硬厚巖層下覆巖裂隙演化特征及其致災(zāi)機(jī)理分析

馬富武，李 楊，蘇懷瑞，孫德全，梁開(kāi)華

(1.山東省深部沖擊地壓災(zāi)害評(píng)估工程實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250100；2.山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，山東 濟(jì)南 250104)

煤礦瓦斯嚴(yán)重制約著我國(guó)煤礦安全高效生產(chǎn)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，高瓦斯礦井?dāng)?shù)量占據(jù)國(guó)有重點(diǎn)煤礦70%以上[1-4]。覆巖采動(dòng)裂隙的產(chǎn)生不但促進(jìn)了煤巖體的瓦斯解吸，而且為瓦斯的運(yùn)移提供了通道[5-11]。大量學(xué)者對(duì)采動(dòng)覆巖裂隙演化特征進(jìn)行了研究。李樹剛等[12]利用物理相似材料模擬試驗(yàn)研究了近距離煤層重復(fù)采動(dòng)覆巖裂隙發(fā)育演化過(guò)程，運(yùn)用分形幾何理論研究了重復(fù)采動(dòng)條件下，覆巖裂隙網(wǎng)絡(luò)分形特征。李志梁等[13]采用物理相似模擬試驗(yàn)，結(jié)合聲發(fā)射技術(shù)對(duì)覆巖采動(dòng)裂隙演化過(guò)程進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明采動(dòng)過(guò)程中破斷裂隙和離層裂隙會(huì)相互貫通，形成橢拋帶分布。趙毅鑫等[14]通過(guò)數(shù)值模擬等方法建立了覆巖裂隙分形維數(shù)與耗散能量的關(guān)系。薛熠等[15]基于裂隙平板模型建立了考慮損傷效應(yīng)的峰后煤巖體滲透率模型。梁濤等[16]采用水巖相似材料模擬試驗(yàn)研究了不同荷載、巖層性質(zhì)及開(kāi)采速度等因素影響下煤層開(kāi)采后覆巖垮落及裂隙演化特征。王國(guó)艷等[17]采用RFPA數(shù)值分析系統(tǒng)研究了具有初始裂隙的采動(dòng)巖體裂隙演化過(guò)程。強(qiáng)度高、厚度大、整體性強(qiáng)的硬厚巖層影響了采動(dòng)裂隙的發(fā)育，并且其下開(kāi)采煤層易導(dǎo)致動(dòng)力災(zāi)害，如微震、煤與瓦斯突出、工作面壓架等。但是，目前針對(duì)硬厚巖層下覆巖裂隙演化特征及其致災(zāi)的研究較少。

以此針對(duì)硬厚巖層下覆巖裂隙演化特征，通過(guò)建立相似材料模擬試驗(yàn)，研究了硬厚巖層下覆巖結(jié)構(gòu)演化、裂隙演化特征，進(jìn)一步分析得出硬厚巖層致災(zāi)規(guī)律。

1 相似材料試驗(yàn)設(shè)計(jì)

針對(duì)硬厚巖層賦存的地質(zhì)條件，按照相似理論采用一定比例的河沙、石膏、碳酸鈣等構(gòu)建相似材料試驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚18-20]。相似模型試驗(yàn)臺(tái)規(guī)格3m×0.4m×1.8m，幾何相似比1∶200，強(qiáng)度相似比1∶300，容重相似比1∶1.5，模型鋪設(shè)總高度1.63m，上部施加500kg工字鋼模擬模型上覆均布載荷。模型設(shè)置煤層厚度為8m，上覆硬厚巖層60m，兩者間距80m，兩端各設(shè)置用以消除邊界效應(yīng)的25m煤柱，開(kāi)挖250cm模擬工作面實(shí)際推進(jìn)500m。

為研究覆巖結(jié)構(gòu)演化，模型設(shè)置5條測(cè)線(1#—5#測(cè)線)，每條測(cè)線29個(gè)測(cè)點(diǎn)，2#—4#測(cè)線與煤層的距離分別為65m、75m、85m。其中2#、3#測(cè)線主要監(jiān)測(cè)硬厚巖層下附近巖層運(yùn)移情況，4#測(cè)線主要監(jiān)測(cè)硬厚巖層的運(yùn)移情況。采用尼康Nivo2.M免棱鏡全站儀監(jiān)測(cè)煤層上覆巖層位移變化，采用相機(jī)記錄覆巖結(jié)構(gòu)及裂隙發(fā)育的演化。

2 覆巖結(jié)構(gòu)演化

相似材料試驗(yàn)得到了硬厚巖層下覆巖結(jié)構(gòu)演化的主要特征，推進(jìn)100m時(shí)覆巖結(jié)構(gòu)如圖1所示，上覆巖層平衡狀態(tài)遭到破壞，第一關(guān)鍵層發(fā)生彎曲、變形、失穩(wěn)和破斷，其控制的巖層相應(yīng)發(fā)生破斷，在工作面后方和切眼前方未垮落巖體的邊緣均形成了偏向采空區(qū)的倒臺(tái)階狀邊緣，倒臺(tái)階狀邊緣與采空區(qū)上方未垮落的覆巖在走向斷面上呈梯形。工作面推進(jìn)120m、140m時(shí)，第二、三關(guān)鍵層發(fā)生破斷，巖層以單層或成組的形式不斷向上發(fā)展，覆巖梯形結(jié)構(gòu)的腰和下底長(zhǎng)度呈跳躍式增大；推進(jìn)160m時(shí)覆巖結(jié)構(gòu)如圖2所示，第四關(guān)鍵層發(fā)生破斷，覆巖梯形結(jié)構(gòu)的上底發(fā)育到硬厚巖層下。60m厚的硬厚巖層屏蔽了覆巖梯形結(jié)構(gòu)高度的發(fā)育。覆巖梯形結(jié)構(gòu)的上底和下底長(zhǎng)度隨硬厚巖層下覆巖周期垮落不斷加大。硬厚巖層懸跨距離的不斷增加，在上覆巖層載荷及自重作用下發(fā)生破斷失穩(wěn)，覆巖梯形結(jié)構(gòu)從新向上發(fā)育。

圖1 推進(jìn)100m時(shí)覆巖結(jié)構(gòu)

圖2 推進(jìn)160m時(shí)覆巖結(jié)構(gòu)

3 裂隙演化特征

3.1 離層裂隙演化特征

在工作面推進(jìn)到100m時(shí)，第一層關(guān)鍵層達(dá)到其垮落極限發(fā)生破斷，關(guān)鍵層同控制的上部巖層成組垮落并相互作用形成鉸接結(jié)構(gòu)，在已垮落的最上一層巖層與新關(guān)鍵層形成了離層，在走向上呈三角形。成組運(yùn)動(dòng)的巖層在下沉過(guò)程中，部分巖層之間產(chǎn)生的剪應(yīng)力超過(guò)其抗剪強(qiáng)度，并且下位巖層的抗彎強(qiáng)度小于上位巖層的抗彎強(qiáng)度，巖層之間產(chǎn)生離層裂隙。第一關(guān)鍵層的周期破斷，導(dǎo)致第二關(guān)鍵層下離層空間逐漸變大，繼而達(dá)到其懸跨極限發(fā)生第二關(guān)鍵層破斷，破斷巖層與第三關(guān)鍵層在走向上同樣形成了三角形離層。當(dāng)工作面推進(jìn)到100m、120m、140m、160m時(shí)，關(guān)鍵層下在走向上均形成三角形離層，直至發(fā)育到硬厚巖層下(160m時(shí))。硬厚巖層阻斷了離層空間的縱向發(fā)育。硬厚巖層下離層跨度隨其下巖層周期垮落不斷加大，形狀由三角形逐漸發(fā)育成梯形。推進(jìn)200m時(shí)覆巖結(jié)構(gòu)如圖3所示，離層在走向上由三角形發(fā)育成梯形。

圖3 推進(jìn)200m時(shí)裂隙發(fā)育

最大離層數(shù)據(jù)隨工作面推進(jìn)的變化如圖4所示，離層發(fā)育具有不連續(xù)性。在推進(jìn)100m、120m、140m時(shí)，離層主要受相鄰關(guān)鍵層巖性和厚度的影響跨度發(fā)育無(wú)規(guī)則，離層跨度分別是40.1m、60.5m、41.0m。離層發(fā)育到硬厚巖層時(shí)，工作面每推進(jìn)20m，離層跨度增加一次。從離層首次發(fā)育到硬厚巖層到其破斷，離層跨度由66.5m變化到199.5m。離層高度發(fā)育同樣具有不連續(xù)性，受關(guān)鍵層的影響跳躍式上升，直至發(fā)育到具有屏蔽作用的硬厚巖層，發(fā)育暫時(shí)停止，工作面推進(jìn)到100m、120m、140m、160m時(shí)，離層高度分別是43.1m、47.6m、65.3m、80m。

圖4 離層發(fā)育與工作面推進(jìn)的關(guān)系

3#、4#測(cè)線的下沉曲線如圖5所示。4#測(cè)線顯示當(dāng)工作面推進(jìn)到280m，硬厚巖層下離層跨度達(dá)110m，硬厚巖層最大沉降量?jī)H為0.2m，下沉曲線基本上呈一條直線。硬厚巖層作為主關(guān)鍵層強(qiáng)度高、厚度大、剛度大，短推進(jìn)距離內(nèi)變形小，為其下最大離層空間的縱向和橫向發(fā)育提供了條件。3#測(cè)線顯示當(dāng)工作面推進(jìn)到160m時(shí)，硬厚巖層下最近關(guān)鍵層破斷后3#測(cè)線與4#測(cè)線整體形成三角形，即離層初發(fā)育到硬厚巖層下時(shí)，在走向上呈三角形。當(dāng)工作面推進(jìn)到200m時(shí)，3#與4#測(cè)線的三角形逐漸發(fā)育成梯形，且隨著巖層周期垮落，梯形的上下底長(zhǎng)度相應(yīng)增大。最大離層裂隙下的其他離層裂隙逐漸閉合壓實(shí)，梯形高度相應(yīng)增大，從整體上看梯形向開(kāi)采方向底部擴(kuò)展。

圖5 3#、4#測(cè)線下沉曲線

覆巖最大離層高度與煤層開(kāi)采厚度的比值隨工作面推進(jìn)的變化如圖6所示。工作面推進(jìn)到100m、120m、140m時(shí)，最大離層高度與煤層開(kāi)采厚度的比值分別是37.5%、60%、55%。此時(shí)離層尚未發(fā)育到硬厚巖層，最大離層高度與煤層開(kāi)采厚度的比值具有隨機(jī)性，主要受上方關(guān)鍵層的強(qiáng)度和厚度影響。離層發(fā)育到硬厚巖層下時(shí)，硬厚巖層僅有少量的彎曲下沉，其下覆巖之間的離層逐漸被壓實(shí)，離層高度發(fā)育從增大到穩(wěn)定。當(dāng)工作面推進(jìn)到160m、180m、200m、220m、240m時(shí)，最大離層高度與煤層開(kāi)采厚度的比值分別是60%、71%、71.4%、72%、72%，硬厚巖層下最大離層高度所占煤層開(kāi)采厚度的比值超過(guò)50%，硬厚巖層下的離層裂隙占煤層上覆巖層離層裂隙的絕大部分。硬厚巖層破斷前，煤層開(kāi)采后留下的巨大空間填充方式主要有上覆巖層的離層裂隙和垮落煤巖的碎脹。巖石的碎脹性有限，因此硬厚巖層下的最大離層空間占據(jù)了煤層開(kāi)采的大部分空間。

圖6 最大離層高度與煤層開(kāi)采厚度比值變化

3.2 破斷裂隙演化特征

關(guān)鍵層下的懸跨距離隨工作面推進(jìn)不斷加大，關(guān)鍵層巖梁在端部、中部出現(xiàn)并發(fā)育的垂直于巖梁的破斷裂隙。破斷裂隙貫穿后，關(guān)鍵層巖梁同控制的一組巖梁破斷回轉(zhuǎn)并產(chǎn)生強(qiáng)有力的水平擠壓力，巖塊之間形成鉸接結(jié)構(gòu)。各巖層發(fā)生鉸接位置同本巖層及臨近巖層的巖性有關(guān)，導(dǎo)致已破斷的各巖層之間產(chǎn)生離層裂隙。在煤層上方已破斷的巖層一側(cè)與未破斷的巖層形成大體上平行于斷裂線的破斷裂隙線，破斷裂隙上寬下窄。破斷巖層的另一側(cè)與先前已回轉(zhuǎn)下沉穩(wěn)定的巖層也形成了破斷裂隙，破斷裂隙下寬上窄。巖層的破斷裂隙和離層裂隙相互貫通，形成了雙向互通的豎向破斷裂隙區(qū)。切眼豎向破斷裂隙區(qū)高度隨上覆巖層周期垮落不斷上升，水平起始位置不變。工作面豎向破斷裂隙區(qū)隨上覆巖層周期垮落向前向上發(fā)育。如圖2所示，當(dāng)工作面推進(jìn)到160m時(shí)，兩側(cè)的豎向破斷裂隙區(qū)發(fā)育到硬厚巖層底部，受硬厚巖層的屏蔽，破斷裂隙區(qū)高度發(fā)育停止。切眼豎向破斷裂隙區(qū)在硬厚巖層破斷前將在高度和水平位置上保持不變。工作面豎向破斷裂隙區(qū)在高度上保持不變，在水平方向上隨巖層周期垮落水平移動(dòng)，為動(dòng)態(tài)移動(dòng)裂隙。

4 硬厚巖層致災(zāi)分析

隨工作面推進(jìn)，工作面及切眼側(cè)雙向互通的豎向破斷裂隙區(qū)，為瓦斯運(yùn)移提供了通道。開(kāi)采煤層受采動(dòng)應(yīng)力影響內(nèi)部出現(xiàn)張裂隙后，向采空區(qū)釋放瓦斯，臨近煤層和斷裂帶煤層在卸壓作用下膨脹釋放的瓦斯通過(guò)裂隙涌入開(kāi)采煤層采空區(qū)。瓦斯的密度小于空氣且離層裂隙為負(fù)壓，導(dǎo)致采空區(qū)的瓦斯有向上覆巖層離層裂隙運(yùn)動(dòng)的傾向。在壓力差作用下，采空區(qū)積聚的瓦斯順著兩側(cè)豎向破斷裂隙區(qū)進(jìn)入上覆巖層的離層裂隙。煤層開(kāi)采后的空間主要集中的最大離層裂隙，因此瓦斯通過(guò)豎向破斷裂隙區(qū)通道主要集中在上覆巖層的最大離層空間。如圖7所示，當(dāng)本階段最大離層裂隙閉合時(shí)，切眼豎向破斷裂隙區(qū)按一定角度向上發(fā)育，工作面豎向破斷裂隙區(qū)隨上覆巖層周期垮落向前向上移動(dòng)，兩側(cè)的裂隙區(qū)在下一階段的最大離層裂隙處匯合。隨著本階段離層裂隙閉合，瓦斯存儲(chǔ)空間被壓縮并被擠出，被擠出的大部分瓦斯順著兩側(cè)豎向破斷裂隙區(qū)進(jìn)入新的最大離層裂隙。如此周而復(fù)始，瓦斯進(jìn)入到硬厚巖層下的離層空間。整體性強(qiáng)、節(jié)理少、變形小的硬厚巖層屏蔽了離層裂隙的縱向發(fā)育，同時(shí)也圈閉了其下的瓦斯。占據(jù)了煤層開(kāi)采大部分空間的硬厚巖層下最大離層空間為瓦斯積聚創(chuàng)造了巨大空間，同時(shí)采空區(qū)、臨近層及開(kāi)采煤層的上覆煤層的瓦斯順著兩側(cè)豎向破斷裂隙區(qū)源源不斷地涌入硬厚巖層下的最大離層空間。隨硬厚巖層懸跨距離不斷增大，在其自重及載荷作用下出現(xiàn)并發(fā)育至貫通的豎向裂隙，硬厚巖層發(fā)生破斷失穩(wěn)。最大離層空間急劇減小，瓦斯賦存空間被壓縮，同時(shí)已被壓實(shí)的下部覆巖裂隙短時(shí)間內(nèi)瓦斯涌出量有限，瓦斯壓力短時(shí)間內(nèi)急劇上升。硬厚巖層破斷釋放其積聚的大量彈性能，對(duì)最大離層裂隙內(nèi)瓦斯產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，同樣導(dǎo)致最大離層空間瓦斯壓力急劇上升。大量高壓瓦斯沿雙向互通的破斷裂隙區(qū)反向涌向工作面，誘發(fā)瓦斯突涌、煤與瓦斯突出等災(zāi)害。楊柳煤礦在10414工作面開(kāi)采中上覆硬厚巖層破斷后，地面2#抽放孔曾發(fā)生噴孔，瓦斯抽采濃度在32min內(nèi)從20%急劇上升到100%，抽放負(fù)壓快速下降為0。

圖7 瓦斯梯子型通道豎向破斷裂隙區(qū)瓦斯運(yùn)移

5 結(jié) 論

1)工作面推進(jìn)后，上覆巖層走向斷面上逐漸形成梯形結(jié)構(gòu)，隨關(guān)鍵層的破斷，梯形結(jié)構(gòu)的腰和下底長(zhǎng)度呈跳躍式增大。硬厚巖層的存在屏蔽了梯形結(jié)構(gòu)的高度發(fā)育。

2)硬厚巖層下最大離層裂隙發(fā)育呈跳躍式上升，占據(jù)了煤層開(kāi)采的大部分空間，為瓦斯積聚創(chuàng)造了空間；工作面和切眼雙向互通的豎向破斷裂隙區(qū)為瓦斯運(yùn)移提供了通道。

3)硬厚巖層圈閉了其下部的最大離層裂隙內(nèi)的瓦斯，其破斷會(huì)導(dǎo)致最大離層裂隙內(nèi)瓦斯空間急劇減小，瓦斯壓力快速上升，大量高壓瓦斯順著豎向破斷裂隙區(qū)涌向工作面，易誘發(fā)瓦斯突涌等災(zāi)害。