薄基巖厚松散層條件覆巖破壞規(guī)律研究

易四海，朱 偉，劉德民

(1.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 101601；2.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

覆巖破壞規(guī)律的研究是解放水體下壓煤和保證礦井生產(chǎn)安全的關(guān)鍵。我國(guó)早在20世紀(jì)50年代開始就進(jìn)行了大規(guī)模的覆巖破壞規(guī)律實(shí)測(cè)研究，以劉天泉院士為代表的科研工作者總結(jié)了覆巖破壞規(guī)律，根據(jù)覆巖破壞情況將覆巖破壞豎向上分為了“三帶”(冒落帶、裂縫帶、彎曲帶)，并總結(jié)了導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度經(jīng)驗(yàn)公式，形成了比較完整的普采條件下覆巖破壞規(guī)律系列成果[1]。近年來，隨著采礦技術(shù)的發(fā)展，厚煤層開采普遍采用效率更高的綜放開采技術(shù)，滕永海等[2-4]以大量地面鉆孔實(shí)測(cè)觀測(cè)資料為基礎(chǔ)，總結(jié)了綜放開采條件下覆巖破壞規(guī)律，認(rèn)為綜放開采條件下覆巖破壞異常劇烈，導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育較普采條件下要高。許延春[5]分析了全國(guó)部分礦區(qū)的綜放開采導(dǎo)水裂縫帶高度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立了綜放開采導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的經(jīng)驗(yàn)公式。大量研究成果表明，綜放條件下覆巖破壞較普采條件下要?jiǎng)×业枚?，?duì)該地質(zhì)開采條件下的水體下采煤風(fēng)險(xiǎn)性也相應(yīng)增加。

薄基巖是指上覆基巖厚度小于冒落帶與裂縫帶(兩者合稱導(dǎo)水裂隙帶)高度之和。大量觀測(cè)資料表明，非薄基巖條件下煤層開采后，其上覆巖層發(fā)育的導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度一般達(dá)10～20倍的煤厚。以此類推，薄基巖厚煤層開采后，其覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度將發(fā)育至松散層內(nèi)，甚至地表，工作面覆巖破壞有可能不存在“三帶”，而只存在“二帶”(冒落帶和裂縫帶)或“一帶”(冒落帶)。目前，由于薄基巖厚松散層條件下綜放開采條件比較特殊，對(duì)于該類地質(zhì)開采條件下的覆巖破壞規(guī)律研究成果相對(duì)較少[6-9]，對(duì)厚松散層內(nèi)裂縫發(fā)育規(guī)律認(rèn)識(shí)不清。為此，論文將采用相似材料模擬實(shí)驗(yàn)、理論分析，研究探討薄基巖厚松散層開采條件下覆巖破壞規(guī)律及結(jié)構(gòu)自穩(wěn)判據(jù)，進(jìn)一步分析厚松散層的采動(dòng)破壞及隔水能力，以利于指導(dǎo)該類條件下水體下采煤實(shí)踐。

1 覆巖破壞演化規(guī)律

相似材料模擬實(shí)驗(yàn)以潞安礦區(qū)典型薄基巖厚松散層綜放工作面為模型。該工作面走向推進(jìn)長(zhǎng)150m，采厚6.6m，傾角0°，采深236m，其中，表土層(松散層)厚度約154m，基巖厚約82m，綜采放頂煤一次采全高，全部垮落法管理頂板。該面基巖厚與采厚之比約為12.4，一般綜放開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度約為20倍煤厚[2]，由此可見，該面具有典型的薄基巖厚松散層的地質(zhì)特征。相似材料模擬實(shí)驗(yàn)取該工作面傾向建立平面模型。實(shí)驗(yàn)選擇在規(guī)格(長(zhǎng)、寬、高)為1800mm×160mm×1400mm的平面二維模型架上進(jìn)行，且考慮單側(cè)邊界條件，幾何相似常數(shù)為：1∶250。模擬上覆松散層采用一般砂土模擬。相似材料實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 相似材料實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)圖

薄基巖厚松散層工作面綜放開采上覆巖層破壞演化過程如圖2所示。由圖2可知，工作面推進(jìn)至20m時(shí)，采動(dòng)程度較小，直接頂初次垮落；工作面推進(jìn)至65m時(shí)，基本頂初次來壓，覆巖相繼垮落、斷裂、裂縫，充填采空區(qū)，豎向上形成一梯形破壞帶，破壞帶高度約為3倍的采高，兩側(cè)分別以64°和56°向上斷裂，上方形成了一定跨度的托梁。托梁下方巖層應(yīng)力得到釋放，產(chǎn)生破壞，出現(xiàn)斷裂、裂縫，而托梁上方巖層荷載由托梁支撐，巖體彎曲，未出現(xiàn)采動(dòng)破壞，巖體結(jié)構(gòu)保持相對(duì)完整，如圖2(a)所示；工作面推進(jìn)至110m時(shí)，隨著工作面開采長(zhǎng)度的增加，梯形破壞帶高度和寬度也隨之增大，破壞帶高度約為7倍的采高，推進(jìn)方向側(cè)以約40°向上斷裂，上方托梁跨度也不斷增寬，如圖2(b)所示；當(dāng)工作面推進(jìn)至150m時(shí)，梯形破壞帶范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，上方托梁發(fā)展至松散層內(nèi)，形成短暫的自穩(wěn)結(jié)構(gòu)，隨即托梁在上方松散層荷載作用下失穩(wěn)，松散層彎曲整體下沉，壓覆于托梁下方破壞巖體上，受松散層荷載壓實(shí)作用，梯形破壞帶中間巖層采動(dòng)裂隙不斷彌合，而梯形破壞帶兩側(cè)發(fā)育裂縫不受影響，如圖2(c)所示。松散層雖然發(fā)生較大的沉降變形，但因強(qiáng)度低、塑性大、抗變形能力強(qiáng)的特點(diǎn)，裂縫發(fā)育并不明顯，覆巖破壞高度得到了較好的抑制。

2 薄基巖厚松散層覆巖自穩(wěn)結(jié)構(gòu)判斷

相似材料模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著工作面的推進(jìn)，覆巖破壞以“梯形破壞帶”形式不斷發(fā)育、發(fā)展，如圖3所示。托梁能有效遏止下覆巖層的冒落、斷裂、裂縫向上發(fā)展，同時(shí)又托住其上覆直至地表的巖(土)層，使其上覆巖(土)層與其下方破壞區(qū)隔離。因此，能否在采空區(qū)上方形成穩(wěn)定的托梁對(duì)控制覆巖破壞十分重要。托梁發(fā)育高度、懸露步距與工作面推進(jìn)長(zhǎng)度密切相關(guān)，推進(jìn)長(zhǎng)度約越大，托梁發(fā)育高度、懸露步距也就越大。

圖2 上覆巖層的破壞演化過程

圖3 覆巖“梯形破壞帶”發(fā)育過程示意圖

覆巖“梯形破壞帶”的幾何條件為：

a=L-H(cotφ1+cotφ2)

(1)

式中，a為上方托梁懸露步距，m；L為工作面推進(jìn)長(zhǎng)度，m；H為“梯形破壞帶”發(fā)育高度，m；φ1、φ2分別為兩側(cè)巖層斷裂線與采場(chǎng)空間水平線夾角，(°)。

當(dāng)覆巖“梯形破壞帶”發(fā)育至松散層底部時(shí)，托梁懸露步距[10]：

a=L-H0(cotφ1+cotφ2)

(2)

式中，H0為基巖厚度，m。

此時(shí)，判定托梁是否會(huì)斷裂，可選用彈性薄板力學(xué)模型計(jì)算托梁斷裂長(zhǎng)度的極限值s，由于托板(梁)在斷裂前四邊搭接在實(shí)體巖層上方，因此引用四邊固支彈性薄板力學(xué)模型[11]，其極限斷裂長(zhǎng)度為：

(3)

顯然，當(dāng)托梁懸露步距a大于其極限斷裂長(zhǎng)度s時(shí)，托梁斷裂，形成自穩(wěn)結(jié)構(gòu)，聯(lián)立式(2)、式(3)，求得工作面推進(jìn)L時(shí)，托梁斷裂，即：

(4)

k1=cotφ1+cotφ2

對(duì)于薄基巖厚松散層，H0值比較小，h值比較大，基巖破斷角φ1、φ2一般在60°以上，松散層底部作為托梁的巖土抗拉強(qiáng)度Rt一般比較小，接近0。由式(4)綜合來看，對(duì)于厚松散層、薄基巖的特殊地質(zhì)采礦條件下進(jìn)行煤層開采時(shí)，當(dāng)工作面推進(jìn)很小一段距離后，托梁發(fā)育高度將很快超過基巖厚度，而松散層巖土體內(nèi)很難再形成有效的自穩(wěn)結(jié)構(gòu)，松散層將作為整體跟隨基巖彎曲下沉，松散層土體作為荷載壓覆在破壞基巖體上。大量開采實(shí)踐表明，薄基巖厚松散層開采實(shí)踐中經(jīng)常出現(xiàn)地表突然下沉、井下壓架等現(xiàn)象[12，13]，也進(jìn)一步佐證了薄基巖厚松散層開采難于形成自穩(wěn)結(jié)構(gòu)的規(guī)律。

3 厚松散層采動(dòng)隔水能力分析

煤層開采，覆巖相繼垮落、斷裂、裂縫，形成導(dǎo)水通道，為水資源流失提供了必要的空間通道。對(duì)于薄基巖厚松散層條件下的煤層開采，工作面推進(jìn)到一定距離后，覆巖內(nèi)部不能形成有效的自穩(wěn)結(jié)構(gòu)，頂板基巖容易全厚度斷裂。此時(shí)，覆巖破壞將如何繼續(xù)向上發(fā)展，能否與松散層內(nèi)含水層貫通。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)此研究甚少。巖(土)工程性質(zhì)測(cè)試表明，松散層一般存在較軟弱的粘土隔水層，具有強(qiáng)度低、塑性大、抗變形能力強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的隔水性能，能抑制冒裂帶、裂縫帶高度的發(fā)展及連通；即便粘土層破斷，粘土顆粒在自重力、水動(dòng)力作用下涌入下位巖層采動(dòng)裂縫，在裂縫通道中顆粒相互擠壓，若裂縫通道狹小，那么這部分潰決的砂顆粒將形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，破斷隔水層產(chǎn)生再生隔水性[14，15]。因此，判斷導(dǎo)水裂縫帶是否繼續(xù)向上貫通主要取決于松散層內(nèi)粘土層所受的采動(dòng)變形與控水能力，而粘土層控水能力則主要取決于其巖性、厚度、粒徑及上部含水層(或地表水體)水壓等諸多因素。

3.1 粘土層不破斷時(shí)厚松散層隔水能力分析

若基巖破斷，松散層底部粘土層采動(dòng)引起的變形不超過其抗拉極限時(shí)，即：

(5)

式中，M為煤層采厚，m；q為下沉系數(shù)；α為煤層傾角，(°)；b為水平移動(dòng)系數(shù)；r為主要影響半徑，m，r=H0/tanβ；tanβ為主要影響角正切；[σ]為粘土層極限抗拉，粘土抗拉極限小于0.004(或4mm/m)[16]。

此時(shí)，松散層不產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育止于松散層底部。

3.2 粘土層破斷時(shí)厚松散層隔水能力分析

當(dāng)粘土層發(fā)生大變形，超過其抗拉極限時(shí)。若粘土層很厚，粘土層內(nèi)部只產(chǎn)生細(xì)微裂縫但并沒有發(fā)育成導(dǎo)通型裂隙，則粘土層在發(fā)生大變形后仍然保持良好的隔水性。許延春在總結(jié)大量實(shí)測(cè)資料后，認(rèn)為松散層具有為3倍煤厚的“有效隔水厚度”時(shí)，能夠形成良好的隔水性能[17]。此時(shí)的松散層依然能保持隔水性能，但導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度有所抬升。

若粘土層較薄，粘土層內(nèi)將發(fā)育成導(dǎo)通型裂隙，波及上部含水層，形成導(dǎo)水通道。粘土的滲流實(shí)驗(yàn)表明，粘土具有一定的隔水“自愈”能力[18]。相關(guān)試驗(yàn)研究表明[19，20]，非飽和粘土存在一個(gè)臨界變形值，在臨界變形值前，巖粒會(huì)將采動(dòng)引起的裂隙“愈合”，滯礙含水層的水向下方滲流，粘土層重新恢復(fù)隔水能力，導(dǎo)水裂縫帶在發(fā)育至上部含水層短暫時(shí)間后又下降至隔水層；在臨界變形值后，隔水層的巖粒不能將采動(dòng)引起的裂隙“愈合”，結(jié)構(gòu)徹底破壞而形成導(dǎo)水通道，導(dǎo)水裂縫帶將繼續(xù)向上發(fā)育至含水層，隔水性能喪失，波及上部含水層。

利用粘土層“自愈”的特點(diǎn)，有些礦井成功采用邊采邊疏的技術(shù)在水體下進(jìn)行了采煤實(shí)踐。如鐵法礦區(qū)大明一礦利用沖擊沙層形成的再生隔水頂板，采用邊采邊疏的方法，實(shí)現(xiàn)了松散孔隙水體下縮小煤巖柱尺寸開采[21]。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 采礦地質(zhì)條件

三元礦主采下二疊系山西組3#厚煤層，煤層厚6.36～8.40m，平均厚7.18m，采煤方法為綜采放頂煤一次采全高生產(chǎn)工藝，全部垮落法管理頂板。煤層上覆基巖巖層為二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)、下石盒子組(P1x)，其巖性主要為中、細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖交互沉積而成，層狀沉積比較規(guī)則。第四系松散層由粘土、含砂粘土、粉砂質(zhì)粘土及黃色、褐黃色粉-粗砂、砂礫層等組成。

礦井充水水源主要是第四系松散含水層、基巖風(fēng)化帶含水層以及3#煤層頂板二疊系砂巖裂隙含水層。第四系含水層組埋藏較淺，多為潛水，富水性弱至中等，主要補(bǔ)給來源為大氣降水?；鶐r風(fēng)化裂隙帶含水層分布較薄，井田內(nèi)風(fēng)化裂隙發(fā)育深度一般在基巖面以下50～60m，富水性中等。二疊系砂巖裂隙含水層，富水性弱至中等。由于第四系隔水層以及二疊系層間隔水層的存在，含水層均消耗其靜儲(chǔ)量為主，充水通道為采動(dòng)裂隙及構(gòu)造破碎帶。

目前礦井開采井田北部三采區(qū)。三采區(qū)共布置有三個(gè)工作面：3301、3302、3303工作面。三采區(qū)地表水系較發(fā)育，采區(qū)北部有黑水河，采區(qū)西部有濁漳河存在。地表水體壓煤使得礦井儲(chǔ)量嚴(yán)重不足問題更加突出，而且對(duì)井下安全生產(chǎn)造成安全隱患。

4.2 導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度分析

三采區(qū)首采3301工作面，寬約230m，推進(jìn)長(zhǎng)度約1090m，開采3#煤層，煤厚約7.5m，傾角2°～3°，采深+229～+252m，其中，第四系松散層厚約193～206m，基巖厚度約36～56m。該工作面已于2014—2016年開采結(jié)束。三采區(qū)區(qū)域第四系地層砂層(粉砂層)厚度占比較低，僅占到整個(gè)第四系地層的15%～21%，砂層單層厚度約0.8～5.4m，土層基質(zhì)主要為粘土(粉質(zhì)粘土)，厚度幾十米不等，累計(jì)厚度占到第四系地層的79%～85%，第四系底部存在多層粘土和砂質(zhì)粘土的層段，且其粘土和砂質(zhì)粘土單層厚度大于2.10m，粘土厚度占比大，含水砂層其間被多層厚層狀粘土隔水層間隔開來，層間水力聯(lián)系微弱。

大量實(shí)踐表明，工作面在開采“見方”(即λ=1)時(shí)，覆巖破壞最充分。根據(jù)式(3)，可求得松散層底部礫砂層作為托梁時(shí)的極限斷裂長(zhǎng)度：

經(jīng)計(jì)算s=1.5m。此時(shí)，托梁懸露步距a=L-H0(cotφ1+cotφ2)=177m，(取φ1=φ2=60°)。3301工作面開采后，松散層底部礫砂層作為托梁時(shí)的極限斷裂長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其懸露步距，由此判斷，3301工作面開采覆巖不能形成自穩(wěn)結(jié)構(gòu)，且第四系底部將產(chǎn)生較大的采動(dòng)變形。由于第四系存在厚層粘土層(遠(yuǎn)超3倍煤厚)，根據(jù)前述理論推斷，厚層粘土層底部有可能產(chǎn)生采動(dòng)裂隙，但仍將有效阻隔地表水體以及第四系上部含水層與下伏底部含水層和基巖風(fēng)化帶的水力聯(lián)系。

4.3 導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度實(shí)測(cè)

3301工作面開采過程中，礦井在其上方施工4#地面鉆孔。根據(jù)4#鉆孔柱狀圖資料顯示，該孔第四系松散層厚度為193.19m，煤層頂板基巖厚約52.73m。

4#孔開始鉆進(jìn)至158.41m時(shí)，沖洗液消耗量一般為0.04～0.12m3/h之間，鉆孔水位一般在0.70～4.10m之間；鉆進(jìn)至191.89m時(shí)，一般消耗量為0.06m3/h，鉆孔水位一般在8.0～19.40m之間；鉆進(jìn)至193.10m時(shí)，消耗量增大至1.50m3/h，鉆進(jìn)至196.77m時(shí)，沖洗液發(fā)生漏失，消耗量增大現(xiàn)象，消耗量最大為3.48m3/h。鉆進(jìn)至213.57m過程中，消耗量增大，消耗量在1.20～3.60m3/h之間，鉆孔水位一般在11.30～12.50m之間，至212.10m時(shí)發(fā)生全漏不返水，測(cè)不到水位，消耗量最大為3.60m3/h。鉆進(jìn)至215.60m時(shí)發(fā)生全漏不返水，測(cè)不到水位，消耗量最大為1.20m3/h。鉆進(jìn)至226.52～247.22m過程中，沖洗液消耗量大，發(fā)生全漏不返水，測(cè)不到水位，消耗量最大為7.68m3/h。

根據(jù)4#號(hào)鉆孔鉆探取芯資料，發(fā)現(xiàn)229.72～245.92m多處斜裂隙發(fā)育，斷口整齊，為煤層回采后頂板垮落坍塌，巖石發(fā)生彎曲變形所形成。據(jù)本孔簡(jiǎn)易水文資料顯示，自193.10m處開始鉆孔消耗量變化明顯，尤其在粗粒砂巖和中粒砂巖層位，由于導(dǎo)水裂隙帶破壞影響，巖芯破碎，導(dǎo)致沖洗液消耗量大。本孔初次發(fā)生漏水的深度在193.10m，為第四系底部，推測(cè)本孔3號(hào)煤層開采后形成的導(dǎo)水裂隙帶已導(dǎo)通至第四系底部，判定導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度全部導(dǎo)通基巖段。

通過水文觀測(cè)結(jié)果可以看出，煤層開采導(dǎo)致的頂板裂隙在第四系中不發(fā)育，因?yàn)榭咨?93.1m(第四系厚度)之前從上到下沖洗液消耗量不大且消耗穩(wěn)定，同時(shí)說明第四系底部粘土層極大地抑制了裂縫的發(fā)育擴(kuò)展。另外，3301工作面開采過程中未出現(xiàn)涌水出砂等現(xiàn)象，工作面涌水量基本沒有，側(cè)面證實(shí)了頂板基巖風(fēng)化帶含水層和第四系底部含水層富水性較弱，第四系隔水層很好地阻斷了地表水體與頂板含水層的水力聯(lián)系。

5 結(jié) 論

1)采用相似材料模擬實(shí)驗(yàn)，揭示了覆巖采動(dòng)損壞運(yùn)移過程：煤層開采后，覆巖發(fā)育一“梯形破壞帶”，上方形成托梁支撐上覆巖層形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)；隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，“梯形破壞帶”范圍不斷加寬增高，托梁懸露步距不斷加長(zhǎng)。

2)對(duì)于厚松散層薄基巖，工作面推進(jìn)到一定距離后，很難在基巖內(nèi)形成有效的自穩(wěn)結(jié)構(gòu)，基巖將全厚度破斷，松散層將作為跟隨體整體彎曲下沉。根據(jù)彈性薄板力學(xué)模型，建立了覆巖維持自穩(wěn)結(jié)構(gòu)的推進(jìn)步距判據(jù)公式。

3)依據(jù)松散層底部巖層巖性、厚度及所受采動(dòng)變形等影響因素，解析了薄基巖厚松散層的采動(dòng)隔水能力。

4)現(xiàn)場(chǎng)地面鉆探實(shí)測(cè)顯示，厚松散層在具有較厚粘土層時(shí)，松散層具有較好的隔水能力，薄基巖厚松散層導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度止于松散層底部。