煤層回采過程中覆巖破壞及裂隙演化規(guī)律

郎 君

(呂梁學(xué)院礦業(yè)工程系，山西 呂梁 033000)

0 引 言

我國是一個煤礦大國，煤炭對我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義[1]，隨著我國煤炭資源的大量回采，優(yōu)勢地質(zhì)條件下煤炭資源已趨于殆盡，煤炭企業(yè)不得不開采劣勢地質(zhì)條件下煤炭資源[2]。特別是水體下采煤和瓦斯抽采面臨眾多問題。

煤炭資源開采前，地層處于原始應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)煤層回采后原始應(yīng)力被打破，覆巖必然發(fā)生垮落，最終形成有規(guī)律分布的“三帶”[3-4]，其中垮落帶高度是礦井布置高抽巷和高位鉆孔的依據(jù)。導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度是礦井防治水的技術(shù)關(guān)鍵[5]。同時受到采動影響和應(yīng)力的雙重作用，覆巖產(chǎn)生裂隙，裂隙分布特征對于瓦斯抽采至關(guān)重要。因此，覆巖裂隙發(fā)育特征和破壞高度的研究對于礦井水災(zāi)害和瓦斯防治具有重要意義[6]。

對于覆巖破壞高度和裂隙發(fā)育特征的研究，易四海[7]等采用相似模擬試驗對潞安礦區(qū)薄基巖綜放面開采進(jìn)行了研究，得出了覆巖破壞特征以及導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度影響因素，論證了粘土層隔水能力；張紀(jì)星[8]等以神東礦區(qū)大柳塔煤礦為試驗礦井，采用相似模擬、數(shù)值模擬、實測對其覆巖破壞規(guī)律進(jìn)行了研究，得出了該煤礦的破壞高度，實測與模擬結(jié)果一致，為礦井安全開采提供了技術(shù)支持；鄭訓(xùn)臻[9]等采用數(shù)值模擬對安盛煤礦覆巖破壞規(guī)律進(jìn)行了研究，得出了覆巖破壞高度，為煤礦富積水下工作面安全開采提供了技術(shù)支持；熊祖強(qiáng)[10]等采用相似模擬技術(shù)對礦井破壞及裂隙演化進(jìn)行了研究，得出了該煤礦裂隙發(fā)育特征，為礦井突水監(jiān)測和瓦斯抽采提供了技術(shù)支持；馬蓮凈[11]等采用數(shù)值模擬和相似模擬對煤礦分層開采進(jìn)行了研究，并采用鉆孔沖洗液進(jìn)行了驗證，得出了裂隙破壞規(guī)律；許文濤[12]等采用相似模擬對楊柳礦進(jìn)行了研究，得出了覆巖變形破壞特征，為煤礦安全生產(chǎn)提供了技術(shù)支持。

以上學(xué)者的研究大多是通過模擬、現(xiàn)場對裂隙發(fā)育高度進(jìn)行了研究，而對裂隙演化特征沒有進(jìn)行較詳細(xì)的分析。本文以山西某礦為試驗礦井采用分段注水試驗、鉆孔電視對覆巖破壞高度進(jìn)行探測分析，對裂隙變化特征進(jìn)行定量化分析，并對工作面回采過程中裂隙演化和應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

1 工程概況

山西某礦礦井生產(chǎn)能力4 Mt/a，主采3號煤層，煤層平均厚度為5.9 m，煤層平均傾角5°，為近水平煤層，試驗以3203工作面為試驗工作面，該工作面走向長度1 210 m，傾向長度285 m，為了有效測定覆巖裂隙發(fā)育高度及裂隙演化特征，根據(jù)工作面實際情況和地質(zhì)特征，在工作面巷道布置兩個鉆孔，其編號分別是Ⅰ、Ⅱ，垂直煤壁進(jìn)行布置，仰角60°，鉆孔深度170 m。工作面及鉆孔布置如圖1所示[13-14]。

圖1 鉆孔布置示意圖

2 覆巖破壞特征

采用鉆孔電視和分段注水試驗對工作面回采覆巖破壞高度進(jìn)行分析，分段注水試驗對于覆巖破壞高度的確定是可靠的，鉆孔電視能夠直觀地看到裂隙發(fā)育特征。

2.1 試驗設(shè)備

1）分段注水設(shè)備

分段注水采用的是雙端封堵測試裝置。其測試原理是工作面回采后，覆巖發(fā)生破壞，其破壞特征自下而上產(chǎn)生明顯的分區(qū)特性，越往下裂隙發(fā)育程度越高，其分段注水漏失量越大，越往上裂隙發(fā)育程度越低，分段注水漏失量越小，根據(jù)鉆孔內(nèi)不同部位其漏失量的變化情況來判定裂隙發(fā)育高度，該方法屬于物理測試方法，不受外界影響，具有測試準(zhǔn)確度高的優(yōu)點，其裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 分段注水系統(tǒng)

2）鉆孔電視

鉆孔電視采用的是防爆型井下用鉆孔電視系統(tǒng)。主要由測孔成像系統(tǒng)、處理系統(tǒng)、測深系統(tǒng)三部分構(gòu)成（如圖3所示）。當(dāng)進(jìn)行測試時，測孔成像系統(tǒng)的探頭在鉆孔中移動，探頭將觀測到的鉆孔圖像進(jìn)行記錄并傳輸?shù)教幚硐到y(tǒng)中，通過CCD光學(xué)耦合器將鉆孔圓周圖像以圖片的形式展示出來，同時，測深系統(tǒng)中的深度測試器能夠?qū)崟r記錄探頭測試深度并與圖像進(jìn)行結(jié)合，在圖片上顯示出來，最終通過顯示器以展開圖片形式將鉆孔內(nèi)裂隙發(fā)育特征展現(xiàn)出來，圖像轉(zhuǎn)變機(jī)理如圖4所示。

圖3 鉆孔電視系統(tǒng)

圖4 鉆孔圖像轉(zhuǎn)變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 試驗結(jié)果與分析

1）分段注水

采用分段注水設(shè)備對工作面回采前后鉆孔裂隙發(fā)育特征進(jìn)行了測試，每個鉆孔測試了155 m，測試壓力為0.5 MPa，封堵壓力1.5 MPa，每個測試段測試3次，每次5 min，其結(jié)果取3次平均值。其注水量曲線如圖5所示。

圖5 分段注水?dāng)?shù)據(jù)曲線

由圖5分段注水試驗曲線可知，工作面回采前鉆孔注水量較低，基本保持在50 mL左右，裂隙發(fā)育度較低，當(dāng)工作面回采后，鉆孔注水量明顯升高，最大注水量可達(dá)到1 500 mL，是工作面開采前的30倍，裂隙發(fā)育程度較高。由此可知，工作面開采后，覆巖在采動影響和支撐應(yīng)力的雙重作用下發(fā)生破壞同時形成了裂隙，裂隙發(fā)育程度較開采前明顯提高。

工作面回采后鉆孔注水測試曲線呈“臺階形”，綜合覆巖裂隙三帶發(fā)育特征，得出冒落帶、裂隙帶發(fā)育高度（垂直）分別是34.4 m、83.8 m。

2）鉆孔電視

采用鉆孔電視對工作面回采前后覆巖裂隙發(fā)育進(jìn)行探測分析，探測結(jié)果如圖6所示。

圖6 裂隙發(fā)育特征

由鉆孔電視圖像可知，工作面回采前，鉆孔裂隙數(shù)量較少，當(dāng)工作面回采后，鉆孔裂隙數(shù)量明顯增多，覆巖裂隙發(fā)育程度較高，根據(jù)鉆孔探測圖像以及三帶特征得出冒落帶和裂隙帶發(fā)育高度（垂直）分別是29.8 m、88.2 m。

3 裂隙發(fā)育定量化分析

工作面回采后覆巖裂隙發(fā)育特征對于礦井瓦斯抽采以及防治水具有重要意義，因此，對工作面回采前后覆巖裂隙進(jìn)行定量化分析，主要從裂隙發(fā)育傾角、發(fā)育寬度、裂隙深度與數(shù)量進(jìn)行分析。

3.1 裂隙發(fā)育傾角

對工作面回采前覆巖鉆孔裂隙進(jìn)行矢量化處理，綜合分析Ⅰ號鉆孔開采前的28條裂隙和開采后的86條裂隙，得出裂隙傾角與數(shù)量曲線如圖7所示。

圖7 裂隙傾角特征曲線

由圖7可知，工作面回采前的28條鉆孔裂隙中，小于 30°傾角的裂隙數(shù)量為 3條，占 10.7%，30°～39°傾角的裂隙數(shù)量為 3 條，占 10.7%，40°～49°傾角的裂隙數(shù)量為12條，占42.8%，50°～59°傾角的裂隙數(shù)量為1條，占3.5%，60°～69°傾角的裂隙數(shù)量為5條，占18.1%，70°～79°傾角的裂隙數(shù)量為2條，占7.1%，80°～90°傾角的裂隙數(shù)量為2條，占7.1%。工作面回采前裂隙以小角度為主。

工作面回采后的86條鉆孔裂隙中，小于30°傾角的裂隙數(shù)量為12條，占14.0%，30°～39°傾角的裂隙數(shù)量為16條，占18.6%，40°～49°傾角的裂隙數(shù)量為 29條，占 33.7%，50°～59°傾角的裂隙數(shù)量為10條，占 11.6%，60°～69°傾角的裂隙數(shù)量為 9條，占10.5%，70°～79°傾角的裂隙數(shù)量為5條，占5.8%，80°～90°傾角的裂隙數(shù)量為5條，占5.8%。工作面回采后裂隙數(shù)量增加，增加的裂隙主要以小角度為主。

3.2 裂隙寬度

裂隙寬度反映的是覆巖受采動影響裂隙發(fā)育程度。得出其關(guān)系曲線如圖8所示。

圖8 裂隙寬度特征曲線

3.3 鉆孔深度與裂隙數(shù)量

裂隙數(shù)量隨鉆孔深度發(fā)育特征反映了上覆巖層受采動影響的程度，對鉆孔深度與裂隙數(shù)量進(jìn)行分析，得出其曲線如圖9所示。

圖9 裂隙發(fā)育深度特征曲線

由圖9可知，工作面回采前覆巖鉆孔裂隙數(shù)量與鉆孔深度無明顯關(guān)系，除41～80 m之間裂隙數(shù)量較少外，其他幾個鉆孔深度段裂隙數(shù)量基本上持平。工作面回采后，受采動影響覆巖鉆孔裂隙數(shù)量發(fā)生了轉(zhuǎn)變，隨著鉆孔深度的增加，裂隙數(shù)量不斷減少，越靠近工作面裂隙發(fā)育程度越高。工作面回采促進(jìn)覆巖裂隙發(fā)育。

4 開采覆巖破壞數(shù)值模擬研究

4.1 模型建立

采用UDEC數(shù)值模擬軟件對覆巖裂隙發(fā)育進(jìn)行分析，根據(jù)工作面覆巖特征，對巖層進(jìn)行劃分。對模型前后左右四個側(cè)面進(jìn)行約束，對頂部施加巖層厚度的載荷[15]，其力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)表

4.2 模擬結(jié)果與分析

1）覆巖破壞特征

工作面開采過程覆巖破壞特征如圖10所示，可以看出，隨著工作面的不斷推進(jìn)覆巖發(fā)生了破壞。當(dāng)工作面推進(jìn)到50 m時，直接頂發(fā)生垮落，垮落高度為6.2～7.8 m，成“拱”型分布；當(dāng)工作面推進(jìn)到80 m時，冒落帶發(fā)育高度不再隨著工作面的推進(jìn)而向上發(fā)展，此時，冒落帶發(fā)育高度達(dá)到最大值為31.2 m；當(dāng)工作面推進(jìn)到110 m時，覆巖形成了離層裂隙，同時受到拉伸作用產(chǎn)生了大量的破斷裂隙，裂隙數(shù)量明顯升高，隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，受覆巖作用，采空區(qū)中部被壓實，裂隙數(shù)量降低；當(dāng)工作面推進(jìn)到160 m時，采空區(qū)中部被完全壓實，地表形成了下降盆地，此時裂隙帶達(dá)到最大值為86.2 m。

圖10 開采覆巖破壞特征

2）覆巖位移變化規(guī)律

為了直觀觀察覆巖變形特征，在工作面回采過程中布置幾條位移曲線，并將不同推進(jìn)距離下的位移曲線進(jìn)行總結(jié)，得出位移沉降曲線如圖11所示。

圖11 不同推進(jìn)距離下各測點沉降曲線圖

由圖11可知，覆巖受采動影響發(fā)生變化，原始應(yīng)力受到破壞，覆巖內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生變化，隨著工作面的不斷推進(jìn)，覆巖不斷垮落，最終自上而下形成有規(guī)律的三帶，其變化曲線是不對稱的，由于覆巖的不同部位的各向異性，使得覆巖的運(yùn)動存在差異性且不同步。

隨著工作面的不斷推進(jìn)覆巖破壞高度不斷向上發(fā)展，當(dāng)工作面推進(jìn)到一定距離時，破壞高度不再向上發(fā)展，覆巖的整個運(yùn)動是一個動態(tài)的、連續(xù)的發(fā)育過程。

3）覆巖應(yīng)力特征

采過程中對覆巖應(yīng)力進(jìn)行觀測，覆巖應(yīng)力主要分三個階段，原始應(yīng)力階段、采動變化階段、應(yīng)力重新穩(wěn)定階段，其反映了采動過程中覆巖應(yīng)力顯現(xiàn)特征以及破壞特征，工作面推進(jìn)50 m、100 m、160 m時覆巖應(yīng)力變化特征如圖12所示。

圖12 應(yīng)力分布曲線

由圖12可知：工作面推進(jìn)過程中，應(yīng)力影響范圍較大，峰值較高，由于受開采影響，原始應(yīng)力狀態(tài)被打破，隨著工作面的推進(jìn)，應(yīng)力值逐漸變化，并呈現(xiàn)增加—減小—穩(wěn)定的變化特征，經(jīng)分析，工作面開始回采產(chǎn)生了應(yīng)力集中區(qū)導(dǎo)致某些區(qū)域應(yīng)力升高，隨著工作面的不斷推進(jìn)，覆巖泄壓，應(yīng)力隨著降低，最后由于回采結(jié)束，覆巖穩(wěn)定，形成新的應(yīng)力平衡，隨之應(yīng)力穩(wěn)定。

4）覆巖裂隙發(fā)育特征

對采動過程中覆巖裂隙進(jìn)行研究，裂隙發(fā)育存在三個明顯的變化特征。

自開切眼至頂板初次來壓，覆巖隨著工作面的推進(jìn)，由彈性變形向塑性變形、破斷失穩(wěn)過渡，直到裂隙產(chǎn)生，裂隙數(shù)量隨著工作面的推進(jìn)而呈上升趨勢。

隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，覆巖不斷垮落，裂隙向高層為發(fā)展，當(dāng)推進(jìn)到某一距離后，采空區(qū)被壓實，裂隙數(shù)量迅速降低。

在近煤壁區(qū)域，由于支撐作用，裂隙數(shù)量仍呈較高水平。

5 結(jié)束語

采用分段注水試驗和鉆孔電視探測得出該煤礦冒落帶發(fā)育垂直高度為29.8～34.3 m，裂隙帶發(fā)育垂直高度為83.8～88.2 m。

工作面回采前覆巖裂隙以低角度、小寬度為主，裂隙數(shù)量發(fā)育程度低。隨著工作面的回采覆巖裂隙數(shù)量明顯增加，增加的裂隙以低角度、中寬度為主。

覆巖的整個運(yùn)動是一個動態(tài)的、連續(xù)的發(fā)育過程；工作面回采過程中應(yīng)力呈現(xiàn)增加—減小—穩(wěn)定的變化特征；采動過程中，近煤層區(qū)域覆巖裂隙數(shù)量一直處于較高水平。