵層位置預計斷裂帶高度的方法[10]；郭文兵等提出了一種基于覆巖破壞傳遞規(guī)律預計斷裂帶高度的方法[11]；張宏偉等提出了特厚煤層綜放開采斷裂帶高度的理論計算方法[12]；郭小銘等采用現(xiàn)場實測方法研究了強沖擊礦壓礦井綜放開采覆巖破壞高度[13]；胡小娟定性分析了斷裂帶高度的主要影響因素，并得出了計算斷裂帶高度的公式[14]。

上述學者對一般地質(zhì)條件下的采動覆巖斷裂帶高度進行了較為充分的研究，但針對厚松散層軟弱基巖覆巖地質(zhì)條件下采動覆巖運移規(guī)律研究較少。筆者基于葛泉煤礦11915綜放工作面地質(zhì)采礦條件，采用相似模擬方法，研究厚松散層軟弱基巖覆巖“三帶”發(fā)育特征與高度，可進一步豐富我國不同地質(zhì)條件礦區(qū)的巖層移動規(guī)律的研究方法。

1 厚松散層軟弱覆巖工作面概況

葛泉煤礦11915工作面開采9#煤層，其厚度平均為6.5 m，煤層傾角平均16°，平均埋深188 m，工作面走向長度約950 m，傾向長度平均80 m。該工作面開采方法為綜合機械化放頂煤開采，全部垮落法控制頂板。11915工作面的綜合柱狀圖與工作面三維布置如圖1 所示。

圖1 巖層柱狀圖與11915綜放工作面三維布置示意圖

由圖1可以看出，11915綜放工作面松散層厚度超過100 m(卵石19 m、黏砂土65 m、表土層18 m)。根據(jù)文獻[15]，將煤層基巖以上的第四系松散層厚度小于50 m的礦區(qū)稱為薄松散層礦區(qū)(即常規(guī)地質(zhì)條件)，大于50 m的礦區(qū)稱為厚松散層礦區(qū)，因此該工作面煤層基巖上方覆巖屬于厚松散層。另外，基巖多為泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、粉細砂巖互層，巖層均較軟，參考《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采指南》，根據(jù)覆巖綜合評價系數(shù)P(其值取決于各層覆巖的巖性及其厚度)判定煤礦的覆巖巖性[16]，其計算公式如下：

(1)

式中：mi為覆巖i分層的法線厚度，m；Qi為覆巖i分層巖性評價系數(shù)。

根據(jù)圖1并結(jié)合式(1)計算，覆巖巖性綜合評價系數(shù)P=0.765，評定葛泉煤礦11915綜放工作面上覆巖層為軟弱巖層。因此，該工作面為厚松散層軟弱覆巖下開采工作面。

2 厚松散層軟弱覆巖“三帶”發(fā)育特征

2.1 相似模擬模型建立與位移觀測點布置

根據(jù)11915綜放工作面現(xiàn)場實際情況，按照幾何相似、運動相似、視密度相似和彈性模量相似等條件，模擬現(xiàn)場頂板垮落、高層位覆巖破斷與厚松散層沉降過程。本次相似模擬實驗平臺為采礦平面應力相似模擬實驗鋼模架，其長、寬、高分別為2.50、0.25、1.50 m。根據(jù)實驗平臺尺寸與相似系數(shù)(幾何相似比為1/150、視密度相似系數(shù)為2/3、強度相似比為1/225、彈性模量比為1/225)等[17-18]，建立的相似材料模型尺寸(長×寬×高)為2.50 m×0.25 m×1.21 m。由于采用的實驗平臺寬度有限，本次研究僅分析該工作面沿走向方向的覆巖“三帶”發(fā)育過程。

模型制作時在各巖層之間均勻撒一層云母粉，模擬巖層間的節(jié)理層面；對于較厚的覆巖分層需再進行細分層，各分層間由云母粉相隔，搭建完成的模型需晾曬。模型在開挖前，需根據(jù)三維光學攝影測量系統(tǒng)(XJTUDP)的要求，建立基于編碼點的坐標系和非編碼點的覆巖運移觀測點系。部分編碼點張貼于實驗平臺的邊界及交點處，用于建立觀測的豎向XOY平面；編碼點的另一部分張貼于相似模擬材料的表面。非編碼點以左右相距100 mm為標準間隔布置在模型材料表面。實驗共布置了7行22列非編碼點，線號由上至下分別為a～g，共計154個非編碼點。制作完成的模型如圖2所示。

圖2 相似模擬模型圖

在測點布置好后，即可進行開挖前(首次)觀測，該觀測數(shù)據(jù)作為采動前的原始數(shù)據(jù)。

2.2 相似模擬模型開挖

本次模擬兩次相鄰開挖間隔時間為30 min，開挖前先在圖2中煤層下邊沿用直尺每隔50 mm在模型上刻畫尺度標記，開挖工具為定制的長柄平頭鋼鏟，開挖時盡量模擬現(xiàn)場割煤機的割煤方式，鏟頭切割線始終垂直材料表面，以均勻的厚度及速度進鏟；并通過三維光學攝影測量系統(tǒng)記錄覆巖移動、垮落及離層等，在所有準備工作完成后，進行模型開挖及覆巖運移觀測。

2.3 相似模擬結(jié)果與分析

2.3.1 直接頂初次垮落過程

相似實驗模型開挖過程中，11915工作面直接頂板初次垮落過程如圖3所示。可以看出，在工作面推至0～30 m時，直接頂因自身強度，處于懸空狀態(tài)未發(fā)生破斷垮落；當工作面推至45 m時，覆巖因達到極限跨距，發(fā)生初次垮落。此時，垮落體外邊緣輪廓為拱形，工作面后方覆巖破斷角為54°，前方覆巖破斷角為64°。

(a)推進至15 m (b)推進至30 m (c)推進至45 m

2.3.2 采動高位覆巖破壞動態(tài)過程

相似實驗模型工作面推進過程中，工作面上覆巖層的失穩(wěn)垮落形成垮落帶、斷裂帶和彎曲帶的過程及不同推進距離時不同層位覆巖的垮落特征如圖4 所示。

直接頂板初次垮落后，隨著工作面的繼續(xù)推進，覆巖破壞向上發(fā)育。由圖4(a)可以看出，當工作面推進至72 m時，采動波及至上覆巖層導致其再次失穩(wěn)垮落，采空區(qū)后方覆巖破斷角為70°，采空區(qū)前方覆巖破斷角為75°，且采空區(qū)前、后方的覆巖破斷回轉(zhuǎn)方向相反。當工作面推進至84 m 時(見圖4(b))，靠近工作面前方煤層上覆巖層發(fā)生懸伸破斷，并產(chǎn)生懸伸破斷的斷裂線。當工作面推進至96 m時(見圖4(c))，未失穩(wěn)的巖層(粉砂巖)出現(xiàn)細微離層。當工作面推進至105 m時(見圖4(d)，該層粉砂巖失穩(wěn)垮落至采空區(qū)，且粉砂巖上方的軟弱巖層隨同硬巖同時失穩(wěn)垮落至采空區(qū)，這時硬巖粉砂巖與其下方的失穩(wěn)巖塊不連續(xù)性顯著，屬于垮落帶，其范圍為10～25 m，硬巖粉砂巖上方的軟弱巖層失穩(wěn)后產(chǎn)生的裂隙連續(xù)性較好，因此歸入斷裂帶范疇。

另外，由于厚硬巖粉砂巖(厚度為10 m)的失穩(wěn)，導致工作面處壓力突然增大，礦壓顯現(xiàn)劇烈，表現(xiàn)為煤壁煤塊被擠出，斷裂線向上發(fā)育較快；離層高度由于失穩(wěn)巖層碎漲而逐漸減小。

當工作面推進至120 m時(見圖4(e))，垮落帶和斷裂帶區(qū)分明顯，且斷裂線隨著工作面的推進向前移動，由斷裂線1轉(zhuǎn)移至斷裂線2，并且斷裂線1的裂隙趨于閉合，上部的覆巖巖層仍然存在細微離層。當工作面推進至135 m時，斷裂帶向上發(fā)育，下部的斷裂帶裂隙閉合，斷裂線前移出現(xiàn)斷裂線3。當工作面推進至165 m時(見圖4(f))，斷裂線前移且出現(xiàn)斷裂線4，垮落帶、斷裂帶和彎曲帶，以及上覆的厚松散層區(qū)分明顯。當工作面推進至175 m 時(見圖4(g))，彎曲帶范圍內(nèi)出現(xiàn)新的離層，斷裂線移向工作面前方，形成斷裂線5。當工作面推進至190 m時(見圖4(h))，垮落帶、斷裂帶和彎曲帶最終形成且趨于穩(wěn)定，斷裂線前移至斷裂線7。

根據(jù)上述相似模擬實驗并結(jié)合失穩(wěn)巖塊垮落情況可知：垮落帶范圍為10～25 m；斷裂帶高度為 43～48 m；位于48 m之上的部分巖層表現(xiàn)為彎曲離層狀態(tài)，但沒有貫通裂縫，處于較好的連續(xù)性狀態(tài)，因此48 m之上的巖層均歸入彎曲帶范圍。上述模擬實驗呈現(xiàn)出明顯的“三帶”結(jié)構(gòu)。

文獻[19]通過井下鉆孔注水漏失量觀測、鉆孔電視方法實測了該工作面的垮落帶高度(16.1 m)與斷裂帶高度(45.7～46.7 m)，且存在明顯的“三帶”結(jié)構(gòu)。綜上可知本文實驗結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果相近，驗證了相似模擬實驗分析的合理性。

3 采動覆巖“三帶”內(nèi)巖層位移特征

基于上述預先埋設的檢測線，進一步從采動覆巖位移角度分析厚松散層軟弱覆巖“三帶”演化特征。

在圖2中選取靠近9#煤層的3條非編碼點水平觀測線(g、f、e線)，分析厚松散層軟弱覆巖采動“三帶”內(nèi)巖層的位移情況。根據(jù)上述相似模擬實驗可知，直接頂板垮落后，隨著工作面繼續(xù)推進，工作面上覆巖層均出現(xiàn)了不同程度的垮落失穩(wěn)與下沉現(xiàn)象。

在11915工作面推進過程中位移監(jiān)測線g、f、e線的位移數(shù)據(jù)曲線如圖5所示。根據(jù)圖2可知，這 3條監(jiān)測線分別位于9#煤層上方約7.5、38、68 m。結(jié)合上述采動覆巖“三帶”發(fā)育過程模擬分析可知，g線、f線、e線分別位于垮落帶、斷裂帶與彎曲帶范圍內(nèi)，因此，g線、f線、e線可分別反映垮落帶、斷裂帶與彎曲帶的巖層位移特征(負值表示位移下沉，正值代表位移上升)。

(a)垮落帶內(nèi)測線(g線)監(jiān)測巖層位移

由圖5(a)可知，從模型左側(cè)開挖，在工作面推進過程中，煤層頂板依次發(fā)生垮落，處于垮落帶范圍內(nèi)的巖塊呈現(xiàn)出不連續(xù)性，在終采線一側(cè)，垮落曲線趨于光滑，說明垮落步距減小，覆巖垮落幅度降低，最大垮落達6 400 mm(g15點)。由圖5(b)可知，處于覆巖斷裂帶的下沉曲線波動性較小，說明斷裂帶內(nèi)巖塊相比于垮落帶內(nèi)巖塊間的連續(xù)性較好。由于失穩(wěn)巖塊具有碎脹性，處于斷裂帶失穩(wěn)巖層的最大下沉量為4 500 mm(f10點)。由圖5(c)可知，處于彎曲帶的覆巖巖層下沉量最小，在工作面推進前期，e測線的下沉量變化不大，彎曲變形不明顯；隨著工作面的推進，高層位覆巖彎曲變形量逐漸變大，當工作面推進至190 m時，覆巖彎曲變形最大下沉量約為 725 mm?？傮w上，位于覆巖彎曲帶的曲線對稱性較好，曲線波動性不大。

綜上可知，隨著工作面的推進，位于垮落帶、斷裂帶與彎曲帶內(nèi)巖層位移曲線波動性不同，巖層位移曲線波動性排序依次為垮落帶>斷裂帶>彎曲帶，說明垮落帶內(nèi)的巖塊不連續(xù)性最大，斷裂帶次之，彎曲帶內(nèi)的巖層呈現(xiàn)較好的連續(xù)性。

4 結(jié)論

1)基于葛泉煤礦厚松散層軟弱覆巖11915綜放工作面實際采礦地質(zhì)條件，設計了相似模擬模型，確定了相似系數(shù)，建立基于編碼點坐標系與非編碼點覆巖運移觀測點系。

2)分析了11915綜放工作面推進時的直接頂初次垮落、高位覆巖破壞動態(tài)過程，得出覆巖“三帶”高度范圍，以及采動覆巖“三帶”內(nèi)巖層位移特征：位于垮落帶、斷裂帶與彎曲帶內(nèi)巖層位移曲線波動性呈遞減趨勢。

3)根據(jù)相似模擬實驗得出11915綜放工作面垮落帶范圍為10～25 m，斷裂帶高度范圍為43～48 m，位于48 m之上的巖層屬于彎曲帶范圍，與現(xiàn)場實測結(jié)果相近，驗證了該實驗的合理性。