近水平特厚煤層放頂煤開采覆巖移動規(guī)律試驗研究

趙鵬遠 朱傳杰 翁旭澤 戚緒堯 劉 謙 任 潔 胡思佳 劉 娜 周靖軒

(1. 中國礦業(yè)大學安全工程學院,江蘇省徐州市,221116;2.同煤大唐塔山煤礦有限公司,山西省大同市,037000;3.龍巖學院資源工程學院,福建省龍巖市,364012)

近水平特厚煤層厚度很大，側(cè)向滑移小，基本以覆巖垂直移動為主。放頂煤綜采時，上覆巖層變形移動幅度大，下沉明顯，裂縫大而深，開采引起的地表急劇下沉和寬大裂縫對環(huán)境破壞大[1-2]。開采過程中不僅破壞環(huán)境，而且存在向井下漏風與潰水的可能，易產(chǎn)生煤層自燃或突水事故[3]。此外，放頂開采容易造成瓦斯瞬間涌出，造成嚴重的事故災害[4]。因此，掌握特厚煤層開采覆巖移動規(guī)律，對指導類似礦井災害防治具有重要意義。

針對厚煤層或特厚煤層的開采覆巖移動規(guī)律及其應力、應變演化特征，以往學者做了大量研究。劉超[5]等人得出采動下覆巖不斷劣化，其內(nèi)部細觀損傷積累最終引起覆巖破壞。林海飛[6]等人提出了“采動裂隙圓角矩形梯臺帶”工程簡化模型。但隨著煤層埋深的不同，覆巖移動規(guī)律也大不相同，如山西安家?guī)X4#煤層(煤厚約10.35 m，開采深度約 285 m)，下沉量約11 m左右，而 9#煤層(平均煤厚約11.82 m，開采深度約340 m)最大下沉量卻達到21 m左右，裂隙帶隨采動影響逐漸波及地表[7]。對于同樣埋深的王家?guī)X煤礦2#煤層(平均厚度約 6.20 m，覆巖厚度 286.4 m)，裂隙帶最終發(fā)育高度約為 115.6 m，最大下沉量為 5.6 m[8]，因此煤層埋深和厚度是覆巖移動的主要影響因素之一。此外，煤層上部巖層也影響覆巖移動規(guī)律[9-10]。總之，采場覆巖移動規(guī)律是一個非常復雜的問題，受煤層、覆巖類型、埋藏深度、煤層及覆巖厚度等眾多因素影響。 因此隨著埋深加大，覆巖移動存在加劇的趨勢。

盡管以往很多學者對特厚煤層的覆巖移動規(guī)律做了大量研究，但是由于我國煤層賦存和分布的差異性，不同礦井的覆巖移動特征存在很大不同，本文主要根據(jù)巖體的連續(xù)性和可變性，對煤層上部覆巖內(nèi)的移動變形和在特厚煤層開采過程中引起的上覆巖層移動規(guī)律、裂隙發(fā)育規(guī)律和應變規(guī)律進行研究。采用相似材料模擬的方法，開展試驗室相似模擬和數(shù)值仿真研究，結(jié)合塔山礦3-5#煤層大采高特點，研究近水平特厚煤層高強度開采工作面引起的地表沉陷、巖層破斷規(guī)律以及采動覆巖移動規(guī)律，通過模擬計算煤層頂板的下沉量、下沉速度以及裂隙發(fā)育高度移動變形規(guī)律，為類似條件下的特厚煤層開采提供借鑒。

1 試驗方案設計

1.1 模型基本參數(shù)

該物理相似模型以塔山煤礦3-5#煤層為原型，該煤層厚度為8.36～29.21 m，平均為17.52 m；傾角為2°～6°，平均為3°，3-5#煤層采用放頂煤工藝進行開采，采煤高度為3.8 m，放煤高度14.1 m，采放比為1:3.72，循環(huán)進度、放煤步距均為0.8 m，月進尺160 m；在工作面初采期間，因為頂煤不垮落或頂煤垮落高度不夠，工作面前20 m不放頂煤，且停采線前30 m到停采線，只割煤不放煤。根據(jù)相似準則，結(jié)合原型工作面的采礦地質(zhì)條件，確定各物理相似模擬試驗模型的幾何相似比為150∶1，容重相似比為1.667∶1，應力比為250:1。 即搭建2.5 m×0.2 m×1.7 m的物理模型，在頂部施加29704.9 Pa的載荷，其中煤層厚度為0.12 m，開挖高度為0.1017 m，開挖距離共計2 m，單次開挖距離為0.018 m，開挖時間間隔為0.5 h，共計開挖時間25 h，共開挖50步。

1.2 相似材料參數(shù)計算

以塔山礦3-5#煤層工作面為基礎建立二維相似模型，模型包括煤層直接底至地表，共28層，模型比例為150∶1，尺寸2.5 m×0.2 m×1.7 m。試驗材料配比如表2所示，建立的試驗模型如圖1所示。

表1 相似模型試驗材料配比表

圖1 相似模擬試驗模型

1.3 模型測線布置

為觀測工作面推進過程中覆巖垮落應力變化，在沿煤層頂板由下至上的巖層中共布設4條測線，測線1距8#煤層頂板0.02 m，測線2距3-5#煤層頂板0.02 m，測線3距3-5#煤層頂板0.3 m，測線4距3-5#煤層頂板0.8 m。每條測線沿煤層開采方向布置11個測點，相鄰兩測點間距0.2～0.25 m，整個模型共計布設44個測點，測點和工作面布置如圖2所示，通過靜態(tài)電阻應變儀，記錄試驗數(shù)據(jù)。

圖2 模型測線與測點布置

1.4 模型觀測

試驗采用非接觸式全場應變測量系統(tǒng)對整個模型的位移進行監(jiān)測，該系統(tǒng)型號為Vic-2D，系統(tǒng)采用數(shù)字圖像相關(guān)性運算法則，為試驗提供二維視野的位移及應變數(shù)據(jù)測量。系統(tǒng)主要包括工業(yè)數(shù)位相機、光學鏡頭、照明系統(tǒng)、配套筆記本、Flycapture軟件、Vic-2D軟件。試驗采用噴散墨汁的方式，在模型表面生成隨機的墨點，墨點與模型表面顏色形成強烈對比，以便監(jiān)測系統(tǒng)捕捉，并記錄運行狀態(tài)，模型隨機散斑，試驗系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 試驗系統(tǒng)圖

2 結(jié)果與分析

2.1 裂隙發(fā)育情況

模型自然晾干15 d后，在對應距實際比例煤層左邊界37.5 m處開挖，因采用放頂煤工藝，前20 m煤層作為切眼，只進行割煤，不放煤(對應模型寬度為0.133 m)。之后按時間相似比開采模型，每0.5 h向前推進1.8 cm。在工作面推進過程中，對每次循環(huán)割煤和放煤時間進行記錄，對頂煤和煤層頂板的垮落特征采用非接觸式全場應變測量系統(tǒng)進行信息采集并拍照，得到煤層開采直接頂垮落情況，如圖4所示。

圖4 隨煤層開采上部巖層垮落情況

隨著工作面的持續(xù)推進，開挖75.6 m左右，覆巖仍沒有發(fā)生垮落，位于裂隙場頂部的離層裂隙呈平行分布，煤巖交界面逐漸出現(xiàn)裂隙，開始出現(xiàn)離層現(xiàn)象，當工作面推進至91.8 m時，煤層上方4 m厚的直接頂由于離層距離達到一定程度，在自重和上覆巖層壓力下發(fā)生初次垮落，垮落的巖塊較破碎，塊度較小，但由于開采工作面高，頂煤厚度較大，垮落后的巖層不能完全充填后部形成的采空區(qū)。

工作面繼續(xù)向前推進至110.7 m時，沿煤巖界面再次垮落，基本頂同時達到極限跨距，發(fā)生初次斷裂。當工作面推進至127 m時，基本頂上分層再次破斷，同時基本頂上覆巖層開始出現(xiàn)離層現(xiàn)象。繼續(xù)開挖8 m后，基本頂上分層垮落，上覆巖層內(nèi)離層裂隙向上發(fā)育，離層最大發(fā)育高度距煤層頂板27 m，最大離層量為5 m。

工作面繼續(xù)推進至165 m時，直接頂再次周期破斷，破斷步距為20 m，垮落帶高度為9 m，工作面繼續(xù)推進過程中垮落覆巖塊度變大，隨著離層覆巖增高，垮落巖塊增多。工作面推進至189 m處，基本頂上層頂再次破斷，老頂垮落，離層裂隙發(fā)育至煤層頂板96 m處，工作面繼續(xù)推進，當推進至210.6 m時，根據(jù)相似模擬模型可知，縱向破斷裂隙的發(fā)育高度不斷向地表發(fā)育，當工作面繼續(xù)向前推進時，上方覆巖的進一步出現(xiàn)裂隙，垮落的覆巖由于具有較大的沖擊力，下方距煤層頂板80 m內(nèi)的垮落模型層直接被損壞，離層裂隙沿工作面推進方向持續(xù)發(fā)展。當工作面推進至224 m時，基本頂再次出現(xiàn)周期性垮落，垮落步距約24 m，覆巖距煤層頂150 m處有橫向裂隙發(fā)育，并伴有細小的縱向裂隙發(fā)育，且裂隙逐漸發(fā)育至最上層砂巖。從整個試驗過程可以得出，在煤層開采的初始階段，頂煤不能及時垮落，但隨著工作面的不斷推進，頂煤在上覆巖層壓力和自身重力作用下，冒放性良好，和常規(guī)煤層開采覆巖移動特征基本相同。整個開采過程中，采場上覆巖層具有分層破壞的特性，巖層自上而下分層下沉、垮落，且在垮落過程中，各巖層的離層垮落過程并不是自上而下逐層垮落，而是依據(jù)各巖層的性質(zhì)和厚度進行而發(fā)生“跨越式”垮落。

通過觀測工作面推進時裂隙發(fā)育情況，得到裂隙發(fā)育高度變化趨勢如圖5所示。通過裂隙發(fā)育高度趨勢圖可以看出，隨著工作面的推進，受開采厚度和巖層移動的波及，裂隙的發(fā)育高度逐漸增加，當工作面推進至220 m時，裂隙的發(fā)育高度就已接近160 m。與厚度較小的煤層相比，本試驗得到的裂隙發(fā)育速度快、高度大。例如，王莊煤礦8101綜采工作面[11](煤層厚度平均約6.3 m，采高6.3 m)和趙固二礦[12](煤層平均厚度6.2 m，埋深大于680 m，開采厚度5.5～6.0 m)的裂隙帶發(fā)育高度分別約為60 m和101 m。可見，與厚度較小的煤層開采相比，塔山礦等特厚煤層開采過程中，遺留的空間較大，造成關(guān)鍵層不斷垮落，上部巖層裂隙發(fā)育較為迅速且顯著，繼而逐漸垮落，且在停采后，煤層后方采空區(qū)垮落未破壞的模型中，裂隙基本被壓實閉合。

圖5 裂隙發(fā)育高度曲線

2.2 覆巖移動變形規(guī)律

采用全場非接觸應變監(jiān)測系統(tǒng)記錄開采過程中采場覆巖及地表的Vic-2D豎直位移變化云圖見圖6，其中縱坐標表示云圖的位移變化量。

圖6 垮落法開采時覆巖豎直位移云圖

通過模擬可以得出，距離煤層越近，覆巖下沉量越大，隨工作面回采頂板逐漸垮落，覆巖不斷出現(xiàn)離層與裂隙。觀測開采過程中上覆巖直接頂、基本頂?shù)鹊囊苿幼冃我?guī)律，在煤層開采過程中頂板下沉量隨工作面推進距離增大而增大，相比之下，離工作面較高的巖層頂板下沉量小于工作面上方較近覆巖。因此，在工作面上方基本頂與采空區(qū)頂板之間的區(qū)域內(nèi)，位移變化量比較明顯，說明該區(qū)域受煤層開采的影響較大。此外根據(jù)模擬結(jié)果可以得出，隨著巖層裂隙的不斷發(fā)育，巖層出現(xiàn)較大的彎曲和離層，在彎曲下沉頂板的兩邊，模型縱向位移變化明顯，通過對數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，繪出巖層隨工作面推進的相對位置變化，即覆巖移動和變形情況如圖7所示。

圖7 模型不同水平測點最終下沉曲線

由圖7模型測點最終下沉曲線可知，工作面回采后，距離煤層3 m處的最大下沉量達到14.3 m，距離煤層45 m處的最大下沉量為10.6 m，距離煤層80 m處的最大下沉量達到9.3 m。覆巖的下沉過程中各點的下沉量并不連續(xù)，且不完全同步，其中巖層下沉曲線的形態(tài)呈現(xiàn)非對稱性，即偏態(tài)性。與塔山礦開采面極其相似的朱仙莊采區(qū)一區(qū)段工作面煤層(厚度平均10 m，埋深約250 m裂隙的發(fā)育高度為66.3 m，最大下沉量約10 m)[13]等特厚煤層相比，塔山礦煤層上部巖層下沉量較大，煤層開采后的遺留空間會較大，垮落的塊狀結(jié)構(gòu)隨垮落而破碎，無法填充整個采空區(qū)，容易造成瓦斯或煤自燃等災害。

2.3 開采過程中覆巖下沉速度變化

記錄距離始采線150 m內(nèi)的基本頂、老頂?shù)入S工作面回采過程中的位移變化，分別取距離煤層頂板40 m、82 m和136 m處的下沉量和下沉速度變化進行分析，如圖8所示。

圖8 開采時測點的下沉量和下沉速度

當工作面推進至100 m時，覆巖開始出現(xiàn)下沉趨勢；至120 m時下沉速度開始明顯加快；推進至150 m時測點處巖層下沉速度達到峰值，最大下沉速度達到5.2 m/d；推進至250 m時，隨著巖層裂隙的壓實閉合，下沉速度變緩；推進至300 m以后下沉速度趨近于0。工作面回采過程中，基本頂測點的下沉量較大，且最先達到下沉速度最大值，距煤層136 m處的下沉量達到8.93 m，下沉速度達到3.19 m/d，由圖8可知上覆巖層的下沉速度經(jīng)歷了“緩慢—逐漸增大到峰值—快速減少—趨于穩(wěn)定”的過程，在煤層開采過程中，裂隙發(fā)育速度曲線的波動除與開采擾動有關(guān)外，主要與巖層的性質(zhì)有關(guān)，如果裂隙發(fā)育遇到松軟巖層，則離層裂隙發(fā)育速度較快，反之則慢。

2.4 煤層應變和應力變化規(guī)律

測點應變隨工作面推進的變化曲線見圖9。從圖9可以看出，煤層上方不同區(qū)域應變變化趨勢不同，在工作面前方形成了微弱的超前壓力，并隨工作面的推進而不斷移動。根據(jù)不同的測線可以得出，煤層開采至150 m左右時，上部巖層發(fā)生巨大變化，此時在距煤層頂板3 m處，由于上部巖層冒落產(chǎn)生的自重，應力不斷上升，當應力達到峰值后，下方應力拱向高處傳遞，迅速泄壓，整個應力變化趨勢呈“n”字型。距煤層頂板48 m處，隨煤層開采下部巖層發(fā)生離層現(xiàn)象，應力呈下降趨勢，當隨著巖層垮落壓實，下部應力拱上移，應力不斷升高。在距煤層123 m處，由于開采初期，煤層裂隙發(fā)育高度較低，應力變化趨勢基本平穩(wěn)；當工作面推進至150 m左右時，隨著下部巖層垮落、離層等現(xiàn)象，應力急劇下降。

圖9 測點應變隨工作面推進變化曲線

綜上所述，隨著工作面的推進，上部巖層裂隙不斷出現(xiàn)離層、壓實、閉合、離層、擴大和垮落等過程，應力測試點的應力受上方巖層裂隙發(fā)育和地應力的綜合影響，且應力變化與裂隙發(fā)育特征基本吻合，當巖層承受的拉應力大于其抗拉強度，巖層出現(xiàn)離層裂隙，當裂隙進一步發(fā)育，失去了連續(xù)性，整個巖層發(fā)生垮落。

3 結(jié)論

(1)塔山礦3-5#煤層埋深較深，開采厚度較厚，屬特厚煤層，在整個煤層回采過程中，上覆巖層自下向上出現(xiàn)不同程度的彎曲下沉和垮落，應力場重新分布，致使采動裂隙隨著開挖工作處于不斷演化的過程，最大下沉量達到14.3 m，且位于采空區(qū)中部，兩端隨與中心距離的增大而減小。

(2)隨著工作面開采，頂板出現(xiàn)明顯的離層，裂隙發(fā)育較大，并出現(xiàn)周期性斷裂，經(jīng)歷大面積初次垮落之后呈周期性垮落，頂板呈整體性破壞；工作面回采以后，在開切眼與工作面兩端形成破斷裂隙，隨著開挖距離的進一步加大，位于采空區(qū)上部中央?yún)^(qū)域內(nèi)的裂隙被逐漸壓實，而離層裂隙開始向上演化，最大高度發(fā)育到160 m處，地表以彎曲下沉為主，采動破壞較為嚴重。

(3)在煤層開采過程中由于上部巖層下沉量較大，沖擊力較大，造成模型采空區(qū)內(nèi)垮落的頂損壞，無法形成砌體梁結(jié)構(gòu)，造成模型繼續(xù)塌落，即相應的煤層老頂開始大范圍垮落，其中最大下沉速度達到5.2 m/d左右。此外，由于開采煤層高度大，直接頂厚度較小，難以充滿采空區(qū)，因此基本頂破斷時，下沉量較大，這使得采空區(qū)內(nèi)滯留大量空氣，易造成瓦斯或煤自燃等災害。