載荷作用下“兩帶”發(fā)育高度規(guī)律研究

闞雪冬

（焦作煤業(yè)集團有限責(zé)任公司，河南 焦作 454002）

0 引 言

我國厚松散層礦區(qū)分布廣泛，包括華東、華中、華北等地區(qū)的兗州、濟寧、兩淮、焦作、峰峰、開灤等礦區(qū)[1-3]?！皟蓭А保迓鋷Ш蛯?dǎo)水裂縫帶） 高度是水體下采煤安全煤巖柱留設(shè)的重要參數(shù)之一，研究松散層載荷作用下的“兩帶”發(fā)育高度對我國諸多大水礦區(qū)具有重要意義。我國第三系、第四系松散層一般由未膠結(jié)的粘土、沙土或礫石組成，具有強塑性特征。工程研究發(fā)現(xiàn)，一般條件下松散層在采動沉降過程中不能形成類似巖層砌體梁一樣的結(jié)構(gòu)，可作為均布載荷作用于基巖之上，不同厚度松散層下的“兩帶”高度有一定的差異性。對于“兩帶”發(fā)育高度，國內(nèi)學(xué)者做了不少研究。張永剛等[4]利用數(shù)值模擬和經(jīng)驗公式對比分析了厚松散層薄基巖下重復(fù)采動下的“兩帶”破斷高度，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果小于經(jīng)驗公式計算值；唐世界等[5]結(jié)合趙固一礦具體條件，用實驗和數(shù)值模擬的方法分析了厚松散層薄基巖上分層開采覆巖移動規(guī)律，進(jìn)而確定了上分層開采防水安全煤巖柱尺寸及合理安全開采厚度；吳云等[6]利用現(xiàn)場實測的方法研究了薄基巖頂分層開采“兩帶”發(fā)育高度，并用數(shù)據(jù)分析進(jìn)行驗證；董檢平等[7]采用地面鉆孔觀測法以及數(shù)值模擬，對厚松散層綜放開采覆巖破壞高度發(fā)育規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)二者結(jié)果相近，且發(fā)育高度隨采高增大而增大；張安斌等[8]針對巨厚松散層下“兩帶”高度的研究，采用經(jīng)驗公式預(yù)測、物理相似模擬試驗和UDEC 數(shù)值模擬分析3 種方法進(jìn)行了綜合探究，研究結(jié)果表明物理相似模擬和UDEC 數(shù)值模擬能夠反演上覆巖層垮落過程，且與經(jīng)驗公式計算的“兩帶”高度結(jié)果具有一致性；張文藝等[9]利用物探的手段對巨厚松散層下“兩帶”高度進(jìn)行了探究；張彬等[10]利用離散元數(shù)值分析方法研究了松散含水層“兩帶”高度，驗證了現(xiàn)場實測結(jié)果的正確性。以上成果對覆巖破壞規(guī)律研究起到了推動作用，但大部分研究為個例研究，主要分析覆巖結(jié)構(gòu)或開采方法對“兩帶”高度影響，沒有研究不同厚度松散層的載荷對“兩帶”發(fā)育高度的影響。

趙固二礦井田內(nèi)為賦存巨厚的第四系松散層，不同松散層厚度的多個工作面開采“兩帶”發(fā)育高度實測結(jié)果規(guī)律不一，為深入研究深厚松散層對“兩帶”發(fā)育高度的影響規(guī)律，本文以趙固二礦的地質(zhì)條件為工程背景，將松散層視為均布載荷，利用數(shù)值模擬和理論計算分析載荷作用下的“兩帶”發(fā)育高度。研究成果為含水松散層下合理煤巖柱的留設(shè)及壓架突水災(zāi)害的防治提供參考[11]。

1 概 況

趙固二礦開采二1 煤層，煤層厚度4.73～6.77 m，平均6.16 m，煤層厚度主要集中在6.00～6.50 m。二1 煤層厚度大，變化小，結(jié)構(gòu)比較簡單，煤質(zhì)變化較小，煤類單一，層位穩(wěn)定，全區(qū)可采，屬穩(wěn)定型厚煤層。采用綜合機械化開采，采空區(qū)頂板采用全部垮落方法處理。煤層頂板以泥巖為主，其次為中、細(xì)砂巖。底板以泥巖為主，占72%，次為粉、細(xì)砂巖，占17%。趙固二礦井田范圍內(nèi)無基巖出露，均為巨厚松散層覆蓋。松散層主要由粘土、砂質(zhì)粘土、礫石、粘土夾礫石及細(xì)砂構(gòu)成，厚度524.69～703.48 m，厚度差為178.37 m，厚度變化主要受古地形控制。當(dāng)松散層厚度變化時，就可能引起“兩帶”高度變化，從而引起導(dǎo)水裂縫帶發(fā)展至松散層含水層中，最終導(dǎo)致透水事故的發(fā)生。因此研究松散層載荷對“兩帶”發(fā)育高度的影響具有一定的防治水意義。

2 載荷作用下的覆巖破壞數(shù)值模擬分析

2.1 模擬方案

基于FLAC3D 建模原理[12]，利用FLAC3D 軟件建立“頂板-煤層-底板”模型，依據(jù)鉆孔柱狀圖和實際地質(zhì)狀況對模型劃分不同性質(zhì)的煤巖層并賦值相關(guān)參數(shù)，巖層性質(zhì)及參數(shù)見表1。松散層容重為2 g/cm3，經(jīng)過計算可知松散層對基巖載荷為0.02 MPa/m，以100 m 厚的松散層為例，載荷為2 MPa，依此對模型上邊界施加不同的載荷（表2）用于模擬不同厚度的松散層，然后運算模擬初始平衡狀態(tài)。接著對煤層進(jìn)行開挖操作，可模擬煤層開挖后的上覆巖層破斷情況。

表1 巖層性質(zhì)Table 1 Properties of rock formation

表2 施加載荷方案Table 2 Load application scheme

在模擬后的塑性破斷圖上可以測出垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶的高度。

2.2 建立模型

根據(jù)6 采區(qū)現(xiàn)場工作面具體條件簡化并建立數(shù)值模型，將開采煤層視為水平煤層建立模型，如圖1（a） 所示，尺寸為600 m×400 m×302 m。模型上部250 m 為頂板及上覆巖層，中部2 m 為煤層，下部50 m 為底板巖層。設(shè)置邊界條件如圖1（b）所示，由于頂板巖層采動變形大，將上邊界設(shè)定為自由位移邊界并施加載荷，模型下部為底板，簡化為位移邊界條件，水平方向無位移約束，垂直方向為固定鉸支座，即垂直位移為0，模型兩側(cè)為實體煤巖體，同樣簡化為位移邊界條件，水平方向為固定鉸支座，即水平位移為0，豎直方向無位移約束。

圖1 數(shù)值模型Fig.1 Numerical model

2.3 “兩帶”高度特征及結(jié)果

按照表2 方案對模型上部邊界施加均布載荷，并在煤層中開挖200 m 長的工作面，兩邊各留200 m 寬的煤柱以減小邊界效應(yīng)。

開采完畢后，根據(jù)礦山壓力理論，頂?shù)装鍘r層內(nèi)部應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，應(yīng)力進(jìn)行了重新分布，處于煤壁與采空區(qū)附近區(qū)域內(nèi)頂板巖層應(yīng)力集中，且變化強烈，易遭受破壞而形成破壞帶[13-16]。

經(jīng)過數(shù)值模擬，不同載荷條件下的覆巖塑性破壞云圖如圖2 所示。根據(jù)模擬塑性破壞結(jié)果可知，上覆巖層拉伸破壞時形成垮落帶，剪切破壞時形成導(dǎo)水裂縫帶。

圖2 數(shù)值模擬結(jié)果Fig.2 Numerical simulation results

根據(jù)模擬結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)“兩帶”高度的一般特征：導(dǎo)水裂縫帶高度隨著載荷的增大呈現(xiàn)增大趨勢。經(jīng)分析測量可得各個載荷下的“兩帶”高度，見表3。

表3 不同載荷下的“兩帶”高度Table 3 Hight of"two zones"under different load

載荷為0 時，垮采比為12.5，裂采比為42.5；載荷為2 MPa 時，垮采比為13，裂采比為86.5；載荷為4 MPa 時，垮采比為13，裂采比為116.5；載荷為6 MPa 時，垮采比為13.5，裂采比為>125。隨著載荷的增大，垮落帶高度略微增加，基本保持不變。分析其原因為頂板垮落過程主要是受拉破壞，與巖體自身抗拉強度有關(guān)，而載荷增加的是下壓力，因此垮落帶高度變化不大。隨著載荷的增大，導(dǎo)水裂縫帶高度呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，分析其原因為載荷增大引起上覆巖層的剪切力（垂向應(yīng)力） 增大，并逐漸超過其抗剪強度，造成導(dǎo)水裂縫帶向上發(fā)育。可以看到，當(dāng)載荷增大到6 MPa 時，裂隙已發(fā)育至松散層中，可能突破其含水層，導(dǎo)致事故的發(fā)生。

3 載荷對“兩帶”發(fā)育高度的影響規(guī)律

3.1 “兩帶”高度理論計算

考慮到趙固二礦上覆巖層主要為泥巖和砂巖，屬于中硬巖層，根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》[17]中“兩帶”計算公式：

式中：∑M為累計采厚，公式應(yīng)用范圍為單層采厚1 ~ 3.5 m，累計采厚不超過15 m；計算公式中“±”號項為中誤差。

將采厚∑M=2 m 代入式（1） 和式（2），計算得垮落帶高度HK=4.8～9.2 m，導(dǎo)水裂縫帶高度Hli=21.4～32.6 m。垮采比為2.2～4.6，裂采比為10.7～16.3。

3.2 理論分析

對比理論計算和數(shù)值模擬“兩帶”高度結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，二者結(jié)果相差較大。其中數(shù)值模擬結(jié)果偏大，理論計算結(jié)果偏小。分析其原因主要為：①經(jīng)驗公式僅考慮采厚和煤巖性質(zhì)作為變量，并未考慮其他因素（如埋深） 對“兩帶”高度的影響，因此計算具有一定的局限性；②數(shù)值模擬僅考慮松散層載荷作為變量，模擬結(jié)果只與載荷大小相關(guān)。

根據(jù)不同載荷下的“兩帶”高度數(shù)值模擬結(jié)果，制成“兩帶”高度隨載荷增大而變化的趨勢曲線，如圖3 所示?？梢钥闯鲭S著載荷增加，垮落帶高度基本不變，導(dǎo)水裂縫帶高度逐漸增大，且變化率逐漸降低。

圖3 “兩帶”高度趨勢Fig.3 Height trend of"two zones"

4 結(jié) 論

（1） “兩帶”高度數(shù)值模擬結(jié)果與經(jīng)驗公式計算結(jié)果相差較大，尤其是導(dǎo)水裂縫帶高度，數(shù)值模擬結(jié)果遠(yuǎn)高于理論計算值。

（2） 數(shù)值模擬結(jié)果顯示不同的載荷對“兩帶”發(fā)育高度有一定的影響。隨著載荷的增大，垮落帶高度略微變化，基本保持不變，導(dǎo)水裂縫帶高度逐漸增大。頂板垮落主要是受拉破壞引起的，與自身抗拉強度有關(guān)，因此垮落帶高度變化不大。載荷作用使得基巖內(nèi)采動應(yīng)力（尤其是垂向應(yīng)力） 增大，裂隙發(fā)育，造成導(dǎo)水裂縫帶高度增大。