厚松散層軟弱覆巖工作面“三帶”發(fā)育特征與高度研究

劉超杰，高運(yùn)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(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)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(kāi)采引起地層原巖應(yīng)力重新分布，導(dǎo)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(dòng)覆巖的“三帶”[1-2]。采動(dòng)覆巖“三帶”發(fā)育特征與高度對(duì)含(隔)水層下采煤、瓦斯治理的保護(hù)層安全開(kāi)采具有重要意義[3-6]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)采動(dòng)覆巖“三帶”高度進(jìn)行了大量研究。錢(qián)鳴高院士提出的“砌體梁”結(jié)構(gòu)模型為采動(dòng)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(guó)中厚煤層開(kāi)采垮落帶、斷裂帶高度與煤層采高、覆巖巖性的關(guān)系[8]；我國(guó)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》中指出覆巖“三帶”高度主要與巖性和采高有關(guān)[9]；許家林等提出了一種基于關(guān)鍵層位置預(yù)計(jì)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(yù)計(jì)斷裂帶高度的方法[11]；張宏偉等提出了特厚煤層綜放開(kāi)采斷裂帶高度的理論計(jì)算方法[12]；郭小銘等采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法研究了強(qiáng)沖擊礦壓礦井綜放開(kāi)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(jì)算斷裂帶高度的公式[14]。

上述學(xué)者對(duì)一般地質(zhì)條件下的采動(dòng)覆巖斷裂帶高度進(jìn)行了較為充分的研究，但針對(duì)厚松散層軟弱基巖覆巖地質(zhì)條件下采動(dòng)覆巖運(yùn)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(jìn)一步豐富我國(guó)不同地質(zhì)條件礦區(qū)的巖層移動(dòng)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(kāi)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(zhǎng)度約950 m，傾向長(zhǎng)度平均80 m。該工作面開(kāi)采方法為綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)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(guò)100 m(卵石19 m、黏砂土65 m、表土層18 m)。根據(jù)文獻(xiàn)[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(xì)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(shè)與壓煤開(kāi)采指南》，根據(jù)覆巖綜合評(píng)價(jià)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(jì)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(píng)價(jià)系數(shù)。

根據(jù)圖1并結(jié)合式(1)計(jì)算，覆巖巖性綜合評(píng)價(jià)系數(shù)P=0.765，評(píng)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(kāi)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(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)11915綜放工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，按照幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、視密度相似和彈性模量相似等條件，模擬現(xiàn)場(chǎng)頂板垮落、高層位覆巖破斷與厚松散層沉降過(guò)程。本次相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為采礦平面應(yīng)力相似模擬實(shí)驗(yàn)鋼模架，其長(zhǎng)、寬、高分別為2.50、0.25、1.50 m。根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(qiáng)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(zhǎng)×寬×高)為2.50 m×0.25 m×1.21 m。由于采用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)寬度有限，本次研究?jī)H分析該工作面沿走向方向的覆巖“三帶”發(fā)育過(guò)程。

模型制作時(shí)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(duì)于較厚的覆巖分層需再進(jìn)行細(xì)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(kāi)挖前，需根據(jù)三維光學(xué)攝影測(cè)量系統(tǒng)(XJTUDP)的要求，建立基于編碼點(diǎn)的坐標(biāo)系和非編碼點(diǎn)的覆巖運(yùn)移觀測(cè)點(diǎn)系。部分編碼點(diǎn)張貼于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的邊界及交點(diǎn)處，用于建立觀測(cè)的豎向XOY平面；編碼點(diǎn)的另一部分張貼于相似模擬材料的表面。非編碼點(diǎn)以左右相距100 mm為標(biāo)準(zhǔn)間隔布置在模型材料表面。實(shí)驗(yàn)共布置了7行22列非編碼點(diǎn)，線號(hào)由上至下分別為a～g，共計(jì)154個(gè)非編碼點(diǎn)。制作完成的模型如圖2所示。

圖2 相似模擬模型圖

在測(cè)點(diǎn)布置好后，即可進(jìn)行開(kāi)挖前(首次)觀測(cè)，該觀測(cè)數(shù)據(jù)作為采動(dòng)前的原始數(shù)據(jù)。

2.2 相似模擬模型開(kāi)挖

本次模擬兩次相鄰開(kāi)挖間隔時(shí)間為30 min，開(kāi)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(huà)尺度標(biāo)記，開(kāi)挖工具為定制的長(zhǎng)柄平頭鋼鏟，開(kāi)挖時(shí)盡量模擬現(xiàn)場(chǎng)割煤機(jī)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(jìn)鏟；并通過(guò)三維光學(xué)攝影測(cè)量系統(tǒng)記錄覆巖移動(dòng)、垮落及離層等，在所有準(zhǔn)備工作完成后，進(jìn)行模型開(kāi)挖及覆巖運(yùn)移觀測(cè)。

2.3 相似模擬結(jié)果與分析

2.3.1 直接頂初次垮落過(guò)程

相似實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ烷_(kāi)挖過(guò)程中，11915工作面直接頂板初次垮落過(guò)程如圖3所示?？梢钥闯觯诠ぷ髅嫱浦?～30 m時(shí)，直接頂因自身強(qiáng)度，處于懸空狀態(tài)未發(fā)生破斷垮落；當(dāng)工作面推至45 m時(shí)，覆巖因達(dá)到極限跨距，發(fā)生初次垮落。此時(shí)，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(jìn)至15 m (b)推進(jìn)至30 m (c)推進(jìn)至45 m

2.3.2 采動(dòng)高位覆巖破壞動(dòng)態(tài)過(guò)程

相似實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸ぷ髅嫱七M(jìn)過(guò)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(guò)程及不同推進(jìn)距離時(shí)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(jìn)，覆巖破壞向上發(fā)育。由圖4(a)可以看出，當(dāng)工作面推進(jìn)至72 m時(shí)，采動(dòng)波及至上覆巖層導(dǎo)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(dāng)工作面推進(jìn)至84 m 時(shí)(見(jiàn)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(dāng)工作面推進(jìn)至96 m時(shí)(見(jiàn)圖4(c))，未失穩(wěn)的巖層(粉砂巖)出現(xiàn)細(xì)微離層。當(dāng)工作面推進(jìn)至105 m時(shí)(見(jiàn)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(shí)失穩(wěn)垮落至采空區(qū)，這時(shí)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(dǎo)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(dāng)工作面推進(jìn)至120 m時(shí)(見(jiàn)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(jìn)向前移動(dòng)，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(xì)微離層。當(dāng)工作面推進(jìn)至135 m時(shí)，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(dāng)工作面推進(jìn)至165 m時(shí)(見(jiàn)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(dāng)工作面推進(jìn)至175 m 時(shí)(見(jiàn)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(dāng)工作面推進(jìn)至190 m時(shí)(見(jiàn)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(shí)驗(yàn)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(méi)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(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)出明顯的“三帶”結(jié)構(gòu)。

文獻(xiàn)[19]通過(guò)井下鉆孔注水漏失量觀測(cè)、鉆孔電視方法實(shí)測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果相近，驗(yàn)證了相似模擬實(shí)驗(yàn)分析的合理性。

3 采動(dòng)覆巖“三帶”內(nèi)巖層位移特征

基于上述預(yù)先埋設(shè)的檢測(cè)線，進(jìn)一步從采動(dòng)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(diǎn)水平觀測(cè)線(g、f、e線)，分析厚松散層軟弱覆巖采動(dòng)“三帶”內(nèi)巖層的位移情況。根據(jù)上述相似模擬實(shí)驗(yàn)可知，直接頂板垮落后，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，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(jìn)過(guò)程中位移監(jiān)測(cè)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(cè)線分別位于9#煤層上方約7.5、38、68 m。結(jié)合上述采動(dòng)覆巖“三帶”發(fā)育過(guò)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(fù)值表示位移下沉，正值代表位移上升)。

(a)垮落帶內(nèi)測(cè)線(g線)監(jiān)測(cè)巖層位移

由圖5(a)可知，從模型左側(cè)開(kāi)挖，在工作面推進(jìn)過(guò)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(shuō)明垮落步距減小，覆巖垮落幅度降低，最大垮落達(dá)6 400 mm(g15點(diǎn))。由圖5(b)可知，處于覆巖斷裂帶的下沉曲線波動(dòng)性較小，說(shuō)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(diǎn))。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(jìn)前期，e測(cè)線的下沉量變化不大，彎曲變形不明顯；隨著工作面的推進(jìn)，高層位覆巖彎曲變形量逐漸變大，當(dāng)工作面推進(jìn)至190 m時(shí)，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(duì)稱性較好，曲線波動(dòng)性不大。

綜上可知，隨著工作面的推進(jìn)，位于垮落帶、斷裂帶與彎曲帶內(nèi)巖層位移曲線波動(dòng)性不同，巖層位移曲線波動(dòng)性排序依次為垮落帶>斷裂帶>彎曲帶，說(shuō)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(shí)際采礦地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)了相似模擬模型，確定了相似系數(shù)，建立基于編碼點(diǎn)坐標(biāo)系與非編碼點(diǎn)覆巖運(yùn)移觀測(cè)點(diǎn)系。

2)分析了11915綜放工作面推進(jìn)時(shí)的直接頂初次垮落、高位覆巖破壞動(dòng)態(tài)過(guò)程，得出覆巖“三帶”高度范圍，以及采動(dòng)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(dòng)性呈遞減趨勢(shì)。

3)根據(jù)相似模擬實(shí)驗(yàn)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(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果相近，驗(yàn)證了該實(shí)驗(yàn)的合理性。