王智民 ，梁運(yùn)培 ，鄒全樂(lè) ，張碧川 ，冉啟燦

（1.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400044；2.重慶大學(xué) 資源與安全學(xué)院, 重慶 400044）

0 引 言

在地理環(huán)境、成煤條件等因素的影響下，我國(guó)煤層普遍存在碎軟、低滲透性的特點(diǎn)，這也給煤礦瓦斯治理帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。煤炭開采的采動(dòng)卸壓作用往往會(huì)使得煤層的滲透性有所提高，進(jìn)而改善瓦斯在煤層中的解吸和流動(dòng)狀態(tài)。采動(dòng)卸壓區(qū)地面井瓦斯抽采技術(shù)就是運(yùn)用了該原理，利用煤層開采的采動(dòng)卸壓作用使得瓦斯大量涌出，進(jìn)而利用地面鉆井充分抽采卸壓范圍內(nèi)涌出的瓦斯[1-4]。但同時(shí)采動(dòng)作用引起的巖層移動(dòng)也必然會(huì)對(duì)采動(dòng)范圍內(nèi)的地面井井身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，進(jìn)而導(dǎo)致地面井的失穩(wěn)破壞。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)近水平、單一煤層開采情況下地面井的變形規(guī)律、失穩(wěn)模式、失穩(wěn)機(jī)制等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，建立了地面井套管的剪切破壞、拉伸破壞、擠壓破壞等數(shù)學(xué)模型。孫海濤等[5]基于采場(chǎng)上覆巖層組合劃分規(guī)律建立了地面鉆井變形破壞的層面拉剪變形破壞模型，并在晉城礦區(qū)地面鉆井試驗(yàn)中進(jìn)行了驗(yàn)證。魯義等[6]利用地面沉降理論，建立了地面垂直鉆井井身位移與變形的數(shù)學(xué)模型,得到了鉆井水平位移與水平變形的函數(shù)，并基于數(shù)值模擬軟件FLAC，實(shí)現(xiàn)了地面垂直鉆井水平應(yīng)力場(chǎng)的模擬。WHITTLES[7]利用數(shù)學(xué)模型分析了不同地質(zhì)條件下，采動(dòng)區(qū)地面井井身破壞的影響因素。PéRIé[8]根據(jù)鉆井周圍的圍巖破壞特征，提出了鉆井圍巖中間主應(yīng)力是導(dǎo)致鉆井發(fā)生變形破壞的重要影響因素。錢鳴高等[9]結(jié)合采動(dòng)巖層移動(dòng)規(guī)律和關(guān)鍵層理論分析了地面鉆井的破壞形式及破壞規(guī)律。劉玉洲等[10]通過(guò)計(jì)算地面鉆井在不同深度的水平位移和垂直變形，分析得出鉆井主要遭受軸向拉壓、徑向剪切和徑向擠壓3 種破壞模式，并提出鉆井主要因遭受剪切破壞而失效。孫海濤等[11]利用相似模擬試驗(yàn)分析了近水平煤層重復(fù)采動(dòng)下地面井的變形規(guī)律，并提出重復(fù)采動(dòng)影響下地面井的剪切變形呈現(xiàn)出“增大→減小→增大→減小”的反復(fù)錯(cuò)動(dòng)的活動(dòng)特征。

對(duì)地面井變形失穩(wěn)的研究最終落腳點(diǎn)是判別其高危位置并提出合理的井身局部防護(hù)措施。國(guó)內(nèi)學(xué)者利用數(shù)值模擬、相似模擬試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等對(duì)水平煤層開采情況下地面井的高危位置的判別方法及合理的井身局部防護(hù)措施進(jìn)行了研究。PENG 等[12]通過(guò)數(shù)值模擬研究了地面井高危位置的破壞機(jī)理。袁亮[13]通過(guò) COSFLOW 和 FLUENT 數(shù)值模擬軟件研究了鉆井直徑對(duì)鉆井穩(wěn)定性的影響，并提出通過(guò)增大鉆井直徑提高鉆井穩(wěn)定性，延長(zhǎng)鉆井的使用壽命。梁運(yùn)培等[14-15]從巖層移動(dòng)的角度出發(fā)分析了地面鉆井不同布井位置對(duì)井身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。李日富等[16]分析了地面鉆井抽采瓦斯效率的影響因素，并提出當(dāng)鉆井布置在靠近回風(fēng)巷一側(cè)時(shí)，可延長(zhǎng)鉆井的抽采壽命。陳金華等[17]通過(guò) FLAC3D軟件研究了在壓縮、拉伸和剪切條件下鉆井的失效類型，確定了影響鉆井失效的一般因素和鉆井基本的失效模式，并在成莊煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。

巖層移動(dòng)是導(dǎo)致地面井變形失穩(wěn)的決定性因素，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)大傾角煤層群開采下的覆巖移動(dòng)規(guī)律開展了大量研究。解盤石等[18]采用大比例三維物理相似模擬試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的研究手段,深入分析了偽俯斜采場(chǎng)初采階段和正?；夭呻A段頂板應(yīng)力演化規(guī)律。楊科[19]綜合運(yùn)用了井下鉆孔三維成像對(duì)再生頂板結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)、基于聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)的相似物理模擬和理論分析3 種技術(shù)手段，對(duì)大傾角煤層綜采面再生頂板結(jié)構(gòu)、垮落特征進(jìn)行了研究。姚琦[20]通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，探究了急傾斜走向分段充填傾向覆巖破壞特性及移動(dòng)規(guī)律，張俊英[21]利用三維有限元模擬研究，分析了地表沉降、煤柱應(yīng)力與開采煤層數(shù)、煤層間距及相互位置等的相互關(guān)系。

從目前的研究來(lái)看，在利用相似模擬或者數(shù)值模擬研究采動(dòng)區(qū)地面井變形時(shí)，通常只是采用布置監(jiān)測(cè)線的方式來(lái)間接反映地面井的變形情況，并沒(méi)有實(shí)際的將模擬地面井管道放入地層模型中，這就導(dǎo)致試驗(yàn)過(guò)程無(wú)法體現(xiàn)圍巖與地面井的耦合作用，進(jìn)而使得最終的試驗(yàn)結(jié)果不夠準(zhǔn)確。同時(shí)，目前的研究大多針對(duì)近水平單一煤層開采，但我國(guó)煤層賦存條件較為復(fù)雜，多為傾斜煤層且往往是多個(gè)煤層的接替開采，這就導(dǎo)致大量關(guān)于單一近水平煤層開采情況下地面井變形規(guī)律的研究結(jié)論不能完全適用。

因此，采用相似模擬試驗(yàn)，分析了大傾角多重采動(dòng)條件下上覆煤巖的移動(dòng)特征，探究了大傾角多重采動(dòng)區(qū)地面井的變形規(guī)律，為地面井技術(shù)在工程中的應(yīng)用提供理論支撐。

1 大傾角煤層群開采相似模擬試驗(yàn)

1.1 模型搭建

根據(jù)相似原理搭建試驗(yàn)裝置時(shí)，要求模型在幾何形狀、應(yīng)力應(yīng)變、位移參數(shù)等同類物理量必須按一定比例相似。其中相似原理[22-23]表述為：若有2 個(gè)系統(tǒng)(模型與原型)相似，則它們的幾何特征和各個(gè)對(duì)應(yīng)的物理量必然互相成為一定的比例關(guān)系，這樣就可以由模型系統(tǒng)的物理量推測(cè)原型相應(yīng)的物理量，相似三定理也是進(jìn)行相似模擬試驗(yàn)的理論依據(jù)。

1）幾何相似。在相似模擬試驗(yàn)中，需模型與原型各部分的尺寸按同樣的比例放大或縮小，達(dá)到幾何相似。本文中的相似模擬試驗(yàn)裝置為二維平面模型，其長(zhǎng)寬比厚度要大很多，長(zhǎng)寬的選取主要是根據(jù)工程實(shí)際情況來(lái)確定，而模型的厚度主要根據(jù)模型的穩(wěn)定性要求和相關(guān)厚度的選取經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定。

2）物理相似。根據(jù)模型所要解決的實(shí)際問(wèn)題，選取其中起控制作用的物理參數(shù)。本模型研究煤層開采對(duì)地面井變形破壞的影響，相似模擬試驗(yàn)所需考慮的主要參數(shù)有：下角幾何尺寸l、容重 γ、彈性模量E、應(yīng)力 σ、開挖時(shí)間t等，用下角p 和m 分別表示原型和模型的物理量，C表示相似常數(shù)，將各物理量之間的相似比定義為：Cl=lplm=100，Cγ=γpγm=1.5，Ct=tp/tm=20，Cσ=C1Cγ=σP/σm=150,CE=Cσ=150。

3）邊界條件。模型的邊界條件應(yīng)盡量與原型一致。利用本相似模擬試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，在受地下開采影響前，模型的上部邊界是自由邊界，下部為限制豎直位移的邊界條件，左側(cè)和右側(cè)為限制水平位移的邊界條件。

4）初始條件。初始狀態(tài)是指原型的自然狀態(tài)，對(duì)本試驗(yàn)而言，主要的初始狀態(tài)是各巖層的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。本試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谐坏孛婢┻^(guò)的部分煤巖層因鉆孔施工受到較小擾動(dòng)外，其余各煤巖層均為完整層狀結(jié)構(gòu)，且層與層之間利用云母粉制造軟弱結(jié)構(gòu)面。

本相似模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵孕陆S爾溝礦區(qū)1930 煤礦的24312 工作面為原型，工作面走向長(zhǎng)度553 m ，傾斜長(zhǎng)度173 m ，煤層平均傾角30°，工作面回采范圍內(nèi)無(wú)斷層、褶皺構(gòu)造，采用走向長(zhǎng)壁采煤法，工作面日推進(jìn)長(zhǎng)度為8 m，地面井相關(guān)參數(shù)如下，地面井一開孔徑444.5 mm 二開孔徑347.6 mm 三開孔徑241.3 mm，終孔位置于4 號(hào)煤層頂板之上3 m，埋深116 m。試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽鐬?.5 m×0.1 m×1.5 m，根據(jù)各種相關(guān)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)（表1），確定了相似試驗(yàn)各煤巖層的材料配比，相似材料主要包括沙、石膏、碳酸鈣、水，各巖層間均勻撒上云母粉制造巖層間的軟弱結(jié)構(gòu)面。模型從下至上依次水平鋪設(shè)，為防止搭建過(guò)程中模型發(fā)生失穩(wěn)坍塌，待模型整體搭建完成后，再旋轉(zhuǎn)模型至巖層與水平面成30°夾角，取下兩側(cè)部分擋板徹底風(fēng)干，最后拆除所有擋板，并進(jìn)行開挖試驗(yàn)。

表1 煤巖層物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Physical and mechanical properties of coal strata

1.2 模擬方案

鋪設(shè)模型過(guò)程中，在3 號(hào)煤層里埋設(shè)了10 個(gè)應(yīng)力傳感器，根據(jù)覆巖采動(dòng)卸壓情況將傳感器分別布置于距離模型左邊界20、30、40、50、60、70、80、90、100、110 cm 處，分別編號(hào)為Y301～Y310 用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)3 號(hào)煤層的垂直應(yīng)力變化，模擬地面井管道采用直徑為10 mm 壁厚為1 mm 的薄壁鋁管，垂直于水平面布置在距離模型左邊界60 cm 處，終孔位置位于4 號(hào)煤層頂板之上，地面井管道的變形由貼附于管道內(nèi)表面的應(yīng)變片監(jiān)測(cè)，并在應(yīng)變片表面涂上隔離膠，基于目前有關(guān)采動(dòng)地面井變形的研究表明，地面井的變形失穩(wěn)情況多發(fā)生于地層與地層交界的位置，因此本試驗(yàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置情況如下：測(cè)點(diǎn)分別布置于距4 號(hào)煤層頂板15 cm (D點(diǎn))、35 cm (C點(diǎn))、50 cm (B點(diǎn))、65 cm (A點(diǎn))，盡可能讓監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置處于層與層結(jié)合位置的附近，以更好地監(jiān)測(cè)地面井的變形情況，相似模擬試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 大傾角多重采動(dòng)下地面井變形相似模擬試驗(yàn)Fig.1 Simulation experiment of surface well deformation under multiple mining with large dip angle

試驗(yàn)過(guò)程為了消除模型邊界效應(yīng)的影響，模型的左右邊界均預(yù)留30 cm。開挖順序從上到下依次為4 號(hào)煤層、5 號(hào)煤層、6 號(hào)煤層。每個(gè)煤層的開挖都是從距模型左側(cè)邊界30 cm 處向右側(cè)開挖，每次開挖10 cm，連續(xù)推進(jìn)90 cm。按時(shí)間比例，每次開挖間隔時(shí)間為2 h，每個(gè)煤層開采后，經(jīng)過(guò)10 h 的覆巖穩(wěn)定期，開始下一煤層的開采，直至3 個(gè)煤層全部開挖完成。試驗(yàn)過(guò)程中動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀與應(yīng)力傳感器全程采集數(shù)據(jù)（圖2），每次開挖完成后對(duì)模型進(jìn)行拍照，記錄巖層移動(dòng)情況，穩(wěn)定過(guò)程中出現(xiàn)的明顯垮塌現(xiàn)象同樣進(jìn)行了拍照記錄。

圖2 監(jiān)測(cè)儀器與數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)Fig.2 Monitoring instrument and data collection system

2 大傾角煤層群采動(dòng)區(qū)巖層移動(dòng)規(guī)律

2.1 覆巖垮落過(guò)程

試驗(yàn)過(guò)程中，頂板及上覆巖層的垮落過(guò)程如圖3所示。

圖3 多煤層開采下頂板及覆巖垮落情況Fig.3 Caving of roof and overlying rock under multi-seam mining

開挖4 號(hào)煤層過(guò)程中，工作面推進(jìn)至20 cm 時(shí)，煤層頂板巖層破斷，形成直接頂?shù)某醮慰迓?，垮落的第一巖塊（開切眼附近）長(zhǎng)度為8 cm，第二塊巖塊長(zhǎng)度為10 cm，裂隙距離煤層高度7 cm；當(dāng)工作面推進(jìn)至50 cm 時(shí)，煤層頂板上覆巖層發(fā)生組合垮落，與底板形成角度為10°，巖塊高度為8 cm，長(zhǎng)度為24 cm，破斷裂隙最大開度為0.8 cm，裂隙距離煤層有10 cm；工作面推進(jìn)至90 cm 時(shí)，上覆巖層中出現(xiàn)一條由上往下與煤層夾角為20°的貫穿裂隙，長(zhǎng)度為22 cm。

開挖5 號(hào)煤層過(guò)程中，工作面推進(jìn)至20 cm 時(shí)，煤層頂板巖層發(fā)生斷裂，形成直接頂?shù)某醮慰迓?，垮落為兩段，垮落的第一巖塊（開切眼附近）長(zhǎng)度為9 cm，第二塊巖塊長(zhǎng)度為9 cm，裂隙距離煤層底部有4 cm；工作面推進(jìn)至50 cm 時(shí)，煤層頂板第一巖層發(fā)生第三次塌落，塌落巖塊長(zhǎng)度為15 cm，煤層上方第二巖層出現(xiàn)離層裂隙，長(zhǎng)度為19 cm；工作面推進(jìn)至90 cm 時(shí)，煤層頂板第一巖層斷裂但未塌落，斷裂巖塊長(zhǎng)度為11 cm，左側(cè)斷裂角為60°，煤頂部第二巖層的離層裂隙左側(cè)壓實(shí)，右側(cè)延長(zhǎng)至34 cm，上部覆巖層由上往下的破斷裂隙開度變大為1 cm，同時(shí)3 號(hào)煤層下部的主關(guān)鍵層發(fā)生斷裂，導(dǎo)致3 號(hào)煤層出現(xiàn)彎曲下沉現(xiàn)象。

開挖6 號(hào)煤層過(guò)程中，工作面推進(jìn)至20 cm 時(shí)，煤頂板第一巖層和第二巖層組合垮落，巖塊長(zhǎng)度為20 cm，巖塊右側(cè)斷裂，左側(cè)塌落，煤層頂部第四巖層出現(xiàn)離層裂隙，長(zhǎng)度為13 cm；工作面推進(jìn)至50 cm時(shí)，煤層頂板第一巖層和第二巖層組合塌落，塌落巖塊長(zhǎng)度為11 cm，3 號(hào)、4 號(hào)、5 號(hào)煤層同時(shí)出現(xiàn)垮落現(xiàn)象，垮落范圍變大；工作面推進(jìn)至90 cm 時(shí), 煤層頂板第一巖層7 cm 巖塊右側(cè)塌落，煤頂板第二巖層離層裂隙發(fā)生擴(kuò)展長(zhǎng)度為9 cm，開度為0.5 cm，上部覆巖層由上往下的破斷裂隙開度變大為3 cm。隨著開挖的進(jìn)行，采空區(qū)中部的離層裂隙被壓實(shí)，而在開切眼側(cè)破斷裂隙和裂隙發(fā)育明顯。

從覆巖垮落圖可以看出，巖層的垮落情況與水平煤層開采時(shí)存在明顯差異，整體垮落情況呈現(xiàn)出一種不對(duì)稱的形式，這就導(dǎo)致開采引起的覆巖卸壓作用范圍存在非對(duì)稱性。

2.2 煤巖應(yīng)力變化規(guī)律

3 號(hào)煤層共布置了10 個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)從左到右依次為Y301～Y310。其中編號(hào)為Y303、Y305和Y307 的3 個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)不可用，共收集得到7 個(gè)可用的應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。獲得的7 個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)在工作面推進(jìn)過(guò)程中垂直應(yīng)力呈現(xiàn)兩種變化規(guī)律，“增→減→增”型和“增→減→增→減→增”型（圖4）。4、5、6 號(hào)煤層開挖過(guò)程中，3 號(hào)煤層監(jiān)測(cè)點(diǎn)的垂直應(yīng)力先升高再降低，經(jīng)歷了一次加卸載過(guò)程，在晚上停采階段，3 號(hào)煤層各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的垂直應(yīng)力幾乎保持不變。

圖4 3 號(hào)煤層應(yīng)力曲線Fig.4 Stress curve of No.3 coal seam

3 號(hào)煤層的不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在不同煤層開采階段受到的加卸載程度不同。Y301、Y302 測(cè)點(diǎn)在4 號(hào)煤層開采時(shí)第一次受到明顯的加卸載作用，在6 號(hào)煤層開采時(shí)又受到一次加卸載作用，且第一次的強(qiáng)度明顯大于第二次；Y308、Y310 測(cè)點(diǎn)在5 號(hào)煤層開采時(shí)第一次受到明顯的加卸載作用，在6 號(hào)煤層開采時(shí)第二次受到加卸載作用，且第一次加卸載作用明顯大于第二次；Y304、Y306、Y309 測(cè)點(diǎn)在開采4 號(hào)、5 號(hào)、6 號(hào)煤層時(shí)均受到明顯加卸載作用，第一次與第二次加卸載強(qiáng)度相當(dāng)且都高于第三次的加卸載強(qiáng)度。

整個(gè)開采過(guò)程中，3 號(hào)煤層的應(yīng)力變化在空間上存在不對(duì)稱的情況，在時(shí)間上不同煤層的開采引起的應(yīng)力變化情況也有所不同。

3 大傾角煤層群采動(dòng)區(qū)地面井變形特征

地面井各位置的變形情況如圖5、圖6 所示，由于試驗(yàn)過(guò)程中B點(diǎn)軸向應(yīng)變片損壞，未采集到該點(diǎn)軸向應(yīng)變數(shù)據(jù)，但從環(huán)向變形數(shù)據(jù)看該點(diǎn)變形情況與整體規(guī)律相符。在此規(guī)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)中拉伸為正值，壓縮為負(fù)值。試驗(yàn)結(jié)果中地面井的環(huán)向應(yīng)變認(rèn)為是由巖層的剪切作用產(chǎn)生的，軸向應(yīng)變則是是由巖層的拉伸、壓縮作用產(chǎn)生的。

圖5 地面井軸向變形曲線Fig.5 Axial deformation curve of surface well

圖6 地面井環(huán)向變形曲線Fig.6 Surface well circumferential deformation curve

從整體可以看出地面井在煤層開采過(guò)程中受到拉伸、擠壓、剪切的綜合作用，這也是地面井在工程應(yīng)用中這么容易發(fā)生變形破壞的原因。從圖5、圖6變形曲線來(lái)看，與近水平煤層開采時(shí)情況相同，整個(gè)開采過(guò)程中地面井主要受到拉伸作用和剪切作用，地面井的軸向出現(xiàn)拉伸與壓縮交替出現(xiàn)的情況，且各點(diǎn)的拉壓狀態(tài)與所處位置和開采時(shí)間有很大的關(guān)系，但與近水平煤層開采時(shí)不同的是，在傾斜煤層開采過(guò)程中地面井的剪切作用方向一般不會(huì)出現(xiàn)正反兩個(gè)方向的反復(fù)剪切作用，而只會(huì)受到傾斜方向的剪切作用；每一層煤層從開采階段到停采穩(wěn)定階段，地面井都經(jīng)歷一個(gè)“加載-卸載-穩(wěn)定”的過(guò)程；每次工作面經(jīng)過(guò)地面井下方位置時(shí)，即曲線圖中每個(gè)開采階段的中間位置，地面井都會(huì)出來(lái)一個(gè)相對(duì)較大的變形，這是由于地面井管道本身破壞了巖層的完整性和穩(wěn)定性，使得地面井管道周圍的巖體強(qiáng)度變低更容易發(fā)生破壞，巖體的破壞和巖層的移動(dòng)又導(dǎo)致了地面井管道發(fā)生變形；在開采過(guò)程中，地面井管道的變形情況呈現(xiàn)越往深部，變形越大的特點(diǎn)，且從圖中可以明顯看出，由于采動(dòng)引起的覆巖移動(dòng)總是由工作面不斷向上部傳遞，導(dǎo)致了淺部位置的變形曲線突變點(diǎn)總是滯后于深部位置。

在開采完5 號(hào)煤層后的停采穩(wěn)定期內(nèi)，地面井各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置都發(fā)生了一次較大的變形突變，特別是C點(diǎn)位置，從原來(lái)的拉伸狀態(tài)變成壓縮狀態(tài)。C點(diǎn)位置處于一層厚度為19.6 cm 的中砂巖層中，其厚度遠(yuǎn)高于其他巖層。從關(guān)鍵層的角度分析，由于關(guān)鍵層的存在采場(chǎng)上覆巖層的變形、破斷、離層和地表沉陷等一系列礦壓顯現(xiàn)規(guī)律主要由堅(jiān)硬巖層中的關(guān)鍵層控制，關(guān)鍵層的斷裂、破壞導(dǎo)致覆巖發(fā)生劇烈的移動(dòng)，由此在短時(shí)間內(nèi)對(duì)地面井產(chǎn)生巨大的沖擊作用，進(jìn)而導(dǎo)致地面井在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較大的變形[24]。從以上特點(diǎn)來(lái)看，C點(diǎn)所處的位置即為關(guān)鍵層所處的位置，從變形曲線來(lái)看，在關(guān)鍵層斷裂之前，由于離層拉伸作用C點(diǎn)位置的地面井處于拉伸狀態(tài)，在關(guān)鍵層斷裂塌陷后，地面井由拉伸狀態(tài)轉(zhuǎn)為壓縮狀態(tài)，變形過(guò)程如圖7 所示。從巖層塌陷圖來(lái)看，在開采完5 號(hào)煤層后，地面井在關(guān)鍵層位置出現(xiàn)了明顯的斷裂并產(chǎn)生了明顯的彎曲下沉現(xiàn)象（圖8），這也從側(cè)面印證C點(diǎn)所處的巖層為關(guān)鍵層。

圖7 關(guān)鍵層作用下的地面井受力情況示意Fig.7 Schematic diagram of surface well stress under the action of key strata

圖8 5 號(hào)煤層開采停采期塌陷Fig.8 Subsidence diagram of No.5 coal seam during stoppage of mining

從各點(diǎn)的變形曲線來(lái)看，軸向應(yīng)變與環(huán)向應(yīng)變都一直存在，且環(huán)向應(yīng)變總是大于軸向應(yīng)變，這說(shuō)明地面井在采動(dòng)作用過(guò)程中受到的剪切作用占主導(dǎo)地位，且開采過(guò)程中軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變的變化總是同時(shí)進(jìn)行。以主關(guān)鍵層為界線，整個(gè)開采過(guò)程中地面井的變形規(guī)律可以分為關(guān)鍵層上部呈現(xiàn)“增大-減小”反復(fù)交替三次的規(guī)律，關(guān)鍵層及下部呈現(xiàn)“增大-減小”反復(fù)交替四次的規(guī)律，即每一次煤層的開采都是一個(gè)加卸載的過(guò)程，而停采期相對(duì)于開采過(guò)程地面井的變形變化較為平緩，但由于主關(guān)鍵層的存在，在開采完5 號(hào)煤層后，主關(guān)鍵層出現(xiàn)斷裂破壞，導(dǎo)致地面井在停采期也出現(xiàn)了一個(gè)較大的變形過(guò)程（圖9）。除此以外，軸向應(yīng)變的變化總是與環(huán)向應(yīng)變的變化方向相反，即軸向應(yīng)變?cè)龃髸r(shí)環(huán)向應(yīng)變減小，軸向應(yīng)變減小時(shí)環(huán)向應(yīng)變?cè)龃?，這一點(diǎn)說(shuō)明地面井在采動(dòng)影響下發(fā)生變形的過(guò)程中，環(huán)向的剪切變形與軸向的伸縮變形存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，同時(shí)在一定程度上說(shuō)明地面井所受的剪切作用和拉壓作用存在相互制約的關(guān)系。

圖9 地面井各點(diǎn)變形曲線Fig.9 Surface well deformation curve at each point

4 結(jié) 論

1）大傾角煤層開采時(shí)，巖層的垮落情況與近水平煤層開采時(shí)存在明顯差異，整體垮落情況呈現(xiàn)出一種不對(duì)稱的形式，這也導(dǎo)致了開采引起的上覆巖層的卸壓范圍存在非對(duì)稱性，同時(shí)上層煤層的應(yīng)力變化在空間也存在不對(duì)稱的情況，而在時(shí)間上不同煤層的開采引起的應(yīng)力變化情況也有所不同。

2）開采過(guò)程中，地面井管道一直處于剪切、擠壓、拉伸的復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)，但由于煤巖層傾角的存在，導(dǎo)致煤巖層自重力更多的施加在地面井管道的徑向方向，因此環(huán)向應(yīng)變總是大于軸向應(yīng)變，即地面井在采動(dòng)作用過(guò)程中所受的剪切作用占主導(dǎo)地位，同時(shí)，徑向剪切變形與軸向的伸縮變形存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，在一定程度上說(shuō)明地面井所受的剪切作用和拉壓作用存在相互制約的關(guān)系。

3）地面井軸向的變形規(guī)律雖整體是增大趨勢(shì)，但過(guò)程中出現(xiàn)拉縮交替的現(xiàn)象，與近水平煤層開采時(shí)軸向變形一直增大的現(xiàn)象存在較大差異；而環(huán)向的剪切變形則與水平煤層開采較為相似，出現(xiàn)反復(fù)錯(cuò)動(dòng)的特點(diǎn)，但最終的剪切位移的方向始終是煤層的傾斜方向。

4）開采過(guò)程中，關(guān)鍵層的斷裂對(duì)地面井有較大影響，主關(guān)鍵層上部地面井變形出現(xiàn)了“增大-減小”反復(fù)3 次交替，關(guān)鍵層及下部呈現(xiàn)“增大-減小”反復(fù)四次交替，即每一層煤層的開采類似于一次加卸載的過(guò)程，而在停采期地面井的變形變化較為平緩。