老采空區充水影響下覆巖移動規律研究*

祝 琨,白國良

(1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團北京土地整治與生態修復科技研究院有限公司，北京 100013；3.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

煤炭是我國的基礎能源和重要原料，2019年我國煤炭年產量38.5億t，占世界總產量的47%，占我國一次能源比例約為57.7%，相當長時期內，煤炭作為主體能源地位不會變化[1]。

隨著多年的開采，我國東部地區煤炭資源逐步枯竭，開采條件日漸復雜，生產成本不斷提高，近些年來，我國煤炭開采業的中心向西部轉移。根據煤炭工業發展規劃，“十三五”期間化解淘汰過剩落后產能8億t/a左右，2016年實際已退出煤炭產能或超過3億t，關閉礦井4 800余處，2017年，內蒙、山西、陜西、貴州、新疆等關閉煤礦近1 000處[2]。

伴隨著礦井關閉，礦井涌水停止排泄，地下水水位將逐漸上升，采空區充水后覆巖移動變形規律以及是否會產生二次塌陷是礦區生態修復研究者密切關心的問題，但目前對于采空區充水后覆巖移動變形規律可借鑒的成果較少，相關研究表明采用相似材料模擬采動覆巖移動和變形是可行的[3-4]，本文通過相似材料模擬對采空區充水后覆巖移動規律進行了研究。

1 相似材料物理模型的建立

以淮北煤田某礦地質采礦條件為原型建立相似材料模擬實驗模型，模擬采深(H)200 m，采厚(M)5.00 m，采用3 000 mm×2 000 mm的二維相似材料模擬實驗臺進行。

試驗幾何相似常數取為αl=200；容重相似常數取為αγ=1.5；應力相似常數ασ=αl×αγ=200×1.5=300；時間相似常數為αt=αl1/2=14。根據研究區鉆孔柱狀圖地層巖性選擇實驗相似材料的配比[5]，相似材料模型各巖(煤)層厚度及強度指標如表1所示。

表1 各巖(煤)層厚度及強度指標

模型在頂板各巖層布置位移測點，水平方向測線11條，垂向測線29條，共計319個測點，如圖1所示。試驗中使用三維光學攝影測量系統對模型表面位移進行監測。

圖1 模型測點布置

在覆巖內埋設土壓力盒，試驗中采用YJZ-32A 智能數字應變儀對應力進行監測。模擬開采工作面3個，工作面長度600 mm，區段煤柱25 mm，工作面開采采用一次采空的方式，自左向右依次開挖，采空區位置及土壓力盒埋設位置如圖2所示。

圖2 土壓力盒及工作面布置圖/mm

2 充水影響下覆巖移動模擬與分析

堆筑模型時，在煤層底部鋪設土工布，模型前后兩側預留一定長度的土工布。模擬第一階段對3個工作面進行常規的開挖，進行光學數據的采集，分析巖層移動規律，當巖層移動穩沉后，向上卷起土工布，沿土工布逐步向采空區內注水，模擬地下水浸入采空區，地下水浸入標高控制在采動煤層范圍，浸水后每天進行光學數據的采集與土壓力值測記，持續一星期時間。

為了進一步說明浸水對覆巖下沉的影響，將浸水前后的下沉值相減，得到浸水影響下覆巖下沉變化值，根據“三帶”理論，受采空區充水的影響，位于導水裂縫帶內H行測點下沉值增加情況轉化為原型值如圖3所示。

圖3 充水后H行測點下沉值增加曲線

由圖可知，采空區充水后導水裂縫帶內覆巖下沉值增加相對明顯，這表明采動覆巖在多年自然重力作用下處于相對穩定狀態，但采動巖體導水裂縫帶內孔裂隙依然存在，在采空區充水后水分向上運移，如圖4所示，圖中深色部分為注水后相似材料模型浸濕部分，上覆巖體遇水軟化，孔裂隙進一步壓實，巖體下沉值增加[6-7]。

圖4 采空區充水后模型照片

3 覆巖壓力變化規律

采空區充水后導水裂縫帶內壓力盒壓力變化如圖5所示，由圖可知，充水后導水裂縫帶內巖體壓力不斷增加，壓力呈周期性變化，振幅逐漸減小。這表明采空區充水后巖體遇水軟化，巖體強度降低[8]，在上覆巖層壓力的作用下，巖體進一步壓實，部分測點壓力接近原巖壓力[9]，但也有部分測點壓力相對較小，這表明在導水裂縫帶內由于孔裂隙及離層的存在使巖層壓力相對較低。

圖5 導水裂縫帶巖層壓力變化曲線

充水后彎曲帶內壓力盒壓力變化如圖6所示，由圖可知，采空區充水后彎曲帶內壓力增加，這表明由于礦井正常排水期間導水裂縫帶內的水體已滲入采空區，巖體為干燥狀態，當浸水后巖體遇水膨脹，壓力增加，但壓力并未隨采空區充水時間的延長而增加，這也表明當礦井關閉后地下水位回升，導水裂縫帶內覆巖會出現壓力增加的現象。

圖6 彎曲下沉帶巖層壓力變化曲線

充水后第四系土層內壓力盒壓力變化如圖7所示，由圖可知，第四系土層內壓力變化并不明顯，導水裂縫帶巖體的膨脹變形僅使彎曲帶內離層裂隙進一步閉合，但并未反應至地表。

圖7 第四系土層壓力變化曲線

4 水對巖體的軟化作用研究

水對巖體的抗壓強度起著明顯的影響。當水侵入巖體時，水就順著裂隙孔隙進入，潤濕巖體全部自由面上的每個礦物顆粒。由于水分子的侵入改變了巖體物理狀態，削弱了粒間聯系，使強度降低。其降低程度取決于孔隙和裂隙的狀況、組成巖石的礦物成分的親水性和水分含量、水的物理化學性質等。因此，巖石受水飽和狀態試件的抗壓強度(濕抗壓強度)和干燥狀態試件的抗壓強度是不同的[10]。

水對巖體強度的降低也可以通過靜水壓力對巖體產生的有效應力進行解釋。根據Mohr-Coulomb強度準則，當巖體孔隙及裂隙上作用有水壓力時，其有效正應力為σe=σ-αp，則此時巖體強度公式表示為[11-12]：

τ=(σ-αp)tgφ+C=σtgφ+(C-αptgφ)

(1)

上式可寫成：

τ=σtgφ+Cw

(2)

式中，Cw為水影響后巖體的內聚力。

Cw=C-αptgφ

(3)

按Mohr-Coulomb準則，干燥巖體單軸抗壓強度Rd與內聚力C、內摩擦角φ有如下關系：

Rd=2Ccosφ/(1-sinφ)

(4)

當巖體內有孔隙壓力p時，經按有效應力推導，其單軸濕抗壓強度Rw為：

Rw=Rd-2psinφ/(1-sinφ)

(5)

由式(3)和式(5)可知，水壓作用下巖石內聚力減小了αptgφ，抗壓強度減小了2psinφ/(1-sinφ)。當p不為0時，巖體濕抗壓強度恒小于巖體干抗壓強度。軟化系數λs為：

λs=Rw/Rd=1-(p/C)tanφ

(6)

式(6)表明，C必須大于ptanφ，否則λs為負值；孔隙壓力愈大，軟化系數愈小，當p=0時，λs=1。因此，采空區充水后，水壓作用下巖體內聚力和抗壓強度減小，充水壓力越大巖體強度越低。

巖樣的抗壓強度隨浸水時間變化的實測結果也表明，巖石浸水后強度明顯降低，但在浸水2～4 d后巖石強度趨于穩定，這表明隨著水分的浸入，礦物顆粒之間的毛細管力、表面張力降低，使得巖石內部黏結力降低，宏觀上則體現為巖石發生軟化[13]。不同的巖性其降低幅度是不一樣的，砂巖、泥頁巖抗壓強度降低30%～40%，泥巖抗壓強度降低50%～60%，這對工程實際具有指導意義。

5 結 論

(1)采空區充水后，水壓力作用下巖體內聚力和抗壓強度減小，充水壓力越大巖體強度越低。

(2)采空區充水后水分向上運移，導水裂縫帶的巖體遇水軟化，孔裂隙進一步壓實，巖體下沉值增加；在開采區域外巖層出現了顯現的上升現象。

(3)采空區充水后導水裂縫帶內巖體壓力不斷增加，壓力變化呈周期性變化，振幅逐漸減小。

(4)采空區充水對第四系或地表的影響并不明顯，不會出現地表下沉值大幅增加或突然塌陷等地質災害現象。