厚松散含水層失水沉降相似模擬實驗研究

陳芳， 張勁滿， 徐良驥， 李杰衛， 徐瑞瑞， 張坤

(1.東莞職業技術學院 建筑學院， 廣東 東莞 523808； 2.中國礦業大學(北京) 地球科學與測繪工程學院， 北京 100083； 3.安徽理工大學 空間信息與測繪工程學院， 安徽 淮南 232001； 4.安徽理工大學 深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室， 安徽 淮南 232001； 5.浙江省地質勘查局 浙江省地礦建設有限公司， 浙江 杭州 310052； 6.安徽省煤田地質局， 安徽 合肥 230088)

0 引言

我國厚松散層礦區分布在東北、華中及華東地區[1-2]，且華東“兩淮”礦區的厚松散層分布有豐富的含水層[3]，厚松散含水層地質條件下煤層開采引起的地表沉陷表現為下沉系數偏大、土體受損區域范圍廣，研究厚松散含水層地質條件下覆巖破斷及變形規律具有重要意義[4-5]。

一些學者對厚松散層下開采進行了研究。文獻[6-7]通過實測數據研究發現采動后地表含水層失水固結，造成附加采動下沉，導致下沉系數偏大。文獻[8-9]研究了含水層失水固結沉降機理，對含水層失水引起的地表下沉進行預計，可提高沉陷預計精度。文獻[10]通過FLAC3D流-固耦合計算，得出含水層失水固結條件下最大下沉值較不失水時增加7%。文獻[11]針對華東礦區厚松散層失水固結沉降引起的井壁破壞問題，研究了不同水位條件下地表失水固結沉降特征。文獻[12]采用現場實測和相似材料模擬實驗等手段，針對淮南礦區下沉值偏大現象進行了探究。文獻[13]采用理論分析、現場實測及數值模擬等綜合手段，探究厚松散層薄基巖綜放開采條件下覆巖破斷機理及該地層狀態下的采動裂隙演化規律。文獻[14]指出含水層失水沉降是導致下沉系數偏大的原因，以概率積分法推導出黏土體失水沉降的計算公式。文獻[15]指出覆巖損傷是含水層失水的關鍵，通過數值模擬對采礦引起的覆巖損傷和失水過程進行了研究。文獻[16]利用設計的相似材料實驗裝置對煤礦開采引起的厚松散層條件下承壓含水層的失水規律和地表沉降規律進行了探究。文獻[17]將基巖和松散層作為2種不同的介質，探究厚松散層礦區巖土體協同作用機理。上述研究對厚松散含水層地質采礦條件下覆巖破斷及變形規律未作深入研究。針對上述問題，本文以淮南礦業(集團)有限責任公司潘四東煤礦11111工作面為工程背景，研究了厚松散層條件下含水層失水時覆巖破斷及變形規律。根據研究區地層結構構建相似材料模型，采用數字攝影測量提取位移法記錄覆巖觀測線觀測點的破斷過程及移動變形情況，在W型及O型剪切應力拱的基礎上，根據有效應力揭示厚松散含水層下開采地表下沉值偏大的內在機理，為類似地質采礦條件下安全生產提供理論依據。

1 工程概況

潘四東煤礦11111工作面傾向長度為145 m，實際回采走向長度為411 m，松散層厚度為336 m，屬于典型的厚松散層。11111工作面上覆新生界下部含水層的成分是砂土和黏土的混合沉積物，富水性弱。頂部為粉砂巖、細砂巖、砂泥巖互層、黏土層，中部以砂巖為主，夾粉砂巖及泥巖，上部以泥巖、砂質泥巖為主。采煤方法為綜采放頂煤一次全采高，頂板管理方式為全部垮落法。研究區地層結構見表1。

表1 研究區地層結構Table 1 Stratigraphic structure in the study area

2 實驗設計

2.1 實驗模型構建

以潘四東煤礦11111工作面開采情況為模擬對象，選取研究區走向一剖面為原型進行相似材料模擬實驗，根據模擬實驗原理及實際情況選擇1∶100作為幾何相似系數，建立相似材料模擬實驗模型，如圖1所示。11111工作面上覆巖層布設1、2號2條觀測線，含水層上方布設3、4號2條觀測線，每條觀測線上布設23個觀測點，共計92個觀測點，模型開挖采用2 h模擬實際1 d。

(a) 實驗方案

(b) 實驗模型

模型觀測線具體設置如圖2所示。開切眼和終采線均距邊界55 cm，回采長度為190 cm，每2 h開采1次，每次推進10 cm，每次推進完成后記錄覆巖變化和移動變形情況。

圖2 相似材料模型觀測線設置Fig.2 Setting of observation lines for similar material models

2.2 覆巖運動觀測

在相似材料模型正前方2～5 m處安放工業相機三腳架，通過移動和伸縮三腳架調整工業相機的最佳位置，調整光圈、距離和燈光等直至工業相機記錄的覆巖破斷及移動變形效果最佳，然后固定三腳架，具體方法為在工業相機下方的懸掛鉤裝置上配置一定質量的物體，以保持實驗過程中三腳架的穩定性(圖3)。

圖3 工業相機固定Fig.3 Industrial camera fixing

數字攝影測量提取位移法可快速記錄覆巖觀測線觀測點的破斷過程及移動變形，如圖4所示。將工業相機獲取的圖像導入GetData數字化軟件中，通過模型架上的4個控制點對圖像進行校正，建立統一的坐標系統，獲取每一幅圖像中監測點的坐標。

圖4 數字攝影測量提取位移法Fig.4 Digital photogrammetry extraction displacement method

按照開挖時間記錄覆巖變化，在實驗模型開挖過程中獲取了大量的覆巖破斷及移動變形圖像，并用數字化儀軟件對獲取的圖像進行處理。首先將像平面坐標與物平面坐標進行轉換，然后進行數碼相機鏡頭畸變校正，最后根據坐標轉換參數和畸變轉換參數來計算觀測點的下沉值。

3 實驗及結果分析

3.1 含水層失水沉降理論分析

隨著工作面推進，煤層直接頂開始逐漸垮落，覆巖中主關鍵層失穩導致上覆巖層分層出現破斷。

沿著垮落帶兩側底部作切線延伸至含水層，由相似材料模擬實驗結果可知垮落角分別為57°和62°。根據覆巖變化過程可知覆巖兩端并未發生破斷，而在開切眼到采空區中部再到終采線的這部分空間中呈現拉伸-擠壓-拉伸的受力狀態，對應的剪應力變化為減小→增加→減小→增加，將該剪切應力變化稱為W型剪切應力拱。在W型剪切應力拱作用下形成2條縱向的發育至含水層的主導水裂隙帶。導水裂隙帶的進一步發育引起含水層失水固結，在厚松散層重力作用下進一步壓實，增加地表沉降的程度。含水層失水固結及斷裂帶移動擠壓導致含水層與覆巖之間形成一個薄層空間。隨著覆巖破斷運動的加劇，在彎曲帶和覆巖共同擠壓下形成O型剪切應力拱，壓縮薄層空間，導致地表下沉量增大。覆巖運動及地表沉降過程如圖5所示。

(a) W型剪切應力供

(b) O型剪切應力供

工作面開采產生的導水裂隙帶發育至含水層時，打破了原有的孔隙水壓力平衡狀態，加劇了含水層間的流體在水力梯度作用下向采空區的垂向流動，在上覆巖層自重作用下，含水層孔隙體積減小，土體產生固結壓縮。含水層失水沉降前覆巖的自重由孔隙水應力和土體顆粒有效應力2部分承受；失水后，含水層中孔隙水承擔應力減小，土體顆粒承擔應力增大，而工作面開采會打破原巖應力的平衡狀態，致使覆巖與含水層產生水力聯系，覆巖承擔應力增大。在厚松散層地質采礦條件下，松散層厚度及采動程度是含水層失水固結的主要影響因素，松散層厚度影響含水層的水壓力，采動程度影響導水裂隙帶的發育高度，在孔隙水壓力減小且導水裂隙帶高度增加作用下，土體顆粒承受的有效應力增大。

工作面開采引起覆巖應力平衡狀態破壞，厚松散含水層富含孔隙水，具有成巖晚、孔隙度大、泥質弱膠結、強度低等特點。地下開采使得工作面上方覆巖產生斷裂破壞及移動變形，當導水裂隙帶發育至厚松散含水層時，含水層中的水就會沿采動裂隙流向采空區，造成巖土體中水位下降。在含水層所受總應力不變的情況下，孔隙水壓力降低，導致含水層巖土體顆粒上的有效應力增加。

σ=σ′+(1-β)μ

(1)

式中：σ為總應力；σ′為有效應力；β為孔隙水壓力；μ為巖石壓縮系數比。

在失水后，含水層固結壓密含水層土體顆粒有效應力增大的情況下，含水層巖土體會產生附加下沉量，致使該條件下采礦活動引起的下沉量增大。

(2)

式中：εz為巖土體失水下沉量；αv為巖土體壓密系數；Δσ為應力增量；e0為巖土體初始孔隙比。

3.2 失水狀態下覆巖損傷分析

在模型達到穩態后，進行11111工作面的開采工作。在實驗模型開采工作面的推進過程中，覆巖應力狀態處于動態變化之中，11111工作面覆巖演化如圖6所示。當工作面推進至距開切眼50 m位置時，頂板初次來壓顯現，開切眼處的上覆巖層發生破斷并垮落至采空區，垮落帶上方覆巖出現厚度為2 m的離層裂隙帶，垮落帶高度為24 m，垮落角為65°；當工作面推進至距開切眼90 m位置時，含水層失水固結及斷裂帶移動擠壓導致含水層和覆巖之間形成一個薄層空間，較厚的松散層增加了含水層的孔隙水壓力，導水裂隙帶的進一步發育導致基巖上方含水層失水固結，在厚松散層的自重及附加應力作用下進一步壓實薄層空間，增加了地表沉降程度；當工作面推進至距開切眼165 m位置時，在終采線外側10.5 m含水層上方13 m處覆巖發生破斷，覆巖產生長20 m的縱向離層裂隙，在距開切眼186 m位置處覆巖發生破斷，該破斷延伸至含水層下部；在實驗模型工作面開采工作完成且覆巖達到穩態后，前垮落角為57°，后垮落角為62°，導水裂隙帶高度為63 m，開切眼及終采線上方覆巖在應力集中作用下發生破斷，產生縱向裂隙，開切眼及終采線上方垮落帶區域內覆巖產生橫向離層裂隙，縱向裂隙和橫向離層裂隙加劇了覆巖與含水層間的水力聯系。

(a) 工作面推進至距開切眼50 m

(b) 工作面推進至距開切眼90 m

(c) 工作面推進至距開切眼165 m

(d) 開采工作完成

3.3 失水狀態下覆巖動態運動規律分析

觀測實驗模型工作面開采過程中觀測點的移動變形量，并繪制成圖，得到含水層失水狀態下各觀測線下沉量變化，如圖7所示。

(a) 1號觀測線動態沉降曲線

(b) 2號觀測線動態沉降曲線

(c) 3號觀測線動態沉降曲線

(d) 4號觀測線動態沉降曲線

由圖7可知，不同觀測線觀測點的下沉量中，隨著開采工作面的推進，各觀測線覆巖下沉量逐漸增大，接近工作面的1號觀測線覆巖下沉量最大，最大值為6 640 mm，大于工作面開采厚度6 630 mm，原因是：原采空區受采動作用致使原先未完全垮落的巖層在其自重的影響下進一步破斷壓實；覆巖離層裂隙帶發育至含水層，致使含水層失水固結及壓實，且含水層中下滲的水量致使下部巖層的抗壓強度減小，增加了巖層破斷彎曲概率。1號及2號觀測線在開切眼和終采線附近，其下沉量曲線走勢基本類似，3號和4號觀測線下沉量曲線走勢基本吻合。工作面上方的1號及2號觀測線下沉量曲線跳變一致，含水層上方的3號及4號觀測線下沉量跳變同步，2號與3號觀測線下沉量跳變異步，表明含水層對覆巖移動變形具有重要作用。

4 結論

(1) 根據相似材料模擬實驗原理構建了以潘四東煤礦11111工作面為原型的厚松散含水層失水覆巖運動模型，根據模擬實驗結果及含水層失水沉降理論分析，提出W型剪切應力拱及O型剪切應力拱的概念，解釋了下沉量偏大的現象。

(2) 通過相似材料模擬實驗分析研究了該地質條件下覆巖損傷特征。在開采工作面推進過程中，覆巖應力狀態處于動態變化之中，在工作面開采工作結束并進入穩態后，前垮落角為57°，后垮落角為62°，導水裂隙帶高度為63 m，開切眼及終采線上方覆巖在應力集中作用下斷裂，產生縱向裂隙，開切眼及終采線上方斷裂帶區域內覆巖產生橫向離層裂隙，縱向裂隙和橫向離層裂隙加劇了覆巖與含水層間的水力聯系。

(3) 通過相似材料模擬實驗研究了該地質采礦條件下覆巖動態運動規律。隨著開采工作面的推進，各觀測線覆巖下沉量逐漸增大，接近開采工作面的1號觀測線覆巖下沉量最大，大于工作面的開采厚度；1號及2號觀測線在開切眼和終采線附近，其下沉量曲線走勢基本類似且下沉量跳變一致；3號及4號觀測線下沉量曲線走勢基本吻合且下沉量跳變同步；2號與3號觀測線下沉量跳變異步，表明含水層對覆巖移動變形具有重要作用。