采場頂板堅硬條件下覆巖裂隙發育規律試驗

趙義平，王子河，鄧騰林，張志夫，李敏巍

(1.水利部牧區水利科學研究所，內蒙古 呼和浩特 010020； 2.中國水利水電科學研究院，北京 100048；3.河北辰地環保工程有限公司，河北 石家莊 050051)

目前，國內外專家學者對礦區煤層采動動載作用下覆巖裂隙發育規律的研究較為深入。國外學者近些年提出一系列理論與方法，對煤礦開采沉陷特征、開采狀態下裂隙發育及覆巖變化提供理論基礎[1-6]。國內學者劉天泉[7]院士系統研究了礦區開采過程中采場覆巖裂隙及導水裂隙帶發育特征，分析了在采動動載作用下“橫三區”和“豎三帶”裂隙分布規律；李海龍等[8]利用相似模擬研究了煤層底板裂隙演化規律，發現底板破壞深度最大處一般出現1～2個周期來壓至采空區底板被矸石充填之間距離；黃慶享等[9-10]探討了煤層覆巖裂隙二次發育的特征及應力分布規律，研究了裂隙擴展過程、速度等；姚邦華等[11]利用“雙煤層重復采動”理論模型分析出采場覆巖裂隙再發育的規律；錢鳴高等[12-17]運用關鍵層理論分析研究了主關鍵層位置對導水裂隙帶的影響；董國華等[18]利用相似模擬技術研究分析了酸刺溝煤礦中硬特厚煤層覆巖破壞規律，指出覆巖存在短時間急劇和長時間階段2種下沉方式。上述研究對煤層覆巖及底板巖層破壞特征及裂隙發育規律進行了深入研究，但前人對采場頂板堅硬條件下覆巖裂隙發育規律相似模擬試驗研究較少。

現場試驗設備觀測覆巖裂隙發育特征具有更加真實等優點，但其成本高、時間長、任務重，難以操控；經驗公式等方法操作方便，但針對礦區復雜條件不易概化等情況，計算結果誤差大。而室內物理模擬試驗可重復性好、主要因素易操控等優點，能夠更加直觀地展示覆巖破壞及裂隙發育的全過程[19]。為此，本文以東勝煤田某礦區地質條件為依托，采用室內物理相似材料模擬試驗，模擬采場頂板巖層堅硬條件采動動載作用下覆巖破壞特征，通過煤層開挖，觀測位移場、應力場的變化、煤層開采動態演化過程，獲取實驗數據，分析垂向上冒落帶、裂隙帶的發育規律，對保水采煤、安全采煤方案的選擇提供可靠性依據。

1 相似模擬試驗設備

1.1 裝置與模型設計

試驗系統由試驗架和數據接收系統(圖1)。試驗架尺寸為2 800 mm×250 mm×1 600 mm(長×寬×高)的二維框架，框架全采用不易形變的特種加厚鋼材，且底座膨脹螺絲加固，確保實驗開挖過程中框架的穩定性和安全性。

圖1 試驗裝置Fig.1 Experiment equipment

試驗模型采用平面應力模型。試驗數據模擬參數如下：幾何相比相似比LY/LM，比值為200/1；運動相似比tY/tM，比值為12/1；容重相似比γY/γM，比值為5/3；彈性模量相似比EY/EM，比值為70.7/3；強度相似比σY/σM，比值為1 000/3。

依據礦區地質資料及開采工作面具體情況，區內煤層埋深410 m，根據室內試驗工作臺的尺寸，只模擬煤層覆巖240 m以上巖層，為不影響開采條件下覆巖破壞特征，需將剩余170 m巖層補償載荷。研究區內覆巖地層平均容重為28 kN/m3，故仍還需要模擬原地質覆巖載荷為:

qY=γY(H-h)=8.4 MPa

式中，qY為原型未模擬巖層壓力；H為采深；h為模擬頂板巖層的高度；γY為原巖容重。

相似模型實際放入加載壓力為：

qM=qY/ασ=0.025 2 MPa

式中，qM為模型未模擬巖層壓力；ασ為模型強度相似比值。

1.2 監測設備及測點位置

為了深入分析研究采動動載作用下覆巖破壞、裂隙發育等特征，在模型中安裝位移觀測點和應力觀測設備，以直觀分析地層位移變化和應力分布特征。地層中位移點布設：以距離開采煤層頂部2 cm為第1排(每排布設55個觀測點，觀測點相隔5 cm，自切眼向后編號依次為A、B、C、D、E、F、G，…)，模型自下而上共設置22排，如圖2所示。應力觀測設備布設：共布設4排觀測設備，以煤層開采層為第1排(每排布設8個監測點)，第2、3、4層距離煤層頂板依次為8、26、42 cm。

圖2 模型位移測點布置Fig.2 Layout of model displacement measuring points

1.3 試驗方案及過程

為了分析采場堅硬條件下覆巖裂隙發育規律，模型巖層構建見表1。

表1 試驗巖層相似材料配比Tab.1 Proportion of similar materials in test rock strata

試驗方案分為模型構建、準備階段和煤層開挖3個階段。

(1)模型構建階段。①安裝試驗擋板；②按照表2中材料配比及用量，進行稱重，放入適量硼砂并攪拌均勻；③裝料，將配比好的材料放入模型槽中，并將其抹平整，即做好一層地層，之后在其上面撒上一層云母以便凸顯地層分層，依次將材料放置槽中直至規定高度。

(2)準備階段。模型制備好7～10 d后，便可以拆掉擋板，繼續干燥14d。在模型表面各觀測點采用大頭針穿1.5 cm2正方形紙片(圖2)，以便通過經緯儀觀測大頭針來計算巖層位移情況。

(3)模擬開挖階段。模型達到開挖條件后，準備開始模擬煤層開采。切眼布設在煤層左側30 cm處，根據工作面實際推進速度，按照時間比模擬推進速度1.8 cm/h。

2 試驗結果及分析

2.1 頂板覆巖破壞特征分析

根據試驗觀測，在工作面開采推進過程中，當推進40 m時，頂板初次來壓顯現，并伴隨著直接頂的垮落，在距其15 m處發生離層現象(圖3)；當推進65 m時，基本頂垮落，并在煤層頂板40 m處出現離層發育現象(圖4)；當推進85 m時，產生第1次周期來壓，頂板垮落高度55 m，直至破壞含水層(圖5)。隨著工作面繼續推進，在103、122、145 m處分別出現第2、3、4次周期來壓，平均來壓步距為20 m。根據試驗現象知，隨著冒落帶不斷擴大，“上三帶”發育完成，其中冒落帶巖層整體斷裂成塊狀、裂隙帶巖層產生變形、彎曲下沉帶巖層基本未受破壞。

圖3 直接頂初次垮落特征(推進40 m)Fig.3 Characteristic of direct top collapsing initially(working face advancing 40 m)

圖4 基本頂初次來壓(推進65 m)Fig.4 Initial weighting of the main roof (working face advancing 65 m)

圖5 第1次周期性來壓(推進85 m)Fig.1 Periodic weighting of the main roof(working face advancing 85 m)

2.2 頂板覆巖位移場特征分析

模擬堅硬頂板條件下，工作面推進較長一段距離后，裂隙才較明顯發育，且工作面前部裂隙發育較少，中部的離層量較大，其分布范圍呈兩端高、中間低。通過試驗監測數據，繪制煤層頂板20～80 m巖層位移隨推進時間變化曲線(圖6—圖12)。

圖6 煤層頂板20 m處各位移點時間變化曲線Fig.6 Time variation curves of each moving point at 20 m of coal seam roof

圖7 煤層頂板30 m處各位移點時間變化曲線Fig.7 Time variation curves of each moving point at 30 m of coal seam roof

由圖6—圖10知，當推進時間經歷42 h時(即開挖21次時)，覆巖發育高度50 m及以下巖層發生明顯位移，出現第一次垮落現象，垂向變幅約0.025 m；覆巖發育高度60 m處巖層，未發生明顯位移變化。當推進時間經歷68 h時(即開挖34次)，覆巖發育高度50 m處巖層出現第二次垮落現象，垂向變幅為0.02 m；覆巖發育高度60 m處巖層發生垮落現象。由圖11—圖12可知，當推進時間經歷82 h時(即開挖41次)，覆巖發育高度70 m處巖層出現垮落現象，覆巖發育高度80 m處巖層未出現明顯位移。由此推測基本頂垮落穩定后，冒落帶與裂隙帶在空間上的分界位置在50～60 m。

圖8 煤層頂板40 m處各位移點時間變化曲線Fig.8 Time variation curves of each moving point at 30 m of coal seam roof

圖9 煤層頂板50 m處各位移點時間變化曲線 Fig.9 Time variation curves of each moving point at 50 m of coal seam roof

圖10 煤層頂板60 m處各位移點時間變化曲線Fig.10 Time variation curves of each moving point at 60 m of coal seam roof

圖11 煤層頂板70 m處各位移點時間變化曲線Fig.11 Time variation curves of each moving point at 70 m of coal seam roof

圖12 煤層頂板80 m處各位移點時間變化曲線Fig.12 Time variation curves of each moving point at 80 m of coal seam roof

2.3 頂板覆巖裂隙發育分析

為了定量分析煤層頂板覆巖裂隙發育規律，沿工作面推進的方向，統計裂隙的條數，以裂隙密度(條/m)表示裂隙的變化特征[19]，根據實際觀測數據，繪制裂隙密度分布規律(圖13)。

圖13 煤層頂板覆巖裂隙密度分布規律Fig.13 Distribution law of fracture density in overburden of coal seam roof

由圖13可知，隨著工作面的推進，巖層出現由彈性形變向塑性形變的演變過程，并逐漸演化至斷裂裂隙的出現，且裂隙密度在持續變化；頂板初次來壓時，裂隙密度達到最大，之后呈減小趨勢，主要是由于采空區中部垮落的矸石在上覆荷載的作用下被壓實；接著工作面的繼續推進，裂隙密度出現周期性變化。

3 結論

(1)試驗結果可知，在采場采動動載作用下，煤層覆巖層產生大量的斷裂裂隙和離層裂隙。斷裂裂隙發育在工作面兩端和切眼處，大致呈梯形形狀分布，且發育速度慢于離層裂隙。

(2)堅硬條件下覆巖層裂隙縱向發育特征：冒落帶與裂隙帶的分界點高度在50～60 m處。

(3)當工作面推進85 m時，產生第一次周期來壓，頂板垮落高度55 m，直至破壞含水層。隨著工作面繼續推進，在103、122、145 m處分別出現第2、3、4次周期來壓，平均來壓步距為20 m。

(4)頂板初次來壓時，裂隙密度達到最大，之后呈減小趨勢，主要是由于采空區中部垮落的矸石在上覆荷載的作用下被壓實；接著工作面的繼續推進，裂隙密度出現周期性變化。