綜放工作面上覆巖層變形破壞時空演化特征試驗研究

許海亮，任合歡，宋義敏，賀志杰，朱晨利

(北方工業大學土木工程學院，北京 100144)

煤礦開采過程中，隨著工作面不斷推進，頂板懸露面積越來越大，上覆巖層產生彎曲變形和垮落[1-4]。采空區上覆巖層移動會在一定范圍內導致地表開裂塌陷，對安全生產和社會經濟產生危害。因此，開展工作面頂板垮落作用下上覆巖層變形時空演化規律的研究具有非常重要的現實意義。

國內外學者通過理論研究、數值模擬、相似模擬和現場研究等方法，在上覆巖層垮落特征方面做了大量研究，成旭光[5]在理論分析此類巷道上覆巖層結構模型及特征的基礎上，進一步分析了小煤柱沿空巷道上覆巖層結構的穩定性；曹勝根等[6]通過理論計算和數值模擬，分析了不同支護阻力和堅硬巖層與煤層距離下上覆巖層的運動規律，認為采用強制放頂處理此類頂板可以取得良好的應用效果；王金莊等[7]通過建立煤層開采后頂板初次垮落前后的力學模型，分析了偏態垮落的機理；于秋鴿等[8]根據關鍵層理論建立了地表偏態下沉模型；李偉等[9]基于“巖梁”理論建立力學模型，分析了井采工作面覆巖破斷機制和覆巖垮落的偏態性；關守安等[10]通過FLAC3D數值模擬軟件計算確定典型勘探線剖面，以河砂為骨料、重晶石粉為膠結劑進行大型相似材料模型試驗，對緩傾斜中厚礦體下行充填開采過程中巖層移動和地表塌陷規律展開了研究，并通過3DEC數值分析軟件對模型試驗結果進行驗證分析；付玉平等[11]根據神東礦區上灣礦1-2煤層的賦存條件，運用大比例相似模擬試驗研究了5.5 m大采高綜采工作面頂板垮落特征、頂板斷裂位置及頂板垮落帶和裂縫帶“兩帶”高度。雖然學者們的研究取得了很多有意義的成果，但多集中于縱向工作面的研究，且相似模擬實驗數據采集多為應變片對于上覆巖層位移的研究不夠精確，還需開展進一步的實驗研究工作，以便為類似工程問題提供實驗基礎。

本文以某煤礦3#煤層綜放工作面為工程背景，采用相似模擬實驗方法，以CCD相機構建實驗圖像數據采集系統，利用數字散斑相關方法計算采空區開采后上覆巖層位移場，在對其分析的基礎上，開展上覆巖層垮落位移演化時空特征及偏態特征研究。

1 實 驗

1.1 相似模型實驗模型原型及配比

本文以某煤礦3#煤層為實際工程背景。煤層厚度在10.20～11.65 m之間，平均厚度11.05 m。煤層埋深209～321 m，一般為240～270 m，底板標高變化在1 065～1 088 m之間。煤層向北西微傾，傾向320°，降深幅度平均5.2 m/km，平均傾角0.3°，在局部形成一些寬緩的波狀起伏。煤層直接頂板以泥巖、粉砂質泥巖為主，次為泥質粉砂巖、粉砂巖；底板以泥巖、粉砂質泥巖為主，泥質粉砂巖為次，個別細粒砂巖。根據其實際地質資料，選用細砂作為骨料，選用石灰和石膏作為膠結料，材料配比見表1。相似模擬實驗以相似理論為基礎，模型實驗幾何相似比100，容重相似比為1.6，應力相似比為160，時間相似比為10。

表1 相似模擬試驗材料配比表Table 1 Proportioning table of similar simulationtest materials

1.2 相似模型實驗模型及尺寸

本實驗采用二維平面模型，實驗臺尺寸為：長×寬×高1 800 mm×160 mm×1 300 mm。模擬時取實際工作面距地表的平均高度240 m來設計，模型鋪設高度為900 mm，模擬頂板巖層高度為90 m，剩余150 m的高度采用砝碼加壓來模擬上覆荷載。圖1為相似實驗模型圖，煤層厚度為100 mm，底板厚度為100 mm，右側煤柱區域尺寸為：長×寬(80 mm×35 mm)，左側煤柱區域尺寸為：長×寬(100 mm×35 mm)，巷道區域尺寸為：長×寬(40 mm×35 mm)。在模型整場每間隔50 mm采用貼紙方式布設觀測點，共布置30×14個。

圖1 相似模擬實驗模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of similar simulationexperiment model

1.3 相似模型實驗圖像采集系統

本實驗圖像采集系統通過CCD相機搭建，圖像采集頻率5 fps，圖像分辨率為1 600 pixel×1 200 pixel，物面分辨率為0.20 mm/pixel，散斑布置及采集系統如圖2所示。使用中間的相機采集整個實驗模型整場散斑點圖像，通過數字灰度場的相關識別方法計算模型表面的位移場，其基本原理是根據物體表面標記點的反射光強度在變形前后的概率統計相關性來確定物體表面的位移。

圖2 實驗圖像采集系統Fig.2 Experimental image acquisition system

1.4 相似模型實驗過程

實驗前，依據配比表依次鋪設各層材料，經過1 d 的干燥硬化后，在工作面布設散斑點，并在模型頂部均勻布置砝碼，充當上覆巖層頂部承受的均布載荷，為了防止開挖過程中砝碼掉落，本實驗在模型前面固定一塊透明塑料板。最后，將相機鏡頭調試到最佳位置及清晰度，在煤柱前側分別放置兩個打光燈，以保證相機采集到完整清晰的圖像。實驗過程中，首先進行相機、電腦對時，之后用CCD相機采集適量實驗模型初始圖像，然后進行采空區開采，采空區開采工作需在模型背面進行，開采過程中由專人記錄每步開始和結束的時間。每步開采5 cm，靜置10 min再進行下一步，直至采空區開采完成。模型放置1 d后，再進行巷道開挖，同樣在模型背面進行開挖。在整個過程中，使用CCD相機連續采集散斑圖像，直至實驗結束。實驗結束后，將實驗數據分類整理，并進行分析，分析過程中分別將每幅變形圖像與參考圖像進行對應剛體位移計算，消除剛體位移。

2 工作面頂板垮落過程中上覆巖層位移演化研究

2.1 工作面頂板垮落過程中上覆巖層裂隙演化特征分析

利用數字標識點圖像相關測量方法對實驗加載過程中采集的上覆巖層散斑點圖像進行計算，分析上覆巖層裂隙演化特征。

圖3為采空區開采結束后上覆巖層垮落模型圖。由圖3可知，模型圖中主要分為四個區域：工作面頂板垮落區域、工作面頂板未垮落區域、煤柱區域、未開采的巷道區域。三次垮落時，上覆巖層變形特征數據統計見表2。采空區開采完后，上覆巖層第一次垮落，如圖3(a)所示，“三帶”同時顯現，“三帶”發育高度為82.8 cm，左側垮落角度為65.3°，右側垮落帶呈階梯狀垮落形態，且出現巖移現象，巖移角為77.7°，垮落面積為34.7 cm2。隨著上覆巖層繼續垮落，如圖3(b)所示，垮落帶和裂隙帶繼續發育，彎曲下沉帶消失，巖層垮落產生的裂隙逐漸被填充壓實，整個上覆巖層全部斷裂，此時，裂隙帶、垮落帶發育高度為81.8 cm，左側垮落角度為79.7°，右側巖移角為72.3°，垮落面積為49.3 cm2。上覆巖層第三次垮落時，如圖3(c)所示，垮落帶裂隙繼續被填充壓實，裂隙帶和垮落帶發育高度為77.3 cm，左側垮落角度為70.4°，右側巖移角為74.7°，垮落面積為50.3 cm2。對比表明，隨著上覆巖層的連續垮落，在壓實作用下“三帶”的高度不斷減小，垮落角與上覆巖層垮落形狀有關，整個垮落過程中呈現先增大后減小的變化趨勢，豎向垮落面積逐步增大后趨于穩定。

圖3 上覆巖層垮落實驗模型圖Fig.3 Experimental model diagram of overlying rock formation collapse

表2 上覆巖層垮落變形特征Table 2 Collapse and deformation characteristics ofthe overlying strata

2.2 工作面頂板垮落過程中上覆巖層位移演化特征分析

利用數字標識點圖像相關測量方法對實驗加載過程中采集的上覆巖層散斑點圖像進行計算，分析上覆巖層位移演化特征。

圖4～圖6為采空區開采結束后，上覆巖層三次垮落與采空區開采前對比，上覆巖層垂直和水平位移曲線圖。其中，沉降量向下為正，水平位移向右為正。上覆巖層第一次垮落時(圖4)，最大沉降量為120 cm，距離地面7～37 cm范圍內兩側沉降量大于中間沉降量，距離地面42～72 cm范圍內中間沉降量大于兩側沉降量；最大水平位移為38 cm，上覆巖層左側距離地面42～72 cm范圍內向左移動、距離地面7～37 cm范圍內向右移動，右側水平位移規律與左側相反。上覆巖層第二次垮落(圖5)，其沉降規律與第一次垮落沉降規律相同，數值小幅增加，最大沉降量增加至128 cm；其水平位移數值和規律與上覆巖層第一次垮落相同，但范圍向兩側擴展。上覆巖層第三次垮落(圖6)，其沉降規律與前兩次垮落的沉降規律相同，數值明顯增加，最大沉降量增加至150 cm；其水平位移范圍和規律與上覆巖層第二次垮落相同，數值明顯增加，最大水平位移增至48 cm。

圖4 上覆巖層第一次垮落垂直位移和水平位移Fig.4 Vertical and horizontal displacements of the overlying rock formation during the first collapse

圖5 上覆巖層第二次垮落垂直位移和水平位移Fig.5 Vertical and horizontal displacements of the overlying rock formation during the second collapse

圖6 上覆巖層第三次垮落垂直位移和水平位移Fig.6 Vertical and horizontal displacements of the overlying strata in the third collapse

對比三次上覆巖層垮落發現，開采作用下，上覆巖層會發生破壞、變形和垮落。垂直方向破壞高度逐漸由低位向高位發展、下沉量不斷增加?？迓鋷С蕦捑彽腤型沉降，靠近煤柱的區域比中間區域更破碎、下沉量更大；裂隙帶和彎曲下沉帶呈V型沉降，中間區域比靠近煤柱的區域下沉量更大。距離地面170～185 m范圍內，中間區域下沉量大于更低巖層中間區域的下沉量，這是上部巖層垮落后填補下部巖層空隙所致。在水平方向上，底部巖層向兩側移動、上部巖層向中間移動，可對兩側未開挖區域及煤柱產生彎矩作用。

2.3 上覆巖層垮落及地表下沉偏態特征分析

在上覆巖層裂隙和位移演化特征分析的基礎上，建立固支梁和懸臂梁力學模型(圖7)，進一步分析上覆巖層垮落及地表下沉偏態特征。根據材料力學可知，在梁破斷的瞬間，梁達到極限平衡狀態，破斷面上的力與梁自重和梁上覆載荷數值上相等，即∑y=0,列出固支梁和懸臂梁在豎直方向的力平衡方程可得式(1)和式(2)。

qLg+γLgM=2σcM×tgθg

(1)

qLx+γLxM=σcM×tgθx

(2)

化簡可得式(3)和式(4)。

tgθg=Lg(q+γM)/(2σcM)

(3)

tgθx=Lx(q+γM)/(σ)cM)

(4)

式中：M為梁的厚度；Lg為固支梁極限跨距；Lx為懸臂梁極限跨距；q為均部載荷；γ為巖體容重；σc為破斷面正應力；θx為懸臂梁破斷角；θg為固支梁破斷角。

李偉等[9]認為，開切眼側巖層的破斷可以簡化為固支梁的破斷，工作面前方煤壁側巖層的破斷可以簡化為懸臂梁的破斷。根據材料力學，以極限抗拉強度(RT)作為計算梁斷裂時的極限跨距判據，則固支梁和懸臂梁的極限跨距見式(5)和式(6)。

(5)

(6)

故Lg/Lx≈1.22<2，聯立式(1)和式(2)可得：tgθgψ2,即開切眼側垮落角大于開采側垮落角。

圖8為上覆巖層垮落結束時實驗模型圖。由圖8可知，工作面頂板垮落結束后，上覆巖層開切眼側垮落角為75.1°，開采側垮落角為65.2°，可以明顯觀察到開切眼側垮落角大于開采側垮落角，和上述理論分析結果一致。值得注意的是，在開采側出現了巖移現象。與開切眼側相比，開采側地表影響范圍更大。

圖7 梁破斷的力學模型Fig.7 Mechanical model of beam fracture

圖8 上覆巖層垮落結束時實驗模型圖Fig.8 Experimental model diagram at the end ofthe overburden collapse

圖9為上覆巖層垮落結束時垂直位移圖。由圖9可知，開切眼側的下沉曲線較陡、工作面側下沉曲線較緩，這是由于采空區上覆巖層的懸空部分偏向于開切眼側(圖7)，懸空部分的彎曲相對充分，因而在開切眼側的彎曲下沉較大，出現了較陡的下沉曲線；而在開采側，懸臂的支撐作用相減緩了上覆巖層的彎曲下沉，因而在開采側出現了較緩的下沉曲線。

圖9 上覆巖層垮落結束時垂直位移圖Fig.9 Vertical displacement diagram at the end ofthe overburden collapse

3 工作面頂板垮落地表實際影響范圍分析

工作面頂板垮落造成的采空區上覆巖層移動會在一定范圍內導致地表開裂塌陷。根據相似模擬試驗結果和試驗相似比，推導實際工況下上覆巖層變形垮落對地表的影響范圍。

圖10 頂板垮落地表影響范圍計算模型Fig.10 Calculation model of influence range ofroof collapse table

根據試驗結果可得，上覆巖層垮落角為70.4°，巖移角為74.7°，采空區埋深210 m，采空區長度為120 m。根據計算模型(圖5)，計算垮落角包含區域內地表塌陷范圍為114.4 m(與上覆巖層位移演化特征分析基本相同)，實際地表影響范圍為174.7 m，為煤礦開采對上覆巖層影響范圍和程度以及后續采空區治理等問題評估提供了必要依據。

4 結 論

1) 工作面頂板垮落過程中上覆巖層垮落角角度隨垮落區域形狀不斷變化，垮落高度逐漸減小直至平穩，垮落面積逐漸增大直至平穩。

2) 上覆巖層垮落過程中，在豎直方向上，上覆巖層垮落帶呈寬緩的W型沉降、裂隙帶和彎曲下沉帶呈V型沉降；在水平方向上，下部上覆巖層向兩側移動、上部巖層向中間移動，會造成各巖層間發生摩擦滑動，并對兩側未開挖區域及煤柱產生彎矩作用。

3) 工作面頂板跨落后形成偏態，開切眼側垮落角大于開采側垮落角，并在開采側形成巖移角，開切眼側的下沉曲線較陡、工作面側下沉曲線較緩。

4) 根據實際工程背景，工作面頂板垮落造成采空區上覆巖層移動，導致的垮落角包含區域內地表塌陷為114.4 m，實際地表影響范圍為174.7 m，為煤礦開采對上覆巖層影響范圍和程度以及后續采空區治理等問題評估提供了必要依據。