綜放開采覆巖“兩帶”高度影響因素及預(yù)測模型研究*

劉卓然，趙高博

(1.天地科技股份有限公司，北京 100020；2.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；3.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 125105)

0 引言

煤礦綜放開采可誘發(fā)劇烈的巖層移動和嚴重的地表沉陷，且控制與修復(fù)技術(shù)難度大、成本高，是制約我國煤炭綠色高效開采的關(guān)鍵性技術(shù)難題[1]。研究綜放開采覆巖“兩帶”高度(垮落帶與裂縫帶，也稱“導(dǎo)水裂縫帶高度”)影響因素及預(yù)測模型可為解決該技術(shù)難題提供巖層移動部分的理論基礎(chǔ)。

國內(nèi)外學(xué)者針對采動覆巖“兩帶”高度進行大量的研究：宋振騏[2]和錢鳴高等[3]分別提出的“砌體梁”結(jié)構(gòu)模型與“傳遞巖梁”結(jié)構(gòu)模型，為采動覆巖“兩帶”高度的研究做出突出貢獻；許家林等[4-5]結(jié)合工程探測的方法，提出1種基于關(guān)鍵層位置預(yù)計覆巖破壞高度的方法；許延春等[6]通過收集不同覆巖巖性條件下的綜放開采工作面覆巖破壞高度實測數(shù)據(jù)，回歸得到覆巖破壞高度與開采厚度之間的經(jīng)驗公式；胡小娟等[7]定性分析覆巖破壞高度的主要影響因素，并得出計算覆巖破壞高度的公式；Zhang等[8-9]以巖層完成性指數(shù)、巖層強度與采動影響指數(shù)作為影響因素，提出對應(yīng)的覆巖破壞高度計算公式；郭文兵等[10-11]提出覆巖破壞充分采動程度的概念及定義，對覆巖“兩帶”高度計算方法的研究具有重要理論意義。

上述研究針對采動覆巖“兩帶”高度計算方法進行較為詳細的研究，然而適用于綜放開采“兩帶”高度的預(yù)測模型鮮有提及。因此，本文在分析影響綜放開采覆巖“兩帶”高度因素的理論基礎(chǔ)上，提出綜放開采“兩帶”高度預(yù)測模型，并通過工程實例進行合理性驗證，以期進一步完善綜放開采巖層移動部分的理論基礎(chǔ)。

1 綜放開采“兩帶”高度影響因素

地下煤炭綜放開采覆巖“兩帶”發(fā)育高度及其形態(tài)的影響因素較多，分析綜放開采“兩帶”高度的影響因素，可為進一步研究綜放開采“兩帶”高度預(yù)測模型奠定理論基礎(chǔ)。

1.1 采礦地質(zhì)因素

1.1.1 覆巖巖性及其組合結(jié)構(gòu)

綜放開采覆巖破壞與覆巖巖性密切相關(guān)，且在相同的采煤條件下，覆巖巖性是決定覆巖破壞的主要因素。在水體下采煤時，可根據(jù)普氏系數(shù)(或稱巖石的堅固性系數(shù)，記作f，無量綱)將覆巖巖性分為以下3類：1)堅硬型(f=4～8)；2)中硬型(f=2～4)；3)軟弱型(f=1～2)[12]。另外，在《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》(以下簡稱《規(guī)范》)中，也可以根據(jù)覆巖綜合評價系數(shù)P(其值取決于各層覆巖的巖性及其厚度)判定煤礦的覆巖巖性[13]，如式(1)所示：

(1)

式中：mi為覆巖i分層的法線厚度，m；Qi為覆巖i分層巖性評價系數(shù)。

文獻[14]研究表明，當上覆巖層屬于堅硬巖層時，在采動影響下，導(dǎo)水裂縫帶高度大。相反，當上覆巖層屬于軟弱巖層時，導(dǎo)水裂縫帶高度小。

除上述分析的覆巖巖性因素外，覆巖組合結(jié)構(gòu)對綜放開采覆巖破壞的影響顯著。為便于直觀分析覆巖組合結(jié)構(gòu)對覆巖破壞特征的影響，假設(shè)工作面的傾向長度為L，m;煤層及其上覆每一層巖層的厚度為h，m；軟弱巖層與堅硬巖層滑落失穩(wěn)垮落后的碎脹系數(shù)分別為er和ej。假設(shè)煤層頂板的第1層與第2層巖層為煤層的直接頂，第3層與第4層巖層為煤層的基本頂。基于上述假設(shè)，分別討論4種覆巖組合結(jié)構(gòu)對綜放開采覆巖破壞的影響，如圖1所示。其中，h為每層巖層的厚度，m；Ls為懸伸距離，m；Δrr為軟弱-軟弱型離層高度，m；Δjj為堅硬-堅硬型離層高度，m。

由圖1可知：

1)軟弱—軟弱型。從直接頂?shù)交卷斎繉儆谲浫鯉r層(如砂質(zhì)頁巖或頁巖)，隨著綜放開采工作面的快速回采，直接頂立刻垮落充填整個采空區(qū)，軟弱基本頂受到垮落的直接頂巖石的支撐，會保持相對平衡。另外，由于上述假設(shè)軟弱巖層的碎脹系數(shù)為er，則第1層軟弱巖層垮落后，“兩帶”高度可表示為h(1+er)。

就軟弱直接頂與軟弱基本頂?shù)囊暯嵌?局部軟弱覆巖視角)，由于軟弱巖層的碎脹系數(shù)較小，自直接頂至基本頂失穩(wěn)垮落至采空區(qū)的巖塊體積之和較小，因此，失穩(wěn)巖塊的頂部與上層未失穩(wěn)巖層之間的離層高度(Δrr)較大；就整體軟弱覆巖而言(整體軟弱覆巖視角)，上覆整體巖層穩(wěn)定性差，在軟弱巖層垮落的發(fā)生、發(fā)展過程中，軟弱覆巖的下沉量較大，工作面回采空間和垮落巖層自身的空間由于上覆軟弱覆巖的連續(xù)下沉而不斷縮小，因此，軟弱覆巖的垮落過程得不到充分的發(fā)展，此類型覆巖組合結(jié)構(gòu)的“兩帶”高度最小。

2)堅硬—堅硬型。從直接頂?shù)交卷斎繉儆趫杂矌r層(如中粒砂巖或細粒砂巖)，隨著綜放開采工作面的快速回采，頂板開始具有一定的承載能力，隨后因達到其極限跨距而失穩(wěn)破斷，在其垮落以前，頂板在采空區(qū)上方會懸露較大的面積。當其垮落后，會伴隨著強烈的礦壓顯現(xiàn)。另外，由于上述假設(shè)堅硬巖層的碎脹系數(shù)為ej，則第1層堅硬巖層垮落后，“兩帶”高度可表示為h(1+ej)。

就堅硬直接頂與堅硬基本頂?shù)囊暯嵌?局部堅硬覆巖視角)，由于堅硬巖層的碎脹系數(shù)較大，自直接頂至基本頂失穩(wěn)垮落至采空區(qū)的巖塊體積之和較大，失穩(wěn)巖塊的頂部與上層未失穩(wěn)巖層之間的離層高度(Δjj)較小；就整體堅硬覆巖而言(整體堅硬覆巖視角)，上覆整體巖層穩(wěn)定性好，在堅硬巖層垮落的發(fā)生、發(fā)展過程中，垮落后的堅硬覆巖都將懸伸一定的距離，如圖1(b)的LS，且彎曲下沉量較小。另外，堅硬覆巖失穩(wěn)破裂后不易閉合與恢復(fù)其原有的隔水能力，因此這個類型覆巖組合結(jié)構(gòu)的“兩帶”高度最大。

圖1 4種覆巖組合結(jié)構(gòu)對直接頂、基本頂破壞影響示意

3)軟弱—堅硬型。直接頂屬于軟弱巖層(如砂質(zhì)頁巖或頁巖)，基本頂屬于堅硬巖層(如中粒砂巖或細粒砂巖)，力學(xué)結(jié)構(gòu)為下軟上硬。軟弱直接頂板隨采隨垮，且軟弱直接頂失穩(wěn)垮落的巖塊不能將采空區(qū)全部充滿，在采空區(qū)冒落巖塊與堅硬基本頂之間留下1個較大的空隙。在這種缺乏支撐的情況下，堅硬基本頂?shù)倪\動活躍，此類型的覆巖組合結(jié)構(gòu)將會形成典型的周期來壓。堅硬基本頂?shù)膭偠却笥谲浫踔苯禹數(shù)膭偠龋幱谏蠈拥膱杂不卷斴^處于下層的軟弱直接頂會發(fā)生超前破斷，因此堅硬基本頂上方的覆巖破壞朝著遠離采空區(qū)的方向發(fā)育。

4)堅硬—軟弱型。直接頂屬于堅硬巖層(如中粒砂巖或細粒砂巖)，基本頂屬于軟弱巖層(如砂質(zhì)頁巖或頁巖)，力學(xué)結(jié)構(gòu)為下硬上軟。堅硬頂板巖層直接與煤層接觸，當工作面推進一段距離后其才能斷裂，軟弱基本頂隨著堅硬直接頂?shù)钠茢喽Х€(wěn)垮落，以載荷的形式施加在堅硬直接頂上。堅硬直接頂具有一定的承載能力，使得其上層的軟弱基本頂保持穩(wěn)定狀態(tài)，因此堅硬直接頂上方的覆巖破壞朝著采空區(qū)正上方的方向發(fā)育。

文獻[15]研究表明，一般情況下，不同覆巖組合結(jié)構(gòu)條件下“兩帶”高度的優(yōu)先次序分別為堅硬—堅硬、軟弱—堅硬型、堅硬—軟弱型、軟弱—軟弱型。上述的覆巖組合結(jié)構(gòu)分類是基于巖層的強度和剛度，不同于某個單獨巖石試驗的剛度和強度。因此，在現(xiàn)場實際分析時，應(yīng)考慮巖層的強度和厚度(或者層間距)。

1.1.2 煤層的賦存狀態(tài)

煤層的賦存狀態(tài)對綜放開采覆巖破壞的發(fā)育高度及發(fā)育形態(tài)影響顯著。在進行綜放開采時，煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，且主要以近水平煤層或緩傾斜煤層為主等[16]。因此本文僅討論煤層傾角與煤層埋藏深度對綜放開采“兩帶”高度及形態(tài)的影響。《規(guī)范》將煤層傾角分為以下3類：緩傾斜煤層(α=0～35°，其中，α為煤層傾角，(°))、傾斜煤層(α=36～54°)和急傾斜煤層(α=55～90°)。3種傾斜煤層對覆巖破壞的影響如圖2所示。

圖2 3種傾斜煤層對覆巖破壞的影響

由圖2可知，煤層傾角對“兩帶”高度的影響也表現(xiàn)在其破壞形態(tài)上的不同。當開采緩傾斜煤層時(α=0～35°)，采動垮落的巖塊就地堆積且壓實，采空區(qū)范圍內(nèi)“兩帶”高度基本一致，最終呈現(xiàn)出中間低兩端高的馬鞍形；當開采傾斜煤層時(α=36～54°)，在工作面傾向上，采動垮落的巖塊向采空區(qū)的下部滑動，處于下部的上覆巖層將受到一定的支撐作用，使得采空區(qū)上部“兩帶”高度大于采空區(qū)下部的“兩帶”高度；覆巖破壞形態(tài)將由馬鞍形變化為近似拋物線形；當開采急傾斜煤層時(α=55～90°)，在工作面傾向上，垮落巖塊基本上能完全充滿采空區(qū)下部自由空間，采空區(qū)上部的覆巖破壞的發(fā)育將非常充分，覆巖破壞形態(tài)由類似拋物線形變化為拋物線形。

另外，煤層埋藏深度對覆巖破壞的影響主要體現(xiàn)為覆巖破壞的劇烈程度。當煤層開采深度為25～2 700 m時，煤層受到的豎直應(yīng)力基本上等于其上覆巖層的重力，因此，隨著開采深度的增加，豎直應(yīng)力增加，覆巖破壞越劇烈。

1.2 頂板控制方法

頂板控制方法是綜放開采“兩帶”高度及分布形態(tài)的重要影響因素，其影響主要表現(xiàn)在覆巖巖體垮落方式、覆巖斷裂的充分程度以及垮落巖塊的運動方式等。頂板管理方法決定綜放開采覆巖破壞發(fā)育形態(tài)和最大高度。常見的頂板管理方法有全部垮落、全部充填、部分充填和煤柱支撐4種類型。采用全部垮落法管理頂板時，覆巖破壞最嚴重，覆巖“兩帶”高度最高；而采用全部充填法管理頂板時，由于垮落空間有限，覆巖“兩帶”高度最小，但從經(jīng)濟角度考慮較為不利。

1.3 采煤工作面三維尺寸設(shè)計參數(shù)

采煤工作面三維尺寸設(shè)計參數(shù)是引起覆巖破壞的根本因素。就煤礦現(xiàn)場開采而言，綜放開采覆巖破壞屬于1種三維空間的巖體破壞形式，如圖3所示。

圖3 綜放開采三維覆巖破壞區(qū)域示意

由圖3可知，綜放開采工作面覆巖破壞區(qū)域?qū)儆谌S空間，因此，不能單方面的考慮工作面走向或工作面傾向上開采厚度對覆巖破壞的影響，而是應(yīng)綜合考慮開采厚度、工作面走向長度與工作面傾向長度對綜放開采覆巖破壞的影響。

1.3.1 開采厚度

開采厚度是影響綜放開采覆巖破壞最大高度的主要因素，綜放開采的煤層厚度越大，引起的采空區(qū)上方的覆巖運移自由空間越大，覆巖運移破壞越劇烈，從而引起的覆巖破壞最大高度也越大。《規(guī)范》中給出覆巖巖性為堅硬、中硬及軟弱條件下的綜放開采計算導(dǎo)水裂縫帶高度的經(jīng)驗公式，反映 “兩帶”高度與開采厚度之間的正相關(guān)關(guān)系。

1.3.2 工作面走向長度與傾向長度

文獻[17]研究表明，“兩帶”高度受工作面走向長度和傾向長度中較小者影響顯著。對于綜放開采工作面來說，工作面的走向長度遠大于工作面傾向長度，此類工作面在走向上一般都能達到覆巖破壞最大高度要求的長度。但在工作面傾向長度上，往往難以達到覆巖破壞最大高度要求的長度。當工作面的走向長度與工作面的傾向長度均滿足覆巖破壞最大高度要求的長度時，“兩帶”高度達到該地質(zhì)條件下的最大值，此后，“兩帶”高度不再隨工作面尺寸的增加而增加。

1.4 時間因素

1.4.1 工作面推進速度

綜放開采礦井的推進速度較快，一般大于5 m/d。工作面的推進速度將影響老頂覆巖破壞穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的形成。工作面推進速度較快時，短時間內(nèi)直接頂將保持穩(wěn)定狀態(tài)且下沉變形量較小，從而使老頂失穩(wěn)后回轉(zhuǎn)角度較小；相反，工作面推進速度較慢時，老頂失穩(wěn)后回轉(zhuǎn)角度較大。因此，基本頂將更易形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，會在一定程度上抑制“兩帶”高度的發(fā)育。

此外，綜放開采的工作面推進速度快將導(dǎo)致采空區(qū)上覆巖層不能在短時間內(nèi)充分卸壓，覆巖巖層受到的破壞程度較小，從而保持相對完整的狀態(tài)。反之，工作面推進速度慢時，上覆巖層受采動影響的破壞范圍將增大。

為進一步說明工作面推進速度與“兩帶”高度的關(guān)系，借助綜放開采工作面開采厚度與推進速度的關(guān)系進行分析，文獻[18]指出：當工作面推進速度較快時，開采厚度一般較小，從而引起的“兩帶”高度較小；相反，當工作面推進速度較慢時，開采厚度一般較大，引起的“兩帶”高度較大。因此，綜放開采工作面快速的推進速度對覆巖破壞發(fā)育可以起到一定的抑制作用。

1.4.2 覆巖破壞殘余變形

時間的長短決定覆巖破壞后的重新壓密程度。當覆巖破壞發(fā)育到最大高度后，失穩(wěn)垮落后的巖塊在上覆巖層的重力作用下將被重新壓實，失穩(wěn)巖塊間的裂隙與失穩(wěn)巖層間的離層裂縫趨于閉合，進而導(dǎo)致“兩帶”高度隨時間的增長而減小，其減小的幅度與覆巖巖性、組合結(jié)構(gòu)、覆巖破壞殘余變形、物理力學(xué)特性及工作面的位置有密切聯(lián)系。

根據(jù)上述分析，頂板控制方法大多為全部垮落法。除頂板控制方法因素外，可對綜放開采覆巖“兩帶”高度其他影響因素的可控性與相關(guān)性進行匯總分析，見表1。

表1 綜放開采覆巖“兩帶”高度影響因素匯總

由表1可知，綜放開采覆巖“兩帶”高度可控影響因素包括開采厚度、工作面走向長度與傾向長度、工作面推進速度；不可控因素包括覆巖巖性、覆巖組合結(jié)構(gòu)、煤層傾角、開采深度與覆巖破壞殘余變形。另外，綜放開采“兩帶”高度與覆巖巖性、采高、工作面三維尺寸成正相關(guān)關(guān)系，與工作面推進速度、覆巖破壞殘余變形成負相關(guān)關(guān)系；煤層傾角控制“兩帶”發(fā)育形態(tài)；開采深度控制覆巖破壞劇烈程度。

2 綜放開采“兩帶”高度預(yù)測模型

2.1 綜放開采“兩帶”實測高度樣本集

在分析綜放開采“兩帶”高度影響因素的基礎(chǔ)上，構(gòu)建“兩帶”高度回歸預(yù)測模型分析多因素對“兩帶”高度的影響，并通過調(diào)研和收集綜放開采“兩帶”實測高度數(shù)據(jù)，建立相對應(yīng)“兩帶高度”預(yù)測樣本集，見表2。樣本集共包括17個綜放開采工作面，所有工作面走向長度均遠大于其傾向長度，因此此類綜放開采工作面的走向長度對“兩帶”高度的影響可忽略不計。

表2 綜放開采工作面“兩帶”高度實測值及相關(guān)影響因素數(shù)據(jù)

2.2 “兩帶”高度多元線性預(yù)測回歸模型

通過Origin軟件分析綜放開采覆巖“兩帶”高度與開采厚度、工作面傾向長度、覆巖結(jié)構(gòu)、開采深度之間的關(guān)系。

文獻[16]研究表明，覆巖結(jié)構(gòu)可以設(shè)為空性變量，按照其導(dǎo)致的“兩帶”高度由小到大的順序，軟弱-軟弱型、堅硬-軟弱型、軟弱-堅硬型、堅硬-堅硬型分別賦值為0.2，0.4，0.6，0.8。

表2(續(xù))

通過統(tǒng)計軟件Origin多元線性回歸，求得各影響因素的回歸系數(shù)，得出綜放開采“兩帶”高度與影響因素的回歸預(yù)測公式，如式(1)～(2)所示：

H=11.305M+29.131S+0.013D-0.207L+8.921

(1)

R2=0.974

(2)

式中：H為綜放開采覆巖“兩帶”高度，m；M為開采厚度，m；L為工作面傾向長度，m；S為覆巖結(jié)構(gòu)的幅值；D為開采深度，m；R2為相關(guān)系數(shù)，R2接近1說明預(yù)測回歸公式的擬合性越高。

該預(yù)測模型的適用范圍為采高3～15.3 m的綜放開采工作面。根據(jù)式(1)～(2)對表2中的17個綜放開采工作面進行預(yù)測，并與原實測值進行對比，如圖4所示。

圖4 綜放開采“兩帶”高度預(yù)測值與實測值對比

由圖4可知，上述分析得到的綜放開采“兩帶”高度和影響因素的回歸預(yù)測公式預(yù)測結(jié)果與實測值接近。

3 工程實例應(yīng)用驗證

為進一步檢驗式(1)的預(yù)測效果，應(yīng)用該公式預(yù)測蘆溝礦32101綜放開采工作面與盛泰煤業(yè)15201綜放開采工作面的“兩帶”高度，并與實測結(jié)果進行對比，結(jié)果見表3。

表3 綜放開采工作面“兩帶”高度回歸公式應(yīng)用驗證

根據(jù)式(1)計算蘆溝礦32101工作面與盛泰煤業(yè)15201工作面的“兩帶”高度分別為103.4，44.4 m，預(yù)測值均在實測值范圍之內(nèi)，說明得到的綜放開采“兩帶”高度多元線性預(yù)測回歸公式預(yù)測效果較好。

另外，文獻[1]采用地面鉆孔觀測法對蘆溝煤礦32101綜放開采工作面進行“兩帶”高度現(xiàn)場實測，結(jié)果表示，當?shù)孛驺@孔深度大于278.7 m時，沖洗液漏失量開始逐漸增大，說明該層位的覆巖處于裂縫帶頂部，工作面埋深為387 m，得到實測“兩帶”高度為108.3 m。數(shù)值模擬結(jié)果、現(xiàn)場實測結(jié)果均與上述預(yù)測模型計算結(jié)果(103.4 m)相近，進一步驗證提出的綜放開采覆巖“兩帶”高度預(yù)測模型的合理性。

4 結(jié)論

1)采用理論分析與經(jīng)驗公式方法將綜放開采覆巖“兩帶”高度的影響因素劃分為采礦地質(zhì)因素、頂板控制方法、采煤工作面三維尺寸設(shè)計參數(shù)、時間因素4類。

2)綜放開采“兩帶”高度與覆巖巖性、采高、工作面三維尺寸成正相關(guān)關(guān)系，與推進速度、覆巖破壞殘余變形成負相關(guān)關(guān)系；煤層傾角控制“兩帶”發(fā)育形態(tài)；開采深度控制覆巖破壞劇烈程度。

3)建立綜放開采“兩帶”高度預(yù)測模型，并進行工程實例應(yīng)用驗證，蘆溝礦與盛泰礦2個工作面的“兩帶”高度預(yù)測值均在實測值范圍之內(nèi)，說明得出的回歸公式預(yù)測效果較好，驗證綜放開采“兩帶”高度預(yù)測模型的合理性。