軟弱風(fēng)化薄基巖賦存特征及其采動覆巖破壞規(guī)律

宋立兵， 李 果， 魏宏濤， 聶宇旭

(1.神東煤炭集團公司技術(shù)研究院， 神木 719315； 2.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院， 徐州 221116)

在薄基巖及上部存在富含水層條件下開采，由于基巖易被導(dǎo)水裂縫帶貫通，導(dǎo)致工作面突水、涌砂；另外，在基巖厚度很小的情況下，支架的附加荷載因上覆松散層隨薄基巖垮落而增大，易導(dǎo)致壓架事故發(fā)生。因此，研究薄基巖礦區(qū)基巖賦存特征、采動影響下薄基巖的變形破斷及其運動規(guī)律以及在運動過程中與松散層間的相互耦合作用關(guān)系，對實現(xiàn)軟弱風(fēng)化薄基巖下的煤層安全開采，防止突水地質(zhì)災(zāi)害，具有重要的意義。

薄基巖區(qū)采煤，主要水害來自風(fēng)化帶基巖水及上覆松散含水層的水。關(guān)于水體下采煤，不乏許多成功實例，一些礦區(qū)采用以隔離為主的措施，嘗試建立帷幕改造以及對主要補給水源的水力通道進行阻斷[1]，局部疏干為輔；對采煤工藝進行改進，減小導(dǎo)水裂縫帶高度[2-3]；對松散層底部保護層完整度，有無隔水層和隔水黏土層的厚薄情況進行分析研究[4-6]，研究方法包括物理模型和數(shù)值模擬等用于分析覆巖破壞[7-10]；物探方法及其主要應(yīng)用也被用于礦山安全生產(chǎn)[11-12]。

現(xiàn)重點對研究區(qū)水體類型特征、巖層賦存條件及上覆巖層的水文地質(zhì)條件、地層結(jié)構(gòu)分析，并根據(jù)地質(zhì)采礦條件利用相似材料模型試驗、數(shù)值模擬預(yù)測移動破壞規(guī)律，分析覆巖垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶的高度、空間形態(tài)，并對煤層安全開采進行評價，提出相應(yīng)的防治水措施。

1 軟弱風(fēng)化薄基巖賦存特征

錦界井田內(nèi)構(gòu)造簡單，地層平坦，緩緩向北西傾斜的單斜構(gòu)造，傾角小于1°。無褶皺和巖漿活動，除前期物探查明的三條高角度正斷層F1、F2和F3外，無大型波狀起伏。經(jīng)實際的采掘工作揭露情況來看，F(xiàn)2和F3斷層并不存在，F(xiàn)1斷層也位于井田邊界及以外，因此區(qū)內(nèi)并無落差較大的斷層存在。

錦界煤礦31114工作面地表上覆第四系風(fēng)積沙。地層結(jié)構(gòu)自上而下為：砂層厚3.75～50 m，總體趨勢由切眼到回撤通道逐漸變薄，90聯(lián)巷附近最厚為50 m，J405號鉆孔附近最薄為3.75 m，巖性以淺黃色、褐黃色細砂、粉砂為主，分選較好，磨圓度較差。下伏土層厚0～79.3 m，總體趨勢回撤通道附近最厚為79.3 m，工作面中部J405、J406號鉆孔附近為天窗區(qū)。直羅組風(fēng)化基巖厚4.32～42.02 m，工作面中部較厚，向兩側(cè)逐漸變薄，最薄處在回撤通道附近約4.32 m，巖性組成主要為巨厚層狀黃灰、局部紫雜色中-粗粒長石砂巖，分選良好，多為滾圓度次棱角狀。3-1煤正常基巖厚28.24～56.61 m，JB303-1附近最薄為28.24 m，最厚處在運順65聯(lián)巷附近，厚度為56.61 m。

工作面水文地質(zhì)條件如下，上覆含水層包括砂層和風(fēng)化基巖含水層，31105～31112工作面的回采和長期疏放水的效果較為明顯。風(fēng)化基巖含水層厚4.32～42.02 m，全區(qū)分布，其中回撤通道附近區(qū)域最薄，為工作面回采時直接充水水源，補給水源較充足。

2 相似模擬試驗

2.1 實驗設(shè)計

試驗以研究區(qū)煤礦31114工作面薄基巖綜采工作面為研究背景，該工作面開采3-1煤層，煤層埋深91 m，基巖(包括風(fēng)化基巖)厚45 m，松散層厚46 m，采高3 m，工作面設(shè)計走向長369 m，傾斜長526 m。

模型采用二維試驗臺，按 1∶100的幾何比沿煤層走向?qū)δ骋黄拭孢M行模擬，模型尺寸長260 cm、寬30 cm、高80 cm。上覆未模擬的巖土層所施加的應(yīng)力采用外部荷載補償。研究區(qū)主要的地層及巖性力學(xué)參數(shù)依據(jù)勘探及室內(nèi)物理力學(xué)指標(biāo)確定，如表 1所示，根據(jù)原型確定模型線性相似常數(shù)100，時間相似常數(shù)10，容重相似常數(shù) 1.67，應(yīng)力及強度相似常數(shù)均為167。

為使得實驗更符合實際煤層開采情況，在搭建的模型兩端各留設(shè)50 cm以上的煤柱，以此減小誤差，實驗的出的數(shù)據(jù)更具有參考性。開挖方向由左向右，沿著巷道向前推進，在模型上開采厚度為3 cm,相當(dāng)于實際采厚的3 m，每隔2 h工作面向前推進5 cm,相當(dāng)于每天6 m的開采量，以右側(cè)巷道為停采線。

為了更加清楚地觀測模型地變形情況，在其表面沿煤層走向分層布置位移測點，采用ET-02型電子經(jīng)緯儀進行實時觀測，對煤層開挖時的上覆巖層垮落帶及導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育情況進行記錄，并用相機系統(tǒng)記錄每次開采時上覆巖層的移動變形情況，然后利用數(shù)字圖像處理的方法，得出煤層頂板的移動變形值。

表1 覆巖力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Mechanical properties of overlying strata

2.2 結(jié)果分析

當(dāng)煤層開采時，上部巖層由于缺少下部煤層的承載力，應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，巖層發(fā)生松動。隨著工作面向前推進，與煤層直接接觸的巖層懸跨度逐漸增大，造成頂板位移、離層，當(dāng)巖層達到其極限破壞斷距時發(fā)生斷裂垮落，上覆巖層沉降量也隨之增大，推進距離與頂板位移量呈正相關(guān)。工作面推進時巖層變形、破壞、垮落如圖1所示。

圖1 模型中3-1煤開采110 m時覆巖破壞情況Fig.1 Overburden failure of model 3-1 when 110 m mining advance

當(dāng)工作面推進20 m時，觀測到部分測點發(fā)生移動，向前推進50 m時，直接頂垮落，巖層破裂高度為15 m；工作面推進80 m 時，第2次垮落發(fā)生，未垮落的巖層中產(chǎn)生裂縫，巖層破裂高度增加至35 m，開切眼一側(cè)附近與工作面端部有豎向裂縫出現(xiàn)，在中部斷裂的上部垮落巖層在兩端形成鉸接結(jié)構(gòu)。此時垮落巖層已至基本頂。工作面推進到110 m時，基本頂再次垮落，巖層破壞高度增加至40 m，與上部巖層局部脫離，脫離高度約1.2 m。頂板裂隙發(fā)育高度在開采過程中的變化曲線如圖2所示。

圖2 工作面推進過程中覆巖破壞高度的變化Fig.2 Changes of overburden failure height during the advancement of working face

上覆巖層以層或組的方式進行移動，模型頂板巖層產(chǎn)生2.8 cm的下沉量(相當(dāng)于實際2.8 m)。隨著工作面推進，上覆巖層塑性區(qū)不斷擴大，在縱向和橫向上快速發(fā)育。上覆巖層中強度高的巖層仍作為整體進行移動，強度低的薄巖層依附于未破碎的整體進行運動。煤層直接頂范圍內(nèi)的巖體受采動影響較大，隨著工作面的推進相繼垮落，而直接頂上部巖層受下部尚未垮落的直接頂承載作用未立即垮落，當(dāng)工作面繼續(xù)向前推進，直接頂?shù)拇竺娣e垮落使得基本頂下方懸空，達到其極限破壞斷距，繼而垮落。垮落帶及裂縫帶高度不會向上無限擴張，當(dāng)工作面推進超過一定范圍時發(fā)育基本停止。

2.2.1 垮落帶

工作面采煤結(jié)束，待模型穩(wěn)定后實施觀測，測得垮落帶高度為 8～10 m，為采高的2.7～3 倍，工作面前后方垮落巖石與水平面形成的夾角分別約為58°和70°。下位巖層垮落帶因垮落破碎及上部巖層的壓砸作用，呈現(xiàn)不規(guī)則形態(tài)，這部分巖層厚度為煤層采出厚度的1.5～2.0倍；上位老頂因厚度、強度相對較大，不易破碎而整體垮落，形成規(guī)則垮落帶，其結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，老頂在垮落過程中與已垮落巖石相作用，形成類似“半拱式”的折斷結(jié)構(gòu)。

2.2.2 裂縫帶

裂縫帶位于垮落帶上部，相較于垮落帶受采動影響稍小，此區(qū)域巖層層次性保持完整，內(nèi)部裂隙廣泛發(fā)育，部分裂隙貫通巖層，溝通上部含水層。此外，層與層之間部分發(fā)育有層間裂隙。這些裂隙隨著采動的變化而開閉，裂縫帶內(nèi)巖塊呈規(guī)則排列。裂縫帶在開切眼附近的發(fā)育高度為42 m左右，在靠近停采線的40 m，分別約為采高的14倍、13.3倍。

2.2.3 彎曲下沉帶

此區(qū)域自裂縫帶直至地表，發(fā)生整體性的緩和移動，巖體結(jié)構(gòu)與天然狀態(tài)基本相同，巖層中無豎向裂隙產(chǎn)生。

3 離散元模型與覆巖運動規(guī)律分析

3.1 模型的建立

采用UDEC(universal distinct element code)對開采過程中上覆巖層運動規(guī)律進行研究。以研究區(qū)綜采工作面走向剖面為現(xiàn)場模型，建立數(shù)值模型，以礦區(qū)生產(chǎn)地質(zhì)條件為依據(jù)，對煤層采厚為3.0 m的情況進行模擬，確定本模型頂煤塊度為0.5 m×0.5 m(寬×高)，直接頂及老頂模擬厚度分別為10 m和8 m，模擬老頂斷裂步距15 m。整個模型尺寸300 m×235 m(長×高)，對底邊界及左右邊界分別從垂直和水平進行固定。同時考慮表土層厚度、力學(xué)性質(zhì)、基巖厚度及采高等變化對上覆巖層運動的影響。

材料本構(gòu)模型為摩爾-庫侖模型，計算采用的巖石力學(xué)參數(shù)與物理模型相同，如表1所示。

3.2 覆巖的運動規(guī)律

模擬采高3.0 m，支架工作阻力為6 000 kN，基巖厚度為45 m，建立數(shù)值模型，如圖3所示，分別模擬工作面初次來壓，周期來壓及正常推進時候的情況，比較它們之間的上覆巖層運動變化規(guī)律。

圖3 頂板移動規(guī)律Fig.3 Status of roof movement

隨著開采寬度的加大，上方老頂巖塊在工作面第一次周期來壓時巖梁發(fā)生折斷，隨著折斷的巖梁回轉(zhuǎn)下沉、擠壓、與臨近巖塊咬合而形成半拱狀的“砌體梁”結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)可能暫時進入穩(wěn)定狀態(tài)。但當(dāng)工作面繼續(xù)向前推進，咬合的巖塊又將再次分開，老頂發(fā)生規(guī)律性的破斷，并且會一直處于“穩(wěn)定-失穩(wěn)-再穩(wěn)定”的狀態(tài)之中，造成工作面周期性的來壓現(xiàn)象。

支承壓力峰之點處于工作面前方4～12 m范圍內(nèi)，相較于厚基巖在15～25 m內(nèi)出現(xiàn)峰值點有所后移；且支承壓力分布范圍也由40～50 m減少為12 m左右。因老頂?shù)摹捌鲶w梁”結(jié)構(gòu)具有一定的穩(wěn)定性，承載了上覆巖層的部分荷載，使得下方采空區(qū)垂直應(yīng)力降低，且部分區(qū)域應(yīng)力值表現(xiàn)為非負，采空區(qū)后方也因此表現(xiàn)出應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

當(dāng)老頂?shù)谝淮沃芷趤韷簳r，工作面前方支承壓力最大，應(yīng)力集中系數(shù)略大于2；老頂周期來壓時因直接頂垮落不充分，與老頂之間產(chǎn)生離層，造成老頂巖梁活動空間增大，因此支承壓力最大值及影響范圍都比初次來壓時略大。工作面正常推進時上述情況不會發(fā)生，使得前方支承壓力明顯小于老頂初次來壓時的支承壓力，支承壓力集中系數(shù)僅為1.6左右。

3.3 基巖厚度變化的影響

考慮到礦區(qū)各工作面基巖與松散層厚度的變化情況，設(shè)計模擬采深不變，均為91 m，基巖厚度變化，分別為35、45、55 m，比較基巖上覆松散層厚度變化對基巖活動規(guī)律的影響。沿走向剖面的地表沉陷狀況及工作面前方支承壓力分布如圖4、圖5所示。

圖4 基巖厚度變化對地表下沉的影響Fig.4 The impact of surface subsidence on bedrock thickness change

圖5 不同基巖厚度工作面前方支承壓力分布Fig.5 Abutment pressure distribution of the different bedrock thickness

由于軟弱風(fēng)化的巖層在開采過程中無法形成穩(wěn)定的大型結(jié)構(gòu)，因此頂板巖層會裂成小段并坍塌。由圖4可知，基巖越薄，地表下沉量越大。在工作面推進0～100 m范圍內(nèi)，不同基巖厚度對地表下沉量的影響并沒有拉開太大差距；在100～200 m，不同基巖厚度引起的地面下沉量差異明顯；隨著繼續(xù)推進，其差異逐漸縮小。

由圖5所示，不同厚度的基巖帶給工作面前方支承壓力的差異在0～12 m內(nèi)并無太大體現(xiàn)，且不同厚度基巖造成的壓力峰值均出現(xiàn)在12 m處，約為原巖應(yīng)力的2～3倍，在12～60 m處，支承壓力分布有著顯著差異，隨著繼續(xù)推進，差異減小，甚至無差別。

綜上，基巖厚度越薄，地表下沉量越大，對工作面前方的支承壓力越小。且由圖4、圖5中基巖厚度為45、55 m的曲線可知，在45～55 m有一臨界厚度。

3.4 覆巖破壞高度的確定

根據(jù)數(shù)值模擬，并結(jié)合國家煤炭工業(yè)局《建筑物水體鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》，綜合確定了覆巖垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度，如表2所示。

結(jié)合模型試驗、數(shù)值模擬和理論計算，當(dāng)采煤厚度為3 m時，垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶的高度分別為11.5 m和42 m，裂采比為14。

表2 工作面覆巖破壞高度Table 2 Destruction height of overburden in working face

覆巖破壞高度溝通了風(fēng)化基巖含水層，該層為工作面主要含水層，為安全開采，工作面采前施工疏放水鉆孔50余個，完成鉆探總進尺4 271.9 m，鉆孔累計泄水量約92.5×104m3。由地面水文觀測孔觀測結(jié)果可知，施工疏放水前后水位降深5.6 m左右，水位還在繼續(xù)下降，說明有效的降低了含水層水頭高度，大量疏放了工作面風(fēng)化基巖含水層水的靜水量，確保了開采安全。

4 結(jié)論

(1)軟弱風(fēng)化薄基巖頂板的特點是穩(wěn)定性差，膠結(jié)作用弱；薄基巖下開采，基巖層不能形成穩(wěn)定的大型結(jié)構(gòu)，覆巖破壞規(guī)律和“三帶”的發(fā)育不同于正常厚度的基巖。

(2)經(jīng)綜合計算，軟弱風(fēng)化薄基巖下采煤，當(dāng)采高為3 m時，垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶的高度分別為11.5 m和42 m，裂采比為14；采煤工作面前方支承壓力峰值在工作面前方4～12 m內(nèi)。

(3)根據(jù)礦井地面水文觀測孔觀測結(jié)果，施工疏放水能夠有效地降低含水層水頭高度，因此疏放工作面風(fēng)化基巖含水層水的靜水量，做好防排水準(zhǔn)備工作，及時抽排工作面、巷道積水，將有助于預(yù)防水害事故的發(fā)生。