采空區垮落頂板形態及其演化特征

李 楊，任玉琦，王 楠，金向陽，歐祥吉，羅軍波，梅燦旗

(中國礦業大學(北京) 能源與礦業學院，北京 100083)

目前，由于原始地層賦存的復雜性與特殊性，我國一些主要生產礦井存在近距離煤層上行開采[1-4]和含水層下開采[5-7]的特殊情況。同時，在系統研究廢棄礦井煤層氣資源開發利用的大背景下，廢棄采空區內煤層氣資源空間分布研究也成為重點[8-13]。因此煤層開采后采空區垮落頂板的形態特征研究成為當下采空區研究的重點內容。

近年來，國內外學者對于工作面頂板礦壓控制理論等方面進行了深入研究，并取得了豐富的成果。錢鳴高院士等[14-15]建立了采場上覆巖層的“砌體梁”結構模型，并提出采場上覆巖層控制的關鍵層理論，形成一套統一的采場礦山壓力與巖層控制理論。許家林等[16-17]基于巖層控制的“砌體梁”結構模型和關鍵層理論分別建立了不同地質賦存、開采條件下的關鍵層破斷塊體的“砌體梁”結構模型，進一步豐富了采場覆巖結構理論。馮國瑞等[18-20]建立了遺煤資源上行開采層間巖層關鍵層的面接觸塊體結構，并基于此提出層間巖層的“塊體梁-半拱”控制結構。朱濤等[21]建立了近距離煤層開采下煤層的“散體-塊體”頂板結構。黃慶享等[22]建立了淺埋煤層采場基本頂周期來壓的“短砌體梁”和“臺階巖梁”結構模型。閆少宏等[23]提出大采高采場頂板的“短懸臂梁-鉸接巖梁”的結構。

而在煤層開采覆巖空間結構的研究上，劉天泉院士[24]提出了工作面開采覆巖的“橫三區、豎三帶”的分區，即采空區縱向上分別為垮落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶，而在橫向上分別為煤壁支承影響區、離層區和重新壓實區。進一步地，又將垮落帶分為下部不規則垮落帶與上部規則垮落帶。郭廣禮等[25]探究了老礦井采空區破裂巖體結構，分為較完整層狀結構、塊列層狀結構、碎裂結構及散體結構，破裂巖體結構對老采空區的變形及空隙分布存在影響。FENG等[26]探究了不同推進距離與采空區積氣空間之間的關系。左建平等[27-29]提出了厚松散層覆巖移動的“類雙曲線”模型，將采場巖層控制與地表沉降有機相聯，更加精確地反映了基巖于松散層的整體移動與變形。SHI等[30]提出一種煤層開采上覆巖層不對稱“W”型裂隙拱概念模型。

總體而言，國內外在對采空區垮落頂板的形態特征研究并不多，且現有研究多采用在相似模擬或數值模擬的方法揭示采空區垮落頂板形態[31-37]，這與現場實際情況存在差異。針對此，筆者從現場實際探測結果出發，詳細分析了采空區垮落頂板形態的特征，結合理論分析的方法，探究了采空區“正-倒置三角形”垮落頂板形態的形成機理，描述了“正-倒置三角形”垮落頂板形態的動態演化特征，給出了“正-倒置三角形”垮落頂板形態概念，并運用UDEC模擬一定程度上驗證了“正-倒置三角形”垮落頂板形態的存在性與合理性，進一步豐富了煤層開采覆巖空間結構。

1 垮落頂板形態現場探測

1.1 探測區概況

本次探測區域為開灤集團錢家營煤礦12-1號煤層采空區。開灤集團錢家營礦井田煤系地層約80 m范圍內，由上至下依次分布著5，7，8，9和12-1號5層可采煤層，各煤層的平均厚度依次為1.2，4.0，1.4，1.9和3.4 m，且煤層分布具有層間距小、變質程度高和賦存條件復雜的特點。由于產能、煤質及各煤層之間開采的相互影響等問題，逐步形成了“多層采空區下煤層上行開采”結合“先下行后頂層”的高效協調開采模式，即開采順序依次為7號煤層→8號煤層→12-1號煤層→9號煤層→5號煤層[38]，其中5號煤層與9號煤層為采空區上行開采方式。井田范圍內煤層賦存情況如圖1所示。

圖1 煤層賦存情況

錢家營礦12-1號煤層的平均埋深為535.9 m，平均傾角約為10°，與上覆9號煤層之間距離約為27 m，煤系地層范圍內煤巖巖性與厚度如圖2所示。

圖2 煤巖層柱狀圖

1.2 探測方法

ZTR12系列地質雷達通過屏蔽天線發射1 MHz～2.5 GHz的高頻電磁波，由接收天線采集相應的信號并由計算機存儲和顯示。ZTR12系列地質雷達的天線中心頻率為100 MHz、單個天線的長度小于1 m、步進小于2×10-12s、輸出信號為10×10-9s、電壓90 V，另外當產生100 MHz的發射脈沖時，脈沖與紋波的幅值比明顯增加到30 dB以上，使得地質雷達的有效填圖深度保持在9號煤層以下30 m巖層范圍內，因此可以完全適用于礦井井下環境[39]。

采用ZTR12系列地質雷達設備在9號煤層1692回風巷對下伏12-1號煤層1622采空區頂板巖層進行探測。地質雷達探測的深度為30 m，探測距離為70 m，探測區域如圖3所示，地質雷達系統測試參數見表1。

圖3 地質雷達探測位置示意

表1 地質雷達系統測試參數

1.3 探測結果

通過在對采集到的地質雷達探測數據進行零點標定、去噪、濾波、增益等手段，處理得到地質雷達探測圖像，可以清晰地反映12-1號煤層開采后頂板巖層的垮落情況，如圖4所示。由圖4可知，在距離探測起點30～70 m內出現4處分布規律的強、弱反射區交替出現的現象，即在60～70 m位置出現一處弱反射區域，且其相位與周圍介質反射圖像基本一致，因此黑色虛線區域內為一輕微破壞的區域，該區域頂板的破碎程度較小，完整性較高；而在50～60 m位置出現一處強反射區域，且其相位與周圍介質反射圖像也存在差異，因此白色虛線區域為一嚴重破壞的區域，可認為該區域頂板的破碎程度較大，完整性較差，這一規律現象隨工作面推進方向循環發生，與現場窺視結果也基本吻合[40]。基于上述探測結果，反演得到12-1號煤層采空區頂板垮落形態，如圖5所示。

圖4 地質雷達探測數據結果處理示意

圖5 煤層開采頂板垮落形態地質雷達反演

由圖5可知，12-1號煤層開采后直接頂(炭質泥巖)與基本頂(粉砂巖)裂隙較為發育，且裂隙發育已經波及泥巖巖層，即9號煤層基本底巖層，但9號煤層本身受到12-1號煤層開采影響較小。同時，在12-1號煤層采空區內垮落頂板的形態呈現出一定的規律性特征，即采空區垮落頂板分為4個區域，依次為區域Ⅰ、區域Ⅱ、區域Ⅲ和區域Ⅳ。其中，區域Ⅰ和區域Ⅲ對應輕微破壞區域，區域Ⅱ和區域Ⅳ對應嚴重破壞區域。在區域Ⅰ和區域Ⅲ內，下位巖塊破斷程度較為劇烈，破碎程度較大，而上位巖塊破斷程度緩和，破碎程度較小，形成倒置三角形的垮落頂板區域；而在區域Ⅱ和區域Ⅳ內，下位巖塊破碎程度較為緩和，破碎程度較小，而上位巖塊破碎程度較為劇烈，破碎程度較大，形成正置三角形的垮落頂板區域。

2 垮落頂板形態形成機理

為進一步探究采空區內正置三角形區域與倒置三角形區域垮落頂板形態的形成機理，本節采用材料力學與礦山壓力相關知識進行進一步的分析。

在12-1號煤層工作面基本頂發生初次來壓之后，隨著工作面的不斷推進，工作面基本頂巖層會發生周期來壓。依據材料力學[41]相關知識，并結合礦山壓力中對頂板來壓的分析，1622工作面頂板的周期來壓步距L計算公式為

(1)

式中，h為基本頂的厚度，m；RT為基本頂巖層的極限抗拉強度，MPa；q為基本頂受到的載荷，可由頂板載荷公式計算可得。

計算可知，上覆巖層中厚度為7 m的粉砂巖層作為關鍵層對12-1號煤層的開采起控制作用(表2)。因此，關鍵層下巖層受到的載荷及其極限破斷長度，見表3。通過對12-1號煤層開采液壓支架載荷的現場實測結果可知，基本頂周期來壓步距為13～17 m，如圖6所示，也就是說，第3層粉砂巖基本頂巖層破斷長度的計算結果與現場實測結果基本吻合。

表2 12-1號煤層上覆巖層參數

2.1 采空區基本頂關鍵巖塊的破斷

對采空區基本頂關鍵巖塊的受力進行分析，探究基本頂關鍵巖塊的再次破斷的發生位置，如圖7所示。

圖7 基本頂關鍵巖塊受力分析

(2)

其中，Fy為巖塊受到的垂直作用力，kN；FB為B點受到的垂直作用力，kN；FA為A點受到的垂直作用力，kN；l1為基本頂關鍵巖塊的長度，取13 m；α為基本頂關鍵巖塊的回轉角度，(°)，根據錢家營礦12-1號煤層地質條件及現場實測數據，得α=23°；MB為B點受到的彎矩，kN·m；TA為A點受到的水平作用力，kN；TB為B點受到的水平作用力，kN；f為摩擦因數。

由此可得

(3)

故基本頂關鍵巖塊上任意一點的彎矩為

(4)

(5)

其中，x為基本頂關鍵巖塊上任意一點與A點的距離，m。由此得到基本頂關鍵巖塊上任意一點的彎矩，如圖8所示。由圖8可知，巖塊在x=7.5 m處會產生最大彎矩，即基本頂關鍵巖塊會在0.58l1處發生再次破斷。

圖8 基本頂關鍵巖塊上任意一點彎矩

2.2 采空區上覆巖層關鍵巖塊的破斷

對采空區基本頂控制的上覆巖層關鍵巖塊的受力進行分析，探究上覆巖層關鍵巖塊的再次破斷的發生位置，如圖9所示。

圖9 上覆巖層關鍵巖塊受力分析

(6)

式中,FC為C點受到的垂直作用力，kN；FD為D點受到的垂直作用力，kN；MD為D點受到的彎矩，kN·m；l2n為第n層上覆巖層關鍵巖塊長度，m；qn為上覆巖層第n層關鍵巖塊均布載荷，kPa。

故上覆巖層關鍵巖塊上任意一點的彎矩為

(7)

其中，xn為上覆巖層關鍵巖塊上任意一點與C點的距離，m。由此得到基本頂控制的上覆巖層關鍵巖塊上任意一點的彎矩，如圖10所示。

圖10 上覆巖層關鍵巖塊上任意一點彎矩

由圖10可知，巖塊分別在x4=5.5 m，x5=0.35 m，x6=4.5 m處會產生最大彎矩，即上覆巖層關鍵巖塊會在0.5l2n處發生再次破斷。

通過上述分析可知，在工作面基本頂經歷“穩定—失穩—再穩定”的周期破斷過程后，采空區內已經垮落的基本頂與其控制的上覆巖層關鍵巖塊在最大彎矩的作用下均會發生巖塊的再次破斷，但基本頂與其控制的上覆巖層發生再次破斷的位置有所不同，且煤巖層賦存情況與破斷模式具有一定的層理性，因此將各巖層周期破斷與再次破斷位置規律連接，則在采空區呈現出正置三角形區域與倒置三角形區域的垮落頂板形態，如圖11所示，圖中藍色實線為周期破斷位置，圖中紅色實線為采空區垮落基本頂與其控制的上覆巖層關鍵巖塊再次破斷所在位置。因此可認為，基本頂與其控制的上覆巖層的周期破斷與采空區已垮落關鍵巖塊的再次破斷共同主導了采空區垮落頂板呈現出正置三角形區域與倒置三角形區域的形態。

圖11 采空區垮落頂板結構形態示意

3 垮落頂板形態演化特征

在煤層開采過程中，隨著工作面的不斷推進，基本頂及其上覆巖層在發生“穩定—失穩—再穩定”的周期來壓之后，采空區內已經斷裂的基本頂與其控制的上覆巖層關鍵巖塊會再次發生如圖12所示的演化過程。

隨著工作面推進，在基本頂發生周期破斷形成新巖塊A，其相鄰巖塊B即成為基本頂關鍵巖塊，此時，由于巖塊A與巖塊B的回轉與反向回轉，導致巖塊A的前咬合點產生向上運動趨勢，使得巖塊A的前端點破碎而發生失穩，由此巖塊A與巖塊B回轉形成一體，如圖12(a)，(b)所示。之后，采空區內的基本頂關鍵巖塊B在最大彎矩的作用下發生再次破斷，而其控制的上覆巖層同樣在最大彎矩的作用下發生再次破斷，如圖12(b)所示。但由于基本頂與其上覆巖層的破斷位置存在差異，遂出現偏向工作面方向的破斷線，如圖12(b)中紅色實線所示。煤系地層的形成往往是由于地質沉積作用導致的，因此，采空區內垮落頂板發生再次破斷時，煤層頂板各巖層會出現明顯的分層現象，如圖12(c)所示。綜上在考慮采空區垮落頂板周期破斷與再次破斷位置，即在采空區內基本頂與其控制的上覆巖層破斷垮落穩定后，會形成正置三角形區域與倒置三角形區域的垮落頂板形態，如圖12(d)所示。重復上述過程，采空區內即出現“正-倒置三角形”垮落頂板的形態，如圖11所示。

圖12 采空區垮落頂板形態演化過程

基于此，采空區“正-倒置三角形”垮落頂板的形態概念：當煤層頂板巖層分層明顯時，在煤層開采工作面周期來壓后，采空區內基本頂與其控制的上覆巖層關鍵巖塊在最大彎矩的作用下發生再次破斷，周期破斷與再次破斷位置將采空區垮落頂板規律地分為正置三角形區域與倒置三角形區域，形成“正-倒置三角形”的垮落頂板形態。

4 垮落頂板形態模擬驗證

為更直觀驗證采空區內“正-倒置三角形”垮落頂板的形態的存在性，本節以錢家營礦12-1號煤層開采的實際情況為背景，建立采空區垮落頂板形態研究的UDEC數值模型(圖13)，模型長×寬為200 m×160 m。采用Mohr-Coulomb本構模型，模型中各巖層力學參數見表4。模型兩側邊界為水平位移約束、下部為邊界位移約束，模型上部邊界施加10.78 MPa的豎向載荷，以模擬未建立的實際地層載荷，模型如圖13所示。為避免模擬過程中的邊界效應，模型左右兩側各留寬65.5 m煤柱，并采用全部垮落法處理采空區。

表4 數值模型參數

圖13 數值模型示意

在12-1號煤層工作面采空區內，會出現正置三角形區域與倒置三角形區域交替出現的垮落頂板形態如圖14所示。在頂板的周期性垮落后，頂板巖層由下至上依次發生破斷，當工作面繼續向前推進時，采空區內基本頂關鍵巖塊在最大彎矩作用下會發生再次破斷，而基本頂上控制的上覆巖層同樣在最大彎矩的作用下發生再次破斷，破斷巖塊會分別發生回轉與反向回轉，將周期破斷與再次破斷位置規律連接，垮落頂板巖塊在采空區內形成正置三角形區域與倒置三角區域的垮落頂板形態。當工作面繼續推進至下一次周期性垮落時，同樣垮落頂板巖塊在采空區內又形成正置三角形區域與倒置三角形區域的形態，循環往復，則形成采空區垮落頂板“正-倒置三角形”交替出現的形態。

圖14 12-1號煤層采空區垮落頂板形態

其中，正置三角形區域具有下位垮落巖塊堆砌整齊、上位垮落巖塊堆砌雜亂的特點，而倒置三角形區域具有下位下沉巖塊完整性差、上位下沉巖塊完整性好的特點。因此，隨著12-1號煤層工作面的不斷推進，采空區內會依次出現正置三角形區域和倒置三角形區域交替出現的垮落頂板形態。

5 結 論

(1)采用地質雷達對12-1號煤層采空區進行探測，結果顯示12-1號煤層頂板分層明顯，且12-1號煤層采空區呈現正置三角形區域與倒置三角形區域規律出現的垮落頂板形態，且經地質雷達反演圖可知正置三角形垮落頂板區域內下位垮落巖塊堆砌整齊、上位垮落巖塊堆砌雜亂，而倒置三角形垮落頂板區域內下位下沉巖塊堆砌雜亂、上位下沉巖塊完整性好。

(2)12-1號煤層采空區呈現的正置三角形與倒置三角形垮落頂板形態的規律性現象是由于頂板巖層的周期破斷與采空區已垮落關鍵巖塊的再次破斷引起的。基本頂與其控制的上覆巖層關鍵塊體發生再次破斷的原因是關鍵巖塊受到的最大彎矩大于其極限抗彎強度。同時，基本頂巖塊與上覆巖層發生再次破斷的位置不同。基本頂關鍵巖塊發生再次破斷的位置為0.58l1，基本頂控制的上覆巖層關鍵巖塊發生再次破斷的位置為0.5l2n。

(3)探究了采空區垮落頂板形態的演化過程，提出了采空區垮落頂板“正-倒置三角形”形態的概念，當基本頂及其控制的上覆巖層分層明顯時，在煤層開采工作面周期來壓后，基本頂及其控制的上覆巖層關鍵巖塊在最大彎矩的作用下發生再次破斷，周期破斷與再次破斷位置將采空區垮落頂板呈現正置三角形與倒置三角形區域，形成“正-倒置三角形”的垮落頂板形態。

(4)運用UDEC模擬一定程度上驗證了“正-倒置三角形”垮落頂板形態的存在性與合理性。