采動應力在薄基巖及厚松散層底部傳遞規律探究

劉延欣 武宇亮 岳尊彩 朱術云

(1.兗州煤業股份有限公司鮑店煤礦，山東省鄒城市，273513；2.兗州煤業股份有限公司興隆莊煤礦，山東省兗州市，272102；3.中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇省徐州市，221116)

礦山開采必然會帶來影響范圍內的地應力重新分布，產生采動應力，引起部分區域應力集中而聚壓，部分區域應力釋放而卸壓，造成礦山壓力顯現。隨著近十幾年的超強度開采，華北型煤田相對正常地段資源已基本開采完畢，為了延長礦井服務年限和可持續發展，提高開采上限進行薄基巖厚松散層下可行性已成為眾多煤礦研究的課題。歸納起來可大致劃分為兩個主要方面，一是從薄基巖角度進行了垮落帶和導水裂縫帶高度及覆巖破斷運動規律的研究，提出了“兩帶”高度估算及相應的涌水潰砂防治和控制技術；另一方面是從厚松散層角度，運用力學相關理論，探討了第四系底部砂層或黏土層在采動條件下對其上覆載荷向下傳遞的規律，發現了砂層中有承壓水和沒有承壓水對上覆載荷傳遞具有明顯差異性，底部黏土層對采動覆巖失穩破斷也起到很重要作用，但關于采動應力在薄基巖向厚松散層中傳遞規律相關研究偏少。為此，本文以兗州煤業股份有限公司鮑店煤礦八采區淺部首采工作面為地質背景，通過巖土體層組劃分，運用FLAC3D軟件，數值模擬探討薄基巖厚松散層下采動應力從巖層到土層的傳遞規律，以期為提高開采上限可行性提供參考。

1 研究區概況

首采工作面(83上01)位于八采區中間，平面上南北呈狹長帶狀分布。工作面設計切眼南部靠近3上煤層露頭附近，設計停采線北距六采區總回風巷約330 m，周邊為待采區。主采的3#煤層在大部分地方都是分叉的，分為3上煤層和3下煤層，僅靠近北部停采線附近沒有分叉。根據該面及附近鉆孔資料，3上煤層厚度4.6～6.6 m，平均厚度5.8 m，厚度較穩定，結構簡單。

鉆孔繪制的八采區3#煤層基巖厚度等值線分布圖見圖1(圖中數值單位為m)。

圖1 基巖厚度等值線及首采面在八采區位置平面示意圖

由圖1可知，首采面附近基巖高度變化較大，南部受杏行背斜影響，沿其核部附近明顯變薄，最薄位置由165鉆孔控制，厚度約31.3 m，首采面屬于典型的薄基巖厚松散層下開采。83上01工作面走向長度約1980 m，傾斜長度約280 m，工作面內煤層受褶皺構造影響，產狀變化大，走向為0°～179°，傾向為90°～359°，煤層傾角5°～19°，平均傾角11°。

2 覆巖結構特征及含隔水性能分析

2.1 覆巖結構特征及其富水性分析

八采區內施工各類鉆孔25個，鉆孔密度約6個/km2，其中2015年以前施工了17個鉆孔， 2015年補勘施工了8個鉆孔(八-1孔至八-8孔)。

根據鉆孔資料，八采區內僅殘存上侏羅統(J3m)下段，采區內鮑25-165-八-7孔一線西側缺失，分布區厚度自西向東南漸厚，最大殘厚116.82 m。區內有19個鉆孔揭露到該層段，厚度2.09～116.82 m，平均厚度49.16 m。前期已有抽水試驗資料，本含水層段單位涌水量0.00004～0.035 L/(s·m)，礦化度2.04 g/L，水質類型為SO4·Cl-Na型。2015年該采區補勘分別在八-3孔和八-6孔進行了抽水試驗，取得的單位涌水量q分別為0.00192 L/(s·m)和0.01785 L/(s·m)，滲透系數k分別為0.0068 m/d和0.0258 m/d。八-3孔和八-6孔揭露的上侏羅統砂巖厚度分別為50.4 m和55.69 m，該層段水位標高分別為-79.72 m和-109.40 m，對應的水頭高度分別為58.19 m和44.77 m，反映出區內該層段水富水性弱，并處于非承壓—微承壓狀態。

山西組砂巖含水層主要指3上煤層頂部砂巖和3下煤層底板砂巖，以3#煤層(3#煤層及3上煤層)頂部砂巖為主。八采區內鉆孔控制的3上煤層至3下煤層間距為1.18～14.65 m(225孔至八-5孔)，平均間距10.4 m，巖性主要為泥巖，局部為粉砂巖，基本不含水。由于區內斷層構造不發育，且大部區段本層段砂巖厚度較薄，對3#煤層開采的充水影響微弱。

2.2 松散層結構特征及其富水性分析

由于八采區第四系中組厚度相對穩定，較好地阻隔了第四系上、下組含水層之間的水力聯系，對八采區產生影響的第四系含水層主要是下組含水層。八采區第四系下組含水層厚度分布相對穩定，鉆孔揭露厚度18.80～43.25 m，平均揭露厚度29.82 m。本組含水層為砂及砂礫層，與粘性土相間分布。

第四系底界標高-124.34～-86.93 m，第四系下組水位標高-101.0～-74.4 m，考慮第四系下組底粘厚度，則可得到第四系下組水頭高度為0.53～20.21 m，平均水頭高度9.74 m。鉆孔統計底含厚度在1.00～9.40 m之間，平均底含厚度3.56 m，整體上厚度分布規律不太明顯，但最大厚度還不到10 m，結合第四系下組厚度特征，該含水層基本處于非承壓狀態。

2015年該采區補勘施工了8個鉆孔，并均對第四系底含進行了抽水試驗，但發現因八采區第四系底含富水性較差，只對八-5孔進行了2次水位降深分別為2.11 m和2.58 m的小降深抽水試驗，不能滿足抽水試驗要求。由于八-5孔抽水試驗不合格，在其鄰近補加八-8孔進行了3次降深抽水試驗，獲得單位涌水量q在0.021584～0.030224 L/(s·m)。其他6個補勘孔因第四系底含賦水性差均無法進行抽水試驗，其中有4個鉆孔采用提桶提水方法取得了水位恢復情況的觀測數據，還有2個鉆孔提水試驗也無法進行，如表1所示。由此可見，八采區第四系底含屬于弱含水層。

表1 鮑店煤礦八采區第四系下組含水層抽(提)水資料表

結合八采區其他孔提水后的水位恢復情況分析，參考鄰近六采區南部最近兩個鉆孔的抽水試驗結果，可得到八采區內第四系底含賦水條件逐漸變弱，目前屬于弱含水層。

3 數值模擬分析

3.1 模型建立

以首采面及鄰近鉆孔揭露的頂底板煤巖層為地質背景，這里選擇基巖柱高度30 m為例進行探究，按巖性和完整性將3上煤層頂板、底板巖層可劃分為底含、底黏、細砂巖、砂質泥巖、粉細砂巖和煤層等6個工程地質巖組，其組合結構設定為10層，并以此層序結構為基礎建立如圖2所示的二維工程地質數值分析示意圖。

數值模型空間范圍沿走向長度取200 m，高度取94 m，3上煤層厚度取平均值6 m，3下煤層厚度取平均值4 m，3上煤層頂板基巖高度取最薄位置，約30 m，底黏4 m，底含10 m；3下煤層底板32 m，3上煤層和3下煤層間距8 m。其上覆巖層重力采取2.6 MPa補償壓力予以體現。模型兩側各留設40 m保護煤柱，中間開挖120 m，分6步開挖完畢。

根據數值計算模型的實際賦存條件，參考FLAC3D資料和相關研究，用于本計算模型的初始和邊界條件設定為：

(1)上部頂面邊界條件。與上覆巖層的重力有關。為了研究的方便，載荷的分布形式簡化為均布載荷，上部邊界條件為應力邊界條件，即上覆約130 m厚的松散層重力，按平均容重0.020 MN/m3估算為2.6 MPa，暫不考慮構造應力的影響。

(2)下部底面邊界條件。本模型的下部邊界條件為底板，簡化為位移邊界條件，在x、y和z方向均為固定鉸支座。

(3)左右兩側面邊界條件。本模型的兩側邊界條件均為實體巖體，簡化為位移邊界條件，x和y方向為固定鉸支座，在z方向可以運動。

根據八采區補勘取樣進行的室內巖土體物理力學性質測試報告結果分析，計算采用的各巖土層力學參數見表2。

圖2 模型初始條件和邊界條件示意圖

表2 數值模型計算參數一覽表

初始網格劃分及豎直應力分布模型如圖3所示。為提高計算精度，采用任意四邊形單元，且對開采周圍單元進行了加密，共劃分2350個單元，4896個節點。根據建立的幾何模型，結合頂底板巖層的相關物理力學參數，通過FLAC3D軟件分析開采3上煤層和3下煤層過程上覆巖土體應力的變化特征。

圖3 初始網格劃分及豎直應力分布模型圖

3.2 模擬結果與分析

為了量化評價采動應力在頂板巖土體中的傳遞特征，在開切眼、模型中間和停采線的上方分別布設了3條監測剖面線，如圖2所示。根據模型網格劃分所對應的實際3上煤層頂板巖土體層位和高度關系，結合不同開采步距下應力重分布云圖，可分別輸出每次開采后3個剖面對應網格劃分區域內的豎直應力值，然后對應模型高度計算出采動產生的次生應力與相應位置處初始應力的差值，然后和基巖高度對應分析變化關系，如圖4所示。3個剖面均明顯反映出隨著基巖高度的增加，采動次生豎直應力增量均呈減小的變化趨勢，在巖層與土層分界線附近發生明顯拐點，反映了厚松散層底部土層對采動應力的傳播具有重要的抑制作用。

3個剖面反映的采動影響程度和距離具有較大差異性。位于開切眼上方的豎直監測剖面1受采動影響最明顯，開采第一步后次生應力就發生較大變化，隨著工作面逐漸遠離該剖面，該位置上方應力逐漸集中，采動次生豎直應力逐漸增加，前5次開采產生的采動次生豎直應力隨基巖高度變化趨勢基本一致，但最后一次可能由于開采范圍大引起了兩次應力集中現象，開采完畢后達15 MPa，如圖4(a)所示；中間剖面不同基巖位置高度采動次生豎直應力分為明顯的兩個階段，剛開始開采20 m時對該剖面基本沒大影響，以工作面推進到該剖面正下方為分界，之前該剖面上主要產生次生壓應力，過了該剖面后上方巖土體中產生很大的次生拉應力，如圖4(b)所示；豎直監測剖面3位于停采線正上方，采動次生豎直應力增量的變化僅當工作面推進100 m以后才出現較明顯變化，如圖4(c)所示。可見，采動應力的傳播范圍是有限的，但由于模型的對稱性，開挖120 m后采動次生豎直應力增量在剖面1和剖面3上變化特征是完全一致的。

圖4 3上煤層開采上覆巖土體3個典型位置剖面采動應力變化特征

4 結論

(1)結合補勘資料，系統分析了研究區開采煤層上覆巖土體結構特征及其富水性，發現研究區底含和侏羅系砂巖含水層的富水性均為弱或非帶壓狀態。

(2)結合淺部地質和開采條件，以首采面為背景，進行了厚松散層薄基巖巖土體層組的劃分，建立了基巖柱高度為30 m的工程地質模型，布置了典型監測斷面。

(3)3處不同位置監測剖面均綜合反映出采動應力在上覆巖土體中的傳遞呈逐漸變小的趨勢，在巖土層分界線附近變化差異性明顯，松散層底部黏土層對采動應力的傳播起到了明顯的緩沖和抑制作用。