采空區覆巖破壞變形特征研究

陳旭江

(山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西 晉城 048006)

隨著回采工作面的推進，致使采空區上覆巖層、體失穩、移動、變形和破壞，并發生有規律的錯斷、垮落、沉降，垂向上由下往上依次形成垮落帶(垮落帶)、裂隙帶(卸壓裂隙帶)及彎曲下沉帶三個特征明顯的區帶(簡稱“豎三帶”)[1-2]。煤巖裂隙是煤礦瓦斯運移(解吸、擴散)、滲透的主要通道[3]，準確預測和劃分“豎三帶”，特別是跨落帶、裂隙帶范圍的確定，是井上下抽采鉆孔終孔層位優選及布置、煤礦開采上限、采煤工藝、礦井水防治、采煤可行性研究和應用、突出礦井解放層選擇開采設計、鄰近層瓦斯抽采研究的一項關鍵且基礎性工作[4-7]。

采礦活動是一個復雜物理、力學變化過程，“豎三帶”的發育特征受采高及開采強度、回采工作面幾何尺寸、覆巖性質及力學特征、采煤工藝等多因素影響，導致不同采空區豎三帶發育特征具有顯著差異性[8-10]。在長期的采礦實踐中，學者們對采礦“豎三帶”進行了大量研究，形成了經驗公式-理論分析[11]、數值仿真模擬[12]、相似模擬[13]及現場探測[14]等多種技術研究方法，為采空區覆巖“豎三帶”預測與劃分提供了理論和技術支撐。本文以晉城礦區成莊礦4322綜采工作面為工程背景，運用真實破裂過程分析軟件RFPA2D對采空區上覆巖層的破壞變形過程進行了數值仿真模擬，掌握了采空區覆巖破壞動態變形規律，并對“豎三帶”發育范圍進行了劃分，研究結果為瓦斯抽采鉆孔、井抽采層位優選及布置、礦井水防治、礦井煤炭開采等提供理論和技術支撐。

1 研究工作面基本概況

成莊礦4322綜采工作面位于該礦中部四盤區，四鄰關系為東鄰4320綜采工作面，西為4308綜采工作面，南為4305、4306綜采工作面，北為2321、2322綜采工作面，四鄰工作面均已回采完畢。開采煤層為3號煤層，厚度5.43～7.68 m，平均6.41 m，采煤工藝為綜合機械化放頂煤，直接垮落法管理頂板。煤層底板標高最低498 m，最高545 m，二者相差47 m。工作面走向長度為1 137.65 m，傾向長度為278.3 m，煤層傾角為1～5°，平均3°，為近水平煤層。3號煤層的偽頂為泥巖，直接頂為粉砂巖，老頂為細粒-中粒砂巖及砂質泥巖，屬于硬質巖石-軟質巖石類型，頂板巖性及物理力學特性測試參數見表1所示。

表1 成莊礦3號煤層頂板巖性及物理力學特性參數

2 采空區覆巖破壞變形基礎理論

隨著工作面回采的持續進行和不斷推進，上覆巖層會隨著煤炭的不斷采出而發生失穩，進而發生頂板垮落、形成離層和裂隙、巖層破斷、巖體下沉彎曲等一系列復雜過程[15]。國內外學者對采空區覆巖移動、破壞及變形規律進行了大量研究，Palchik V[16]認為工作面回采后覆巖存在三個特征不同移動帶；國內學者劉天泉[17]、錢鳴高[18]、黃志安[19]等根據采空區覆巖在橫向、垂向的破壞變形特征和應力場分布特點，提出了“橫三區”和“豎三帶”(圖1)；同時，還形成了巖層關鍵層控制理論[20-21]、巖板理論[22]、傳遞巖梁假說[23-24]、砌體梁理論[25-26]等諸多學術理論或假說。在上述理論研究基礎上，覆巖“豎三帶”理論在礦井瓦斯抽采和防治方面研究更為深入、應用最為廣泛。采空區覆巖裂隙發育程度、類型及分布特征不同，造成采空區瓦斯在“豎三帶”中的運移、聚集和賦存特征有所差異[27]?？迓鋷е胸Q向破斷裂隙極為發育，瓦斯主要來自鄰近煤巖層和本煤層，因垮落帶位于“豎三帶”最下部且與采空區直接“接觸”，采空區存在大量空氣造成該帶瓦斯濃度較低；裂隙帶內不同層段裂隙發育程度及類型有所差異，其中，裂隙帶下部則以豎向破斷裂隙發育為主，上部主要發育離層裂隙，裂隙帶的中下部離層裂隙和豎向破斷裂隙相互溝通，為瓦斯的運移和聚集提供了良好通道和儲集空間，該帶瓦斯易于聚集且濃度較高，是瓦斯抽采的目標層位。裂隙帶上部因豎向裂隙不發育，只有少量高濃度瓦斯聚集在離層裂隙中。彎曲下沉帶僅發生巖層的彎曲沉降，帶內裂隙不發育，僅有極少量鄰近層或圍巖解吸的高瓦斯運移至該帶，但基本不會對礦井瓦斯抽采和防治造成影響。

A—煤壁支撐影響區(a-b)；B—離層區(b-c)；C—重新壓實區(c-d)；Ⅰ—垮落帶；Ⅱ—裂隙帶；Ⅲ —彎曲下沉帶；α—煤壁支撐影響角

3 采空區覆巖破壞變形特征研究

3.1 研究方法

采空區覆巖失穩破斷及裂隙形成是一個非線性變形和動態演化過程，涉及復雜的物理力學問題[28-29]，目前尚缺乏對天然巖體的非均質、非彈性、非連續性、各向異性及物理力學的非線性本質認識和解釋，導致一般試驗設備和試驗方法不能夠對大型的采場運動規律進行研究。真實破裂過程分析軟件RFPA2D具備有限差分法、有限單元法、邊界元法、半解析元法、離散元法等多種程序算法，并充分考慮了巖石破壞變形過程中的非均質、非彈性、非連續性和各向異性，可有效解決采空區覆巖破壞變形復雜工程問題，因而在采動、采空區覆巖破壞變形研究方面應用較多，有力指導了生產實踐[30-33]。為此，本文采用真實破裂過程分析軟件RFPA2D對成莊礦4322綜采工作面采空區覆巖破壞變形特征進行數值仿真模擬研究。

3.2 數值仿真模型構建及模擬

真實破裂過程分析軟件RFPA2D數值仿真模擬模型構建程序工作流程為：首先要基于研究工作面實際尺寸、圍巖巖性及圍巖物理力學特性測定參數(表2)進行實體建模和網格劃分，而后輸入邊界條件和加載控制參數，并輸入基元性質數據，形成剛度矩陣，實現應力、應變分析。最后進行相變分析，形成新的、用于迭代計算的整體介質各基元的物理力學參數。

表2 成莊礦4322綜采工作面覆巖巖性及物理力學特性

按照RFPA2D數值仿真模擬模型構建程序工作流程，構建了成莊礦4322綜采工作面采空區覆巖破壞變形特征數值仿真模擬巖土本構模型：為了節約數值仿真模擬試驗時間且不影響試驗結果精準性，工作面尺寸設置為長300 m，高120 m，模型共劃分為36 000(300×120)個單元網格，構建成垂向剖面模型圖(圖2)。

圖2 成莊礦4322綜采工作面采空區覆巖破壞變形特征數值仿真模擬模型

模型采用分步開挖的方式，每步8 m(即每開挖1步，工作面回采推進8 m)，每開挖1步停留1 h，整個模擬過程共開挖35步工作面回采推進280 m，回采推進距離大于工作面切巷長度278.2 m，這樣避免了見方垮落現象。為了更加真實反映采礦應力的分布及其演化特征，根據覆巖的厚度在構建的模型頂部增加了一個等效重力塊。同時，邊界條件設定為兩端水平約束，垂直方向自重加載，底端固定。

3.3 數值仿真模擬結果分析

通過數值仿真模擬，得到了成莊礦4322綜采工作面回采后覆巖破壞變形特征(圖3(a)-(f))。從數值仿真模擬可知，工作面回采后，覆巖的原位狀態被打破，首先在偽頂、直接頂及其之上巖層間先后出現離層裂隙，同時，在靠近工作面和切眼的兩側受采動拉應力作用影響，形成了與巖層面近似垂直、斜交的豎向破斷裂隙。隨著回采的持續進行和推進，豎向破斷裂隙越發發育，而后貫穿整個偽頂和直接頂，偽頂、直接頂先后形成分層斷裂后、失穩，并發生不規則崩塌垮落，在開挖第35次，工作面回采推進280 m時，采空區覆巖垮落基本穩定，垮落帶發育高度在20 m左右，最高可達24 m(約3～4倍采高)。在垮落帶形成過程中，破斷離層裂隙和豎向裂隙在老頂中逐漸發育，裂隙帶最大發育高度可達56 m(約9倍采高)。在老頂的跨距達到其極限跨距前，則以“假塑性梁”的形式承載著上部載荷，同時，在老頂的上部軟巖層協同下發生彎曲下沉，導致大量的離層裂隙形成，最終形成彎曲下沉帶。

圖3 成莊礦4322綜采工作面采空區覆巖破壞變形特征

4 結 語

1) 采空區覆巖破壞變形是一個動態演化過程，且貫穿于整個采礦活動中。待采空區穩定形成后，覆巖“三帶”發育基本穩定，成莊礦4322綜采工作面采空區覆巖垮落帶最大發育高度24 m(約3～4倍采高)，裂隙帶最大高度可達56 m(約9倍采高)。

2) 采空區覆巖裂隙帶是流體(諸如瓦斯、地下水等)的運移、滲流通道，研究礦井在編制瓦斯抽采和礦井水防治方案時，應根據采空區覆巖裂隙帶發育高度研究預測結果開展，進而提高礦井瓦斯、礦井水防治的有效性和針對性。