巨厚松散層下軟弱覆巖破壞規(guī)律

張廣超，陶廣哲，孟祥軍，李 友，曲 治，緒瑞華，于善昌，陳 淼，周廣磊，欒恒杰

(1.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東能源集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250014；3.臨沂礦業(yè)集團(tuán)菏澤煤電有限公司 郭屯煤礦，山東 菏澤 274000)

我國煤炭資源儲量豐富且具有明顯的區(qū)域性分布特點，其中華東地區(qū)是我國重要的煤炭能源產(chǎn)地。隨著淺部沖積層下煤炭資源幾近枯竭，華東地區(qū)大多數(shù)礦井正在開采第四系巨厚松散層條件下的煤炭資源，且第四系松散含水層以非膠結(jié)沙土、砂礫為骨架直接賦存在煤系基巖頂部[1-3]。在煤炭開采過程中，由于松散層厚度大、基巖巖性軟弱的特殊地層條件，覆巖運動規(guī)律及其破壞趨于復(fù)雜，若覆巖破壞貫穿松散層底部含水層層位，極易造成突水潰砂事故，對井下人身及財產(chǎn)安全造成威脅[4-5]。因此，對巨厚松散層軟弱巖層條件下的覆巖破壞規(guī)律及破壞高度開展深入系統(tǒng)的研究具有刻不容緩的必要性。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者在覆巖破壞規(guī)律及其發(fā)育高度方面進(jìn)行了大量有益探索。如：來興平等[6]通過物理相似模擬實驗揭示了支架阻力與裂隙導(dǎo)水位置、導(dǎo)水量之間的關(guān)系；許家林等[7]提出了利用關(guān)鍵層位置預(yù)計導(dǎo)水裂隙帶高度的方法，并通過相似模擬實驗與現(xiàn)場實測進(jìn)行了驗證；郭文兵等[8]分析了影響覆巖破壞充分采動的關(guān)鍵因素，提出了高強(qiáng)度長壁開采條件下覆巖破壞充分采動的判據(jù)；周宏偉等[9]通過相似模擬實驗研究了長壁工作面推進(jìn)過程中覆巖采動裂隙分布演化規(guī)律；黃萬朋等[10]基于覆巖裂隙與巖層拉伸變形量的關(guān)系，提出采用巖層拉伸變形率來表征巖層中裂隙的大小及分布規(guī)律；張玉軍等[11]發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度綜放開采條件下采動覆巖裂隙發(fā)育形態(tài)以高角度為主，裂隙數(shù)量隨埋深呈二次方增大的發(fā)育規(guī)律；譚毅等[12]采用現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬的研究方法，得到了非充分采動條件下淺埋堅硬頂板破壞高度隨采寬變化規(guī)律；楊達(dá)明等[13]采用鉆孔注水漏失量觀測與鉆孔電視的方法分析了厚煤層軟弱覆巖綜放開采條件下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律。

上述研究成果為覆巖破壞規(guī)律及高度計算研究奠定了基礎(chǔ)，但是由于煤礦生產(chǎn)地質(zhì)條件的復(fù)雜性，覆巖破壞規(guī)律受開采厚度、開采深度、煤層傾角、覆巖巖性、工作面尺寸、松散層厚度與開采方法等諸多因素的影響，且單一因素對覆巖破壞規(guī)律的影響作用及程度不同。巨野礦區(qū)位于山東省西南部，該煤田松散層平均厚度600 m以上、煤層平均厚度5.8～9.9 m不等、基巖厚度40～450 m不等，加之大采高工藝的應(yīng)用，諸多影響因素使得覆巖破壞規(guī)律呈現(xiàn)新的特征，當(dāng)前對該類復(fù)雜地質(zhì)生產(chǎn)條件下覆巖破壞規(guī)律的研究相對較少。

巨野礦區(qū)郭屯煤礦3301工作面為典型的巨厚松散層軟弱巖層大采高工作面，筆者基于3301工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件，采用理論分析、數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測等研究手段對巨厚松散層下軟弱覆巖破壞力學(xué)機(jī)制進(jìn)行研究，揭示松散層厚度及開采高度對覆巖破壞規(guī)律的影響機(jī)制，本研究對類似地質(zhì)條件下的煤炭安全高效開采具有重要指導(dǎo)意義。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

郭屯煤礦位于巨野煤田中北部的鄆城縣境內(nèi)，地理坐標(biāo)東經(jīng)115.83°～116.00°，北緯35.45°～35.58°。井田南北長約16 km，東西寬約14 km，井田面積222.1 km2。礦井核定生產(chǎn)能力240萬t/a，服務(wù)年限52.4 a。郭屯井田為全隱蔽的華北型石炭二疊系煤田，煤系以中、下奧陶統(tǒng)為基底，沉積了石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組和下石盒子組及上統(tǒng)上石盒子組，基巖巖性以泥巖、砂巖為主，其上被新生界第三系和第四系松散層所覆蓋。其中，第四系與新近系地層統(tǒng)稱為松散層，主要由黏土質(zhì)砂、黃色黏土、棕色細(xì)砂與灰綠色厚層黏土組成[14-15]。據(jù)山東煤炭地質(zhì)工程勘察研究院的《郭屯井田勘探(精查)地質(zhì)報告》：通過對巖性、測井曲線、古地磁、微體古生物化石資料的對照驗證發(fā)現(xiàn)，新近系巖性、固結(jié)程度與第四系差異不大，宏觀上表現(xiàn)為不易區(qū)別。

1.2 水文條件

根據(jù)松散層巖土類型及富水特性可將其分為3個含水層和2個隔水層，其中第四系上部主要為中、細(xì)砂，砂層較為松散，是其主要含水層(一含)，富水性中等；下部為隔水性能良好的灰綠、棕黃黏土(一隔)，不整合于新近系地層之上。新近系地層上部主要由中、細(xì)砂層與雜色黏土、砂質(zhì)黏土相間沉積而成，為其主要含水層(二含)，富水性中等；中部為棕色、灰綠色厚層黏土和砂質(zhì)黏土(二隔)、富含蒙脫石礦物，隔水性能良好，平均厚度為151.8 m；下部為直接覆蓋于風(fēng)化基巖地層之上的第三含水層(又稱“底含”)，平均厚度為43.5 m，富水性弱～中等、基巖與第三含水層不整合接觸，無黏土隔水層，三采區(qū)含(隔)水層情況如圖1所示。

圖1 三采區(qū)含(隔)水層情況Fig.1 Characteristics of aquifer and impermeable layer of mining section No.3

1.3 開采條件

3301工作面為三采區(qū)首采工作面，采用綜合機(jī)械化一次采全高采煤工藝，全部垮落法管理頂板，基本支架型號為ZY13000/28/63D，共111架，立柱缸徑為420 mm/305 mm(一級缸缸徑/二級缸缸徑)，安全閥調(diào)定壓力46.9 MPa，泵站壓力為31.5 MPa。當(dāng)前主采3號煤層，煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，煤層平均厚度約為6.0 m。煤層傾角3.1°～7.9°，平均5.5°。3301工作面松散層最小厚度485.4 m，最大厚度650.2 m，平均550 m；基巖厚度自開切眼位置開始逐漸增大，最小厚度35.5 m，最大厚度110.4 m，基巖多為軟弱的泥巖、泥砂巖。3301工作面采用“三八”制生產(chǎn)，兩班采煤，每班進(jìn)5～6刀，日推進(jìn)度8.65～10.38 m。

綜上可知，3301工作面具有埋深大、松散層厚、含水層多、基巖厚度變化大、開采高度大的特點，諸多因素共同作用使得工作面覆巖破壞規(guī)律極為復(fù)雜。因此，結(jié)合三采區(qū)基巖分布范圍、厚度及含水層富水性，開展覆巖破壞規(guī)律研究對煤炭安全開采極具必要性和緊迫性。

2 巨厚松散層軟弱覆巖破壞演化分析

2.1 巨厚松散層軟弱覆巖破壞聯(lián)動演化

在煤炭開采過程中，上覆巖層發(fā)生移動、變形和破壞，并隨著工作面推進(jìn)距離的增加，覆巖破壞向上發(fā)育，并引起一系列采場、地表動態(tài)響應(yīng)[2]。在巨厚松散層軟弱覆巖條件下進(jìn)行煤炭開采時，由于軟弱基巖和厚松散層雙層介質(zhì)影響及兩者聯(lián)動作用，覆巖結(jié)構(gòu)演化明顯區(qū)別于常規(guī)工作面，具有自身特殊性。

由于基巖軟弱、抗壓強(qiáng)度低且抗變形能力強(qiáng)，煤層開采后軟弱覆巖隨采隨冒，自下而上逐層發(fā)生破裂，同時考慮到軟弱覆巖垮落后較強(qiáng)的碎脹特性，愈往上巖層塑性破壞范圍愈小，直至發(fā)育至松散層與基巖交界處，形成近似梯形破壞形態(tài)[8]。整體而言，基巖破壞表現(xiàn)為軟弱巖層塑性破裂特征，即使基巖中存在厚度較大、強(qiáng)度稍高的關(guān)鍵層時，由于其上覆松散層產(chǎn)生的高垂直靜載作用，關(guān)鍵層更易發(fā)生破斷，且破斷步距較小、形成的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，關(guān)鍵層承載作用不明顯，進(jìn)而使得大部分載荷轉(zhuǎn)移到了采場支架上，表現(xiàn)出支架壓力大、來壓不明顯的礦壓現(xiàn)象[15-17]。

與基巖力學(xué)特性不同，松散層屬于松散介質(zhì)，其抗拉、抗剪及抗彎能力都很低，當(dāng)基巖塑性破裂發(fā)展至交界面時，下部松散層在采空區(qū)邊緣發(fā)生滑移破壞，并誘發(fā)上部近地表松散層發(fā)生拉裂破壞并向下拓展；隨著滑移破壞和拉裂破壞的發(fā)展和積累，中部松散層受到的剪切應(yīng)力逐漸達(dá)到極限而發(fā)生剪切破壞。由于隨著埋深的增加，松散層壓實程度逐漸提高，松散層的黏聚力和內(nèi)摩擦角亦隨之逐漸增大[18]，松散層極易沿著與水平面成(45°+φ/2)(φ為松散層內(nèi)摩擦角)夾角發(fā)生滑移-拉剪-剪切破壞，最終形成類倒梯形破壞形態(tài)(圖2，θ1,θ2分別為開切眼上方、工作面上方覆巖破斷角)。基于松散層特殊的力學(xué)性質(zhì)及運移機(jī)制，巨厚松散層下開采呈現(xiàn)出了移動變形初始期時間短、啟動距小、下沉速度快、下沉系數(shù)大、下沉影響范圍大的特點[19]。

圖2 厚松散層軟弱巖層下覆巖破壞形態(tài)特征[8，18]Fig.2 Failure shape of weak overburden stratumunderlying extra-thick alluvium[8,18]

在實際工程條件下，基巖、松散層及兩者聯(lián)動演化一直處于動態(tài)變化過程中，且受到巖層組合、構(gòu)造運動、水砂作用及開采布局等諸多因素的影響，極為復(fù)雜。筆者將其聯(lián)動演化過程描述為：① 煤層開采前，巨厚松散層自重產(chǎn)生的高靜載全部作用在基巖上，處于靜力平衡狀態(tài)；② 隨著工作面推進(jìn)，靜力平衡被打破，在上覆松散層高靜載作用下，軟弱基巖自下而上發(fā)生塑性破裂，直至基巖與松散層的分界面，并引起上覆松散層的同步協(xié)調(diào)沉降；③ 松散層發(fā)生沉降后形成倒梯形破壞形態(tài)，由于松散層自身性質(zhì)無法形成穩(wěn)定承載結(jié)構(gòu)，其運移區(qū)域內(nèi)的大范圍介質(zhì)仍將以載荷形式作用在基巖上，從而進(jìn)一步加劇了軟弱基巖破壞程度與速度；④ 軟弱基巖的加劇破壞，反過來又致使松散層進(jìn)一步沉降運移，倒梯形破壞區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，直至達(dá)到新的平衡狀態(tài)。綜上運移過程可知，巨厚松散層引起的高靜載是軟弱覆巖破壞的根本動力，而松散層與軟弱基巖的特殊力學(xué)特性及兩者聯(lián)合演化是造成采場壓力大、來壓特征不顯著及地表下沉系數(shù)大、影響范圍大的根本原因。

2.2 考慮軟弱巖層塑性破裂的覆巖破壞高度計算

基于上述軟弱巖層塑性破裂特征，在工程中可采用水平拉伸應(yīng)變作為軟弱巖層能否發(fā)生破裂的評價指標(biāo)。對于泥巖、砂質(zhì)泥巖等軟弱巖層，其極限拉伸變形值為1～2 mm/m[20]。若軟弱巖層最大拉伸應(yīng)變值大于極限變形值，則軟弱巖層發(fā)生塑性破裂；反之，軟弱巖層不會發(fā)生塑性破裂。

根據(jù)文獻(xiàn)[21-22]可知，軟弱巖層最大水平拉伸應(yīng)變εmax表達(dá)式為

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式中，q為上覆巖層載荷；l為軟弱巖層破斷距；E為巖層彈性模量；h為巖層厚度。

由材料力學(xué)理論可知，應(yīng)變可通過撓度來分析，從而式(1)中的最大水平拉伸應(yīng)變可采用撓度表達(dá)形式：

(2)

式中，wmax為軟弱巖層彎曲撓度；I為慣性矩，I=lh3/12。

考慮到巖層破裂碎脹性，得到軟弱巖層下方自由空間高度表達(dá)式：

(3)

式中，Δn為第n層下方自由空間高度；M為煤層高度；kpi為第i層巖層碎脹系數(shù)；hi為第i層巖層厚度。

在實際工程中，可通過軟弱巖層最大撓度值wmax與其下部自由空間高度Δn的關(guān)系判斷覆巖破壞的發(fā)育情況。當(dāng)軟弱巖層下部自由空間高度Δn大于軟弱巖層最大撓度wmax時，軟弱巖層發(fā)生塑性破裂，即

(4)

由表1可知，3301工作面基巖厚度為98 m，共10個巖層；根據(jù)關(guān)鍵層理論計算可知，第7,11層的砂質(zhì)泥巖為關(guān)鍵層，但由于其破斷步距(分別為9，10.1 m)較小，形成的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，關(guān)鍵層承載作用不明顯，可根據(jù)判別式(4)得到覆巖破壞情況，計算結(jié)果見表1。3301工作面覆巖自下而上發(fā)生運移破壞，直至第11層泥質(zhì)粉砂巖；對于第12層泥巖，其最大撓度為1.222 m，但由于其下自由空間高度為0，因而無法發(fā)生塑性破裂；第12層泥巖及其上松散層進(jìn)入彎曲下沉帶范圍。第12層泥巖距煤層頂板距離為71 m，因此，3301工作面覆巖破壞高度為71 m。

表1 3301工作面上覆巖層分布情況及其破斷判別結(jié)果

3 巨厚松散層下軟弱覆巖破壞規(guī)律模擬分析

為明晰巨厚松散層下軟弱覆巖破壞演化規(guī)律，采用3DEC數(shù)值軟件模擬分析工作面推進(jìn)過程覆巖破壞形態(tài)及裂隙發(fā)育特征，并著重揭示松散層厚度與開采高度對覆巖破壞規(guī)律的影響機(jī)制。

3.1 數(shù)值模型建立與模擬方案

圖3 數(shù)值計算模型與裂隙識別標(biāo)準(zhǔn)Fig.3 Numerical calculation model and fracture identification standard

巖層節(jié)理簡化為水平與垂直節(jié)理，節(jié)理采用面接觸庫倫滑移模型，基于實驗室力學(xué)實驗獲取完整煤巖塊的力學(xué)參數(shù)，并采用廣義Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則對各巖層參數(shù)進(jìn)行校核[24]，獲得的模型力學(xué)參數(shù)見表2。模擬過程為：數(shù)值模型建立→初始地應(yīng)力計算平衡→3301工作面回采(工作面采高6 m，開挖步距10 m)→開挖計算平衡→直至工作面回采結(jié)束。根據(jù)地表沉陷實測數(shù)據(jù)，工作面推進(jìn)110～170 m時進(jìn)入地表變形活躍期，之后沉降速率趨于平緩，工作面推采距離大于350 m后基本達(dá)到穩(wěn)沉；據(jù)此，兼顧計算效率及模擬主要目的[13,25]，本文模擬工作面推進(jìn)長度為180 m，雖然無法達(dá)到實際工程條件下工作面充分采動，但能夠反映軟弱覆巖破壞的主要過程和運動規(guī)律。

表2 煤巖體及節(jié)理力學(xué)參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1 軟弱覆巖破壞形態(tài)特征

圖4為工作面推進(jìn)不同步距時覆巖運動演化特征。由圖4可知，當(dāng)工作面推進(jìn)20 m時，由于泥巖、泥砂巖抗拉強(qiáng)度低，煤層開采后直接頂開始發(fā)生垮落，覆巖破壞高度約為6.5 m；當(dāng)工作面推進(jìn)40 m時，2 m泥巖、4.5 m泥砂巖與7 m泥巖全部垮落充填采空區(qū)，垮落帶高度為13.5 m，此時裂隙自下而上向泥質(zhì)粉砂巖頂部迅速發(fā)育拓展；當(dāng)工作面推進(jìn)60 m時，泥質(zhì)粉砂巖發(fā)生塑性變形，下方部分巖層開始脫離母體充填采空區(qū)，此時垮落帶高度增長至15 m左右，裂隙繼續(xù)向上迅速拓展，裂隙帶高度約為13 m；此后，隨著工作面進(jìn)一步推進(jìn)，泥質(zhì)粉砂巖發(fā)生破斷下沉運動，致使泥質(zhì)粉砂巖及其上部巖層內(nèi)裂隙迅速發(fā)育；當(dāng)工作面推進(jìn)80 m和100 m時，覆巖破壞高度分別發(fā)育至40 m和58 m；當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)至120 m時，覆巖運動開始趨于平緩，裂隙發(fā)育速度亦隨之趨于平緩，覆巖破壞高度約為70 m；工作面推進(jìn)140 m時，覆巖運動趨于穩(wěn)定，覆巖破壞高度發(fā)育至泥巖(厚度17 m)內(nèi)部，最終覆巖破壞發(fā)育高度穩(wěn)定在75 m。由圖4還可發(fā)現(xiàn)，在整個覆巖破裂發(fā)展過程中，由于覆巖風(fēng)化嚴(yán)重，強(qiáng)度低，隨采隨冒落，關(guān)鍵層(泥質(zhì)粉砂巖)破斷步距小，覆巖整體表現(xiàn)為自下而上的整體塑性破裂，初次來壓和周期來壓均不明顯。

圖4 不同推進(jìn)距離下覆巖破壞演化過程Fig.4 Evolution process of overburden strata failure characteristics at various retreating

3.2.2 軟弱覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律分析

已有研究表明[26]，巖層破斷運移過程中將產(chǎn)生大量裂隙，可采用巖層內(nèi)裂隙發(fā)育情況描述覆巖破壞高度發(fā)育情況。在本文模擬過程中，通過fish語言遍歷模型的全部節(jié)理接觸，動態(tài)識別每個節(jié)理接觸的狀態(tài)，若接觸出現(xiàn)滑移、拉伸破壞，則表明接觸出現(xiàn)斷裂(圖3)，即覆巖出現(xiàn)了裂隙[27]。圖5為獲得的覆巖內(nèi)裂隙數(shù)量變化曲線。

圖5 覆巖裂隙數(shù)量變化曲線Fig.5 Variation curve of overburden stratum cracks

由圖5可知，覆巖裂隙發(fā)育過程可劃分為3個階段：緩慢增長階段、快速增長階段與穩(wěn)定平衡階段，其與頂板巖層運動過程密切相關(guān)。隨著工作面由開切眼位置開始逐步推進(jìn)，煤層上方巖層(2 m泥巖、4.5 m泥砂巖、7 m泥巖)由下至上依次逐層垮落，垮落高度逐漸增大，裂隙數(shù)量逐漸增長；工作面推進(jìn)20～40 m時，由于泥質(zhì)粉砂巖強(qiáng)度相對偏大，未能立即發(fā)生大范圍塑性破裂，延緩了裂隙的增長，此階段裂隙數(shù)量呈緩慢增長狀態(tài)；當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)40～120 m時，隨著推進(jìn)距離增加，泥質(zhì)粉砂巖最大水平拉伸應(yīng)變逐漸達(dá)到塑性變形極限而開始發(fā)生破裂，泥質(zhì)粉砂巖連同其上覆軟弱巖層共同發(fā)生塑性破裂，且推進(jìn)距離越大，軟弱巖層運動范圍越大，此階段裂隙數(shù)量呈快速增長狀態(tài)；當(dāng)工作面推進(jìn)120 m后，覆巖裂隙增長數(shù)量逐漸趨于穩(wěn)定；工作面達(dá)到充分采動時，新生裂隙與閉合裂隙數(shù)量逐漸達(dá)到動態(tài)平衡，裂隙數(shù)量最終穩(wěn)定在19 000條左右，此時覆巖破壞高度達(dá)到最大值。

3.2.3 軟弱覆巖破壞高度分析

結(jié)合覆巖運動形態(tài)及裂隙數(shù)量演化特征，確定3301工作面覆巖破壞高度動態(tài)變化，如圖6所示。

由圖6可知，覆巖破壞高度呈先緩慢增加后快速增長并最終趨于穩(wěn)定的變化趨勢，最終確定覆巖破壞高度為75 m，其中覆巖破壞高度(Hf)與推進(jìn)距離(x)的關(guān)系可采用slogisticl回歸函數(shù)關(guān)系表征，擬合函數(shù)為

(5)

圖6 不同開挖步距下覆巖破壞規(guī)律Fig.6 Development law of weak overburdenstratum with different excavation distance

3.3 采高對覆巖破壞高度的影響機(jī)制分析

圖7為不同采高條件下采場覆巖破壞高度發(fā)育變化規(guī)律。由圖7可知，覆巖破壞高度隨采高的增加而增加，當(dāng)采高為2，3，4，5，6 m時，覆巖破壞高度分別為41，47，57，68，75 m。這是由于在各軟弱巖層厚度及力學(xué)性質(zhì)一致條件下，開采高度h的增加使得覆巖中各軟弱巖層下部自由空間高度Δn增加，軟弱巖層更容易達(dá)到破裂力學(xué)條件，最終使得軟弱巖層破裂高度隨之增加。采用不同類型函數(shù)對覆巖破壞高度(Hf)與采高(h)關(guān)系進(jìn)行擬合，通過對比相關(guān)性系數(shù)，最終確定覆巖破壞高度(Hf)與采高(h)成線性增長關(guān)系，其關(guān)系式為

Hf=9.1h+21.4，R2=0.989

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圖7 不同采高下覆巖破壞規(guī)律Fig.7 Development law of overburden stratum at various mining heights

3.4 松散層厚度對覆巖破壞規(guī)律的影響機(jī)制分析

圖8為不同松散層厚度作用下采場覆巖破壞高度發(fā)育規(guī)律。由圖8可知，覆巖破壞高度整體變化呈“S”型曲線變化趨勢，依次經(jīng)歷緩慢增長、快速增長與趨于平緩3個階段。

圖8 不同松散層厚度下覆巖破壞高度規(guī)律Fig.8 Development failure law of overburden stratum at various alluvium thickness

當(dāng)松散層厚度較小時，松散層載荷作用不明顯，覆巖破壞高度增長較為緩慢；隨著松散層厚度增加，作用于基巖上方的載荷逐漸增大，加劇了軟弱基巖破壞的速度與程度，覆巖破壞高度迅速增加；但當(dāng)松散層厚度到一定程度后，松散層載荷對軟弱基巖具有一定壓密作用，進(jìn)而導(dǎo)致覆巖破壞高度趨于平緩。采用不同類型函數(shù)對覆巖破壞高度(Hf)與松散層厚度(hs)關(guān)系進(jìn)行擬合，通過對比相關(guān)性系數(shù)，最終確定覆巖破壞高度(Hf)與松散層厚度(hs)成指數(shù)型增長關(guān)系，其表達(dá)關(guān)系式為

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4 巨厚松散層下軟弱覆巖破壞高度實測分析

4.1 探測方法與設(shè)備

確定覆巖破壞高度的方法主要有地面鉆孔沖洗液漏失量法、井下仰孔分段注水觀測法與物探法[28]。其中，地面鉆孔沖洗液漏失量法工作量大，而物探法利用巖層電阻率變化判斷覆巖破壞高度，易受地質(zhì)因素影響，誤差較大且結(jié)果解釋具有難度，因此，筆者選用井下仰孔分段注水觀測法進(jìn)行3301工作面覆巖破壞高度的探測。

井下仰孔分段注水觀測法通過導(dǎo)高觀測儀觀測覆巖破壞高度，相比其他方法，具有工程量小、成本低與精度高等優(yōu)點。導(dǎo)高觀測儀由雙端堵水器、起脹管路、注水管路、起脹控制臺與注水控制臺組成，其中雙端堵水器由兩個起脹氣囊和注水探管構(gòu)成[29]。觀測時，先將雙端堵水器送至預(yù)定位置；通過起脹控制臺，對雙端堵水器的2個膠囊注氣加壓，使之處于膨脹狀態(tài)并與圍巖緊密接觸，完成孔段封堵；最后操作注水控制臺對分隔出的鉆孔進(jìn)行帶壓注水，持續(xù)觀測鉆孔內(nèi)的注水漏失量，進(jìn)而確定該段巖層的裂隙發(fā)育情況。

4.2 探測方案設(shè)計

觀測過程中，在工作面回采前，向工作面上方布置一個仰斜采前鉆孔(CQ1)，用于探測工作面采前原生裂隙發(fā)育情況；工作面開采并達(dá)到充分采動后，再次布置仰斜采后鉆孔(CH1，CH2)，用于探測工作面采后裂隙發(fā)育情況。

根據(jù)3301工作面實際開采狀況，具體探測方案如圖9所示。由于現(xiàn)場條件限制，現(xiàn)場進(jìn)行探測時3301工作面近于推采結(jié)束，不具備采前觀測條件，故將采前孔CQ1布置在與3301工作面地質(zhì)條件相似的3303工作面上方巖層內(nèi)。采前鉆孔(CQ1)與采后鉆孔(CH1，CH2)均在同一鉆場內(nèi)施工，探測鉆場位于3303工作面軌道巷，考慮到巖性、推采速度、開采高度等因素，探測工作應(yīng)在3301工作面回采結(jié)束后60～120 d內(nèi)進(jìn)行。

圖9 觀測鉆孔布置平、剖面Fig.9 Layout plane and section of observation boreholes

在現(xiàn)場探測過程中，采用上行觀測方法，根據(jù)表1計算軟弱覆巖破裂范圍，確定鉆孔施工參數(shù)見表3。

探測鉆孔仰角為53°，鉆孔深度設(shè)計為105 m，鉆孔直徑94 mm，由此可觀測到頂板最大垂直高度83.85 m、最大水平距離63 m內(nèi)的裂隙狀況，同時可避開垮落帶垮落巖石的影響。

在實際觀測過程中，自鉆孔深度46 m(垂深36.7 m)開始進(jìn)行注水漏失量觀測，雙端堵水膠囊起脹壓力為0.5～0.6 MPa，桿內(nèi)注水壓力為0.1 MPa，封堵段長度為1 m，井下探測如圖10所示。鉆孔注水觀測順序為CH2→CQ1→CH1，在實際鉆孔過程中，CH2，CQ1鉆孔觀測過程較為順利，能夠有效反映覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律，但CH1鉆孔過程中出現(xiàn)嚴(yán)重塌孔、卡鉆等問題，后嘗試在附近區(qū)域進(jìn)行鉆孔觀測，多次嘗試仍不成功，因而，筆者僅采用CQ1，CH2鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4.3 實測結(jié)果分析

將CQ1與CH2鉆孔分段注水漏失量數(shù)據(jù)及巖層柱狀圖繪制到圖中，分析注水漏失量變化規(guī)律，最終確定覆巖破壞高度，圖11是鉆孔注水漏失量分布統(tǒng)計圖及變化曲線。

由圖11(a)可知，工作面覆巖未受到開采擾動時，CQ1采前孔注水漏失量總體保持穩(wěn)定，漏失量為1.0～4.1 L/min，平均值1.7 L/min。根據(jù)注水漏失量變化情況，CQ1孔存在注水漏失量大小不一的現(xiàn)象，其中在70～81 m孔段內(nèi)(巖性為泥質(zhì)粉砂巖)注水漏失量相比其他孔段較大，平均值約為3.1 L/min，這是由于該范圍內(nèi)主要為泥質(zhì)膠結(jié)的粉砂巖巖層，相對于泥巖、泥砂巖，其強(qiáng)度偏大、原生裂隙較為發(fā)育，彌合性較差，因而漏失量較大。總體來看，頂板巖層僅存在少量裂隙，裂隙整體不發(fā)育，原巖結(jié)構(gòu)較為完整。

圖11 鉆孔注水漏失量統(tǒng)計變化Fig.11 Statistical of water injection leakage in borehole

由圖11(b)可知，沿孔深方向各測段漏失量存在明顯的分區(qū)現(xiàn)象，即I區(qū)和II區(qū)。其中I區(qū)對應(yīng)孔深46～98 m，該區(qū)域所測得孔段注水漏失量均較大，為8.5～21.8 L/min，平均值為17.5 L/min，明顯高于采前孔CQ1注水漏失量，局部孔段正常封堵后孔口淋水大，說明此區(qū)域各孔段圍巖裂隙較發(fā)育，且在一定范圍內(nèi)裂隙相互貫通，由此可以判定I區(qū)屬于覆巖破壞區(qū)；Ⅱ區(qū)對應(yīng)孔深98～105 m，此區(qū)域各孔段漏失量相比于Ⅰ區(qū)明顯減小，范圍為1.6～5.2 L/min，平均值為2.6 L/min，與該孔段CQ1鉆孔漏失量基本相同，說明此區(qū)域各孔段圍巖無裂隙或存在較少原生裂隙，覆巖已進(jìn)入彎曲下沉帶。

圖11(c)為回采前后鉆孔漏失量變化曲線。由圖11(c)可知，工作面回采前，由于覆巖未受到采動影響，裂隙不發(fā)育，CQ1鉆孔注水漏失量較小，平均約為1.7 L/min；工作面回采后，上覆軟弱巖層受到采動影響，巖層開始運動并產(chǎn)生大量裂隙，CH2鉆孔注水漏失量大幅度增加，平均約為15.7 L/min，漏失量增長比為9.2。由圖11(c)還可發(fā)現(xiàn)，CH2孔段65～70 m內(nèi)鉆孔漏失量明顯低于其他孔段，這是由于孔段范圍內(nèi)主要為風(fēng)氧化帶泥巖，其性質(zhì)較為軟弱，裂隙彌合速度較快，能夠有效抑制裂隙發(fā)育。鉆孔深度78 m之外仍有厚度較大的泥巖、泥砂巖存在，但實測漏失量較小。這是由于：① 在覆巖運移過程中，由于下部已垮落覆巖的充填作用，覆巖層位越高，其自由運動空間越小，裂隙發(fā)育越緩和；② 風(fēng)氧化帶泥巖、泥砂巖內(nèi)黏土礦物含量高，浸水泥化程度較高，滲透能力差，呈現(xiàn)出較強(qiáng)的隔水性能，具有阻止和抑制裂隙發(fā)展。上述2個因素共同作用，使得78 m以上泥巖和泥砂巖裂隙發(fā)育減少，不能貫穿形成導(dǎo)水裂隙帶。

綜上分析可知，3301工作面現(xiàn)場實測覆巖破壞發(fā)育至泥巖巖層內(nèi)，高度為78 m，與理論分析、數(shù)值模擬計算結(jié)果基本一致。

5 工作面開采實踐

5.1 工作面涌水量實測分析

由地質(zhì)水文資料可知，3301工作面開采主要受到風(fēng)氧化帶基巖含水層、新近系松散孔隙承壓水(三含)的影響，其他含水層距離煤層較遠(yuǎn)，不會對工作面造成影響。

3煤層風(fēng)氧化帶基巖含水層，位于煤層上方35.7～47.2 m，單位涌水量0.014 1 L/(s·m)，位于覆巖破壞高度之內(nèi)，是3301工作面涌水的主要來源。考慮到該含水層富水性弱且無供給，在實際生產(chǎn)過程中，通過采取超前疏放水措施，取得了較好的疏放效果，未對工作面開采造成影響。

新近系下段含水層(三含)，位于煤層上方82.6～89.9 m，單位涌水量0.131 7 L/(s·m)，弱-中等富水，屬于松散孔隙承壓水；自開切眼45 m范圍內(nèi)，上覆基巖較薄，可能導(dǎo)通該承壓含水層，誘發(fā)突水、潰沙災(zāi)害性事故。在實際生產(chǎn)過程中，3301工作面初采階段加強(qiáng)疏放水強(qiáng)度，延長疏放水時間，最大限度疏降含水層厚度，同時將工作面采高降低至4.0 m，從而消除了突水潰砂發(fā)生的動力源和路徑，有效保障了初采階段的生產(chǎn)安全。

自2018年10月回采至2020年9月回采結(jié)束，3301工作面最大涌水量為10 m3/h，最小涌水量為6 m3/h，涌水量整體較小且變化不大，見表4；在基巖較薄區(qū)域，未見流沙涌出。由此表明，3301工作面涌水主要來自頂板砂巖水、未引起新近系下段含水層突水，即覆巖破壞高度位于兩含水層之間(<82.6)，證實了本文分析結(jié)論的正確性。

表4 3301工作面頂板涌水量統(tǒng)計

5.2 工作面礦壓規(guī)律分析

3301工作面推進(jìn)過程中，對液壓支架工作阻力開展了實測工作，監(jiān)測日期為2019-06-02—2019-12-23，采用YHY.60型壓力分站進(jìn)行監(jiān)測。在3301工作面推采期間，液壓支架一直保持較高的工作阻力，平均工作阻力為11 766 kN/架，為額定工作阻力的90.51%，支架工作阻力一直處于較高狀態(tài)，工作阻力變化范圍相對不大。上述礦壓顯現(xiàn)的原因在于，基巖軟弱、強(qiáng)度低且上覆松散層載荷高，造成覆巖關(guān)鍵層破斷步距小，來壓顯現(xiàn)程度不突出；加之關(guān)鍵層破斷形成的結(jié)構(gòu)承載能力差，絕大部分載荷全部作用到支架上，造成了液壓支架壓力較大。現(xiàn)場實測礦壓數(shù)據(jù)及礦壓規(guī)律與數(shù)值分析結(jié)果較為符合，側(cè)面反映了數(shù)值模擬效果的準(zhǔn)確性。

6 結(jié) 論

(1)闡明了巨厚松散層下軟弱覆巖破壞演化力學(xué)過程，明確了巨厚松散層、軟弱基巖及兩者聯(lián)動演化對覆巖破壞的綜合影響機(jī)制，并考慮軟弱巖層塑性破裂特征，提出了基于極限拉伸應(yīng)變的軟弱覆巖破壞高度計算方法。

(2)巨厚松散層下軟弱覆巖破壞演化依次經(jīng)歷緩慢增長階段、快速增長階段與穩(wěn)定平衡階段，覆巖破壞高度與采高呈線性增長關(guān)系，與松散層厚度呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，基于回歸分析理論擬合出了相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

(3)井下仰孔分段注水觀測現(xiàn)場探測表明，試驗工作面覆巖破壞高度為78 m，為采高的13倍，發(fā)育至彌合性較強(qiáng)的泥巖巖層內(nèi)，并基于工作面水害危險性分析、涌水量規(guī)律及采場礦壓規(guī)律，對理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了驗證分析。