多重采動下大傾角上覆煤巖移動及地面井變形規(guī)律

王智民 ，梁運培 ，鄒全樂 ，張碧川 ，冉啟燦

（1.重慶大學 煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室, 重慶 400044；2.重慶大學 資源與安全學院, 重慶 400044）

0 引 言

在地理環(huán)境、成煤條件等因素的影響下，我國煤層普遍存在碎軟、低滲透性的特點，這也給煤礦瓦斯治理帶來了巨大的挑戰(zhàn)。煤炭開采的采動卸壓作用往往會使得煤層的滲透性有所提高，進而改善瓦斯在煤層中的解吸和流動狀態(tài)。采動卸壓區(qū)地面井瓦斯抽采技術就是運用了該原理，利用煤層開采的采動卸壓作用使得瓦斯大量涌出，進而利用地面鉆井充分抽采卸壓范圍內(nèi)涌出的瓦斯[1-4]。但同時采動作用引起的巖層移動也必然會對采動范圍內(nèi)的地面井井身結構產(chǎn)生影響，進而導致地面井的失穩(wěn)破壞。

國內(nèi)外學者針對近水平、單一煤層開采情況下地面井的變形規(guī)律、失穩(wěn)模式、失穩(wěn)機制等進行了系統(tǒng)的研究，建立了地面井套管的剪切破壞、拉伸破壞、擠壓破壞等數(shù)學模型。孫海濤等[5]基于采場上覆巖層組合劃分規(guī)律建立了地面鉆井變形破壞的層面拉剪變形破壞模型，并在晉城礦區(qū)地面鉆井試驗中進行了驗證。魯義等[6]利用地面沉降理論，建立了地面垂直鉆井井身位移與變形的數(shù)學模型,得到了鉆井水平位移與水平變形的函數(shù)，并基于數(shù)值模擬軟件FLAC，實現(xiàn)了地面垂直鉆井水平應力場的模擬。WHITTLES[7]利用數(shù)學模型分析了不同地質(zhì)條件下，采動區(qū)地面井井身破壞的影響因素。PéRIé[8]根據(jù)鉆井周圍的圍巖破壞特征，提出了鉆井圍巖中間主應力是導致鉆井發(fā)生變形破壞的重要影響因素。錢鳴高等[9]結合采動巖層移動規(guī)律和關鍵層理論分析了地面鉆井的破壞形式及破壞規(guī)律。劉玉洲等[10]通過計算地面鉆井在不同深度的水平位移和垂直變形，分析得出鉆井主要遭受軸向拉壓、徑向剪切和徑向擠壓3 種破壞模式，并提出鉆井主要因遭受剪切破壞而失效。孫海濤等[11]利用相似模擬試驗分析了近水平煤層重復采動下地面井的變形規(guī)律，并提出重復采動影響下地面井的剪切變形呈現(xiàn)出“增大→減小→增大→減小”的反復錯動的活動特征。

對地面井變形失穩(wěn)的研究最終落腳點是判別其高危位置并提出合理的井身局部防護措施。國內(nèi)學者利用數(shù)值模擬、相似模擬試驗、現(xiàn)場試驗等對水平煤層開采情況下地面井的高危位置的判別方法及合理的井身局部防護措施進行了研究。PENG 等[12]通過數(shù)值模擬研究了地面井高危位置的破壞機理。袁亮[13]通過 COSFLOW 和 FLUENT 數(shù)值模擬軟件研究了鉆井直徑對鉆井穩(wěn)定性的影響，并提出通過增大鉆井直徑提高鉆井穩(wěn)定性，延長鉆井的使用壽命。梁運培等[14-15]從巖層移動的角度出發(fā)分析了地面鉆井不同布井位置對井身結構穩(wěn)定性的影響。李日富等[16]分析了地面鉆井抽采瓦斯效率的影響因素，并提出當鉆井布置在靠近回風巷一側時，可延長鉆井的抽采壽命。陳金華等[17]通過 FLAC3D軟件研究了在壓縮、拉伸和剪切條件下鉆井的失效類型，確定了影響鉆井失效的一般因素和鉆井基本的失效模式，并在成莊煤礦進行了現(xiàn)場驗證。

巖層移動是導致地面井變形失穩(wěn)的決定性因素，國內(nèi)學者針對大傾角煤層群開采下的覆巖移動規(guī)律開展了大量研究。解盤石等[18]采用大比例三維物理相似模擬試驗和數(shù)值計算相結合的研究手段,深入分析了偽俯斜采場初采階段和正?；夭呻A段頂板應力演化規(guī)律。楊科[19]綜合運用了井下鉆孔三維成像對再生頂板結構實測、基于聲發(fā)射監(jiān)測技術的相似物理模擬和理論分析3 種技術手段，對大傾角煤層綜采面再生頂板結構、垮落特征進行了研究。姚琦[20]通過建立數(shù)學模型，探究了急傾斜走向分段充填傾向覆巖破壞特性及移動規(guī)律，張俊英[21]利用三維有限元模擬研究，分析了地表沉降、煤柱應力與開采煤層數(shù)、煤層間距及相互位置等的相互關系。

從目前的研究來看，在利用相似模擬或者數(shù)值模擬研究采動區(qū)地面井變形時，通常只是采用布置監(jiān)測線的方式來間接反映地面井的變形情況，并沒有實際的將模擬地面井管道放入地層模型中，這就導致試驗過程無法體現(xiàn)圍巖與地面井的耦合作用，進而使得最終的試驗結果不夠準確。同時，目前的研究大多針對近水平單一煤層開采，但我國煤層賦存條件較為復雜，多為傾斜煤層且往往是多個煤層的接替開采，這就導致大量關于單一近水平煤層開采情況下地面井變形規(guī)律的研究結論不能完全適用。

因此，采用相似模擬試驗，分析了大傾角多重采動條件下上覆煤巖的移動特征，探究了大傾角多重采動區(qū)地面井的變形規(guī)律，為地面井技術在工程中的應用提供理論支撐。

1 大傾角煤層群開采相似模擬試驗

1.1 模型搭建

根據(jù)相似原理搭建試驗裝置時，要求模型在幾何形狀、應力應變、位移參數(shù)等同類物理量必須按一定比例相似。其中相似原理[22-23]表述為：若有2 個系統(tǒng)(模型與原型)相似，則它們的幾何特征和各個對應的物理量必然互相成為一定的比例關系，這樣就可以由模型系統(tǒng)的物理量推測原型相應的物理量，相似三定理也是進行相似模擬試驗的理論依據(jù)。

1）幾何相似。在相似模擬試驗中，需模型與原型各部分的尺寸按同樣的比例放大或縮小，達到幾何相似。本文中的相似模擬試驗裝置為二維平面模型，其長寬比厚度要大很多，長寬的選取主要是根據(jù)工程實際情況來確定，而模型的厚度主要根據(jù)模型的穩(wěn)定性要求和相關厚度的選取經(jīng)驗進行確定。

2）物理相似。根據(jù)模型所要解決的實際問題，選取其中起控制作用的物理參數(shù)。本模型研究煤層開采對地面井變形破壞的影響，相似模擬試驗所需考慮的主要參數(shù)有：下角幾何尺寸l、容重 γ、彈性模量E、應力 σ、開挖時間t等，用下角p 和m 分別表示原型和模型的物理量，C表示相似常數(shù)，將各物理量之間的相似比定義為：Cl=lplm=100，Cγ=γpγm=1.5，Ct=tp/tm=20，Cσ=C1Cγ=σP/σm=150,CE=Cσ=150。

3）邊界條件。模型的邊界條件應盡量與原型一致。利用本相似模擬試驗裝置進行試驗時，在受地下開采影響前，模型的上部邊界是自由邊界，下部為限制豎直位移的邊界條件，左側和右側為限制水平位移的邊界條件。

4）初始條件。初始狀態(tài)是指原型的自然狀態(tài)，對本試驗而言，主要的初始狀態(tài)是各巖層的結構狀態(tài)。本試驗模型中除被地面井穿過的部分煤巖層因鉆孔施工受到較小擾動外，其余各煤巖層均為完整層狀結構，且層與層之間利用云母粉制造軟弱結構面。

本相似模擬試驗模型以新疆艾維爾溝礦區(qū)1930 煤礦的24312 工作面為原型，工作面走向長度553 m ，傾斜長度173 m ，煤層平均傾角30°，工作面回采范圍內(nèi)無斷層、褶皺構造，采用走向長壁采煤法，工作面日推進長度為8 m，地面井相關參數(shù)如下，地面井一開孔徑444.5 mm 二開孔徑347.6 mm 三開孔徑241.3 mm，終孔位置于4 號煤層頂板之上3 m，埋深116 m。試驗模型尺寸為1.5 m×0.1 m×1.5 m，根據(jù)各種相關巖石的物理力學性質(zhì)（表1），確定了相似試驗各煤巖層的材料配比，相似材料主要包括沙、石膏、碳酸鈣、水，各巖層間均勻撒上云母粉制造巖層間的軟弱結構面。模型從下至上依次水平鋪設，為防止搭建過程中模型發(fā)生失穩(wěn)坍塌，待模型整體搭建完成后，再旋轉模型至巖層與水平面成30°夾角，取下兩側部分擋板徹底風干，最后拆除所有擋板，并進行開挖試驗。

表1 煤巖層物理力學性質(zhì)Table 1 Physical and mechanical properties of coal strata

1.2 模擬方案

鋪設模型過程中，在3 號煤層里埋設了10 個應力傳感器，根據(jù)覆巖采動卸壓情況將傳感器分別布置于距離模型左邊界20、30、40、50、60、70、80、90、100、110 cm 處，分別編號為Y301～Y310 用于實時監(jiān)測3 號煤層的垂直應力變化，模擬地面井管道采用直徑為10 mm 壁厚為1 mm 的薄壁鋁管，垂直于水平面布置在距離模型左邊界60 cm 處，終孔位置位于4 號煤層頂板之上，地面井管道的變形由貼附于管道內(nèi)表面的應變片監(jiān)測，并在應變片表面涂上隔離膠，基于目前有關采動地面井變形的研究表明，地面井的變形失穩(wěn)情況多發(fā)生于地層與地層交界的位置，因此本試驗監(jiān)測點的布置情況如下：測點分別布置于距4 號煤層頂板15 cm (D點)、35 cm (C點)、50 cm (B點)、65 cm (A點)，盡可能讓監(jiān)測點位置處于層與層結合位置的附近，以更好地監(jiān)測地面井的變形情況，相似模擬試驗系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 大傾角多重采動下地面井變形相似模擬試驗Fig.1 Simulation experiment of surface well deformation under multiple mining with large dip angle

試驗過程為了消除模型邊界效應的影響，模型的左右邊界均預留30 cm。開挖順序從上到下依次為4 號煤層、5 號煤層、6 號煤層。每個煤層的開挖都是從距模型左側邊界30 cm 處向右側開挖，每次開挖10 cm，連續(xù)推進90 cm。按時間比例，每次開挖間隔時間為2 h，每個煤層開采后，經(jīng)過10 h 的覆巖穩(wěn)定期，開始下一煤層的開采，直至3 個煤層全部開挖完成。試驗過程中動態(tài)應變儀與應力傳感器全程采集數(shù)據(jù)（圖2），每次開挖完成后對模型進行拍照，記錄巖層移動情況，穩(wěn)定過程中出現(xiàn)的明顯垮塌現(xiàn)象同樣進行了拍照記錄。

圖2 監(jiān)測儀器與數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)Fig.2 Monitoring instrument and data collection system

2 大傾角煤層群采動區(qū)巖層移動規(guī)律

2.1 覆巖垮落過程

試驗過程中，頂板及上覆巖層的垮落過程如圖3所示。

圖3 多煤層開采下頂板及覆巖垮落情況Fig.3 Caving of roof and overlying rock under multi-seam mining

開挖4 號煤層過程中，工作面推進至20 cm 時，煤層頂板巖層破斷，形成直接頂?shù)某醮慰迓?，垮落的第一巖塊（開切眼附近）長度為8 cm，第二塊巖塊長度為10 cm，裂隙距離煤層高度7 cm；當工作面推進至50 cm 時，煤層頂板上覆巖層發(fā)生組合垮落，與底板形成角度為10°，巖塊高度為8 cm，長度為24 cm，破斷裂隙最大開度為0.8 cm，裂隙距離煤層有10 cm；工作面推進至90 cm 時，上覆巖層中出現(xiàn)一條由上往下與煤層夾角為20°的貫穿裂隙，長度為22 cm。

開挖5 號煤層過程中，工作面推進至20 cm 時，煤層頂板巖層發(fā)生斷裂，形成直接頂?shù)某醮慰迓?，垮落為兩段，垮落的第一巖塊（開切眼附近）長度為9 cm，第二塊巖塊長度為9 cm，裂隙距離煤層底部有4 cm；工作面推進至50 cm 時，煤層頂板第一巖層發(fā)生第三次塌落，塌落巖塊長度為15 cm，煤層上方第二巖層出現(xiàn)離層裂隙，長度為19 cm；工作面推進至90 cm 時，煤層頂板第一巖層斷裂但未塌落，斷裂巖塊長度為11 cm，左側斷裂角為60°，煤頂部第二巖層的離層裂隙左側壓實，右側延長至34 cm，上部覆巖層由上往下的破斷裂隙開度變大為1 cm，同時3 號煤層下部的主關鍵層發(fā)生斷裂，導致3 號煤層出現(xiàn)彎曲下沉現(xiàn)象。

開挖6 號煤層過程中，工作面推進至20 cm 時，煤頂板第一巖層和第二巖層組合垮落，巖塊長度為20 cm，巖塊右側斷裂，左側塌落，煤層頂部第四巖層出現(xiàn)離層裂隙，長度為13 cm；工作面推進至50 cm時，煤層頂板第一巖層和第二巖層組合塌落，塌落巖塊長度為11 cm，3 號、4 號、5 號煤層同時出現(xiàn)垮落現(xiàn)象，垮落范圍變大；工作面推進至90 cm 時, 煤層頂板第一巖層7 cm 巖塊右側塌落，煤頂板第二巖層離層裂隙發(fā)生擴展長度為9 cm，開度為0.5 cm，上部覆巖層由上往下的破斷裂隙開度變大為3 cm。隨著開挖的進行，采空區(qū)中部的離層裂隙被壓實，而在開切眼側破斷裂隙和裂隙發(fā)育明顯。

從覆巖垮落圖可以看出，巖層的垮落情況與水平煤層開采時存在明顯差異，整體垮落情況呈現(xiàn)出一種不對稱的形式，這就導致開采引起的覆巖卸壓作用范圍存在非對稱性。

2.2 煤巖應力變化規(guī)律

3 號煤層共布置了10 個應力監(jiān)測點，編號從左到右依次為Y301～Y310。其中編號為Y303、Y305和Y307 的3 個應力監(jiān)測點數(shù)據(jù)不可用，共收集得到7 個可用的應力監(jiān)測點數(shù)據(jù)。獲得的7 個應力監(jiān)測點數(shù)據(jù)在工作面推進過程中垂直應力呈現(xiàn)兩種變化規(guī)律，“增→減→增”型和“增→減→增→減→增”型（圖4）。4、5、6 號煤層開挖過程中，3 號煤層監(jiān)測點的垂直應力先升高再降低，經(jīng)歷了一次加卸載過程，在晚上停采階段，3 號煤層各監(jiān)測點的垂直應力幾乎保持不變。

圖4 3 號煤層應力曲線Fig.4 Stress curve of No.3 coal seam

3 號煤層的不同監(jiān)測點，在不同煤層開采階段受到的加卸載程度不同。Y301、Y302 測點在4 號煤層開采時第一次受到明顯的加卸載作用，在6 號煤層開采時又受到一次加卸載作用，且第一次的強度明顯大于第二次；Y308、Y310 測點在5 號煤層開采時第一次受到明顯的加卸載作用，在6 號煤層開采時第二次受到加卸載作用，且第一次加卸載作用明顯大于第二次；Y304、Y306、Y309 測點在開采4 號、5 號、6 號煤層時均受到明顯加卸載作用，第一次與第二次加卸載強度相當且都高于第三次的加卸載強度。

整個開采過程中，3 號煤層的應力變化在空間上存在不對稱的情況，在時間上不同煤層的開采引起的應力變化情況也有所不同。

3 大傾角煤層群采動區(qū)地面井變形特征

地面井各位置的變形情況如圖5、圖6 所示，由于試驗過程中B點軸向應變片損壞，未采集到該點軸向應變數(shù)據(jù)，但從環(huán)向變形數(shù)據(jù)看該點變形情況與整體規(guī)律相符。在此規(guī)定試驗數(shù)據(jù)中拉伸為正值，壓縮為負值。試驗結果中地面井的環(huán)向應變認為是由巖層的剪切作用產(chǎn)生的，軸向應變則是是由巖層的拉伸、壓縮作用產(chǎn)生的。

圖5 地面井軸向變形曲線Fig.5 Axial deformation curve of surface well

圖6 地面井環(huán)向變形曲線Fig.6 Surface well circumferential deformation curve

從整體可以看出地面井在煤層開采過程中受到拉伸、擠壓、剪切的綜合作用，這也是地面井在工程應用中這么容易發(fā)生變形破壞的原因。從圖5、圖6變形曲線來看，與近水平煤層開采時情況相同，整個開采過程中地面井主要受到拉伸作用和剪切作用，地面井的軸向出現(xiàn)拉伸與壓縮交替出現(xiàn)的情況，且各點的拉壓狀態(tài)與所處位置和開采時間有很大的關系，但與近水平煤層開采時不同的是，在傾斜煤層開采過程中地面井的剪切作用方向一般不會出現(xiàn)正反兩個方向的反復剪切作用，而只會受到傾斜方向的剪切作用；每一層煤層從開采階段到停采穩(wěn)定階段，地面井都經(jīng)歷一個“加載-卸載-穩(wěn)定”的過程；每次工作面經(jīng)過地面井下方位置時，即曲線圖中每個開采階段的中間位置，地面井都會出來一個相對較大的變形，這是由于地面井管道本身破壞了巖層的完整性和穩(wěn)定性，使得地面井管道周圍的巖體強度變低更容易發(fā)生破壞，巖體的破壞和巖層的移動又導致了地面井管道發(fā)生變形；在開采過程中，地面井管道的變形情況呈現(xiàn)越往深部，變形越大的特點，且從圖中可以明顯看出，由于采動引起的覆巖移動總是由工作面不斷向上部傳遞，導致了淺部位置的變形曲線突變點總是滯后于深部位置。

在開采完5 號煤層后的停采穩(wěn)定期內(nèi)，地面井各監(jiān)測點位置都發(fā)生了一次較大的變形突變，特別是C點位置，從原來的拉伸狀態(tài)變成壓縮狀態(tài)。C點位置處于一層厚度為19.6 cm 的中砂巖層中，其厚度遠高于其他巖層。從關鍵層的角度分析，由于關鍵層的存在采場上覆巖層的變形、破斷、離層和地表沉陷等一系列礦壓顯現(xiàn)規(guī)律主要由堅硬巖層中的關鍵層控制，關鍵層的斷裂、破壞導致覆巖發(fā)生劇烈的移動，由此在短時間內(nèi)對地面井產(chǎn)生巨大的沖擊作用，進而導致地面井在短時間內(nèi)產(chǎn)生較大的變形[24]。從以上特點來看，C點所處的位置即為關鍵層所處的位置，從變形曲線來看，在關鍵層斷裂之前，由于離層拉伸作用C點位置的地面井處于拉伸狀態(tài)，在關鍵層斷裂塌陷后，地面井由拉伸狀態(tài)轉為壓縮狀態(tài)，變形過程如圖7 所示。從巖層塌陷圖來看，在開采完5 號煤層后，地面井在關鍵層位置出現(xiàn)了明顯的斷裂并產(chǎn)生了明顯的彎曲下沉現(xiàn)象（圖8），這也從側面印證C點所處的巖層為關鍵層。

圖7 關鍵層作用下的地面井受力情況示意Fig.7 Schematic diagram of surface well stress under the action of key strata

圖8 5 號煤層開采停采期塌陷Fig.8 Subsidence diagram of No.5 coal seam during stoppage of mining

從各點的變形曲線來看，軸向應變與環(huán)向應變都一直存在，且環(huán)向應變總是大于軸向應變，這說明地面井在采動作用過程中受到的剪切作用占主導地位，且開采過程中軸向應變和環(huán)向應變的變化總是同時進行。以主關鍵層為界線，整個開采過程中地面井的變形規(guī)律可以分為關鍵層上部呈現(xiàn)“增大-減小”反復交替三次的規(guī)律，關鍵層及下部呈現(xiàn)“增大-減小”反復交替四次的規(guī)律，即每一次煤層的開采都是一個加卸載的過程，而停采期相對于開采過程地面井的變形變化較為平緩，但由于主關鍵層的存在，在開采完5 號煤層后，主關鍵層出現(xiàn)斷裂破壞，導致地面井在停采期也出現(xiàn)了一個較大的變形過程（圖9）。除此以外，軸向應變的變化總是與環(huán)向應變的變化方向相反，即軸向應變增大時環(huán)向應變減小，軸向應變減小時環(huán)向應變增大，這一點說明地面井在采動影響下發(fā)生變形的過程中，環(huán)向的剪切變形與軸向的伸縮變形存在負相關關系，同時在一定程度上說明地面井所受的剪切作用和拉壓作用存在相互制約的關系。

圖9 地面井各點變形曲線Fig.9 Surface well deformation curve at each point

4 結 論

1）大傾角煤層開采時，巖層的垮落情況與近水平煤層開采時存在明顯差異，整體垮落情況呈現(xiàn)出一種不對稱的形式，這也導致了開采引起的上覆巖層的卸壓范圍存在非對稱性，同時上層煤層的應力變化在空間也存在不對稱的情況，而在時間上不同煤層的開采引起的應力變化情況也有所不同。

2）開采過程中，地面井管道一直處于剪切、擠壓、拉伸的復合應力狀態(tài)，但由于煤巖層傾角的存在，導致煤巖層自重力更多的施加在地面井管道的徑向方向，因此環(huán)向應變總是大于軸向應變，即地面井在采動作用過程中所受的剪切作用占主導地位，同時，徑向剪切變形與軸向的伸縮變形存在負相關關系，在一定程度上說明地面井所受的剪切作用和拉壓作用存在相互制約的關系。

3）地面井軸向的變形規(guī)律雖整體是增大趨勢，但過程中出現(xiàn)拉縮交替的現(xiàn)象，與近水平煤層開采時軸向變形一直增大的現(xiàn)象存在較大差異；而環(huán)向的剪切變形則與水平煤層開采較為相似，出現(xiàn)反復錯動的特點，但最終的剪切位移的方向始終是煤層的傾斜方向。

4）開采過程中，關鍵層的斷裂對地面井有較大影響，主關鍵層上部地面井變形出現(xiàn)了“增大-減小”反復3 次交替，關鍵層及下部呈現(xiàn)“增大-減小”反復四次交替，即每一層煤層的開采類似于一次加卸載的過程，而在停采期地面井的變形變化較為平緩。