厚松散層下開采覆巖及地表移動變形規律試驗研究

夏筱紅, 魏宏濤,2, 楊偉峰, 徐洪遠, 張方正

(1.中國礦業大學資源與地球科學學院, 徐州 221116; 2.中交第一航務工程勘察設計院有限公司, 天津 300222)

煤炭開采后將引起圍巖破碎垮落,變形失穩而產生位移、開裂,直至上覆巖土層整體移動變形、彎曲下沉,采動過程將在空間上形成性質復雜的采空區,而在地表形成移動下沉盆地。中外專家從不同的研究角度,依據不同的標準,進行了采掘引起的地面沉降影響范圍及采空區上覆巖層移動變形規律的研究[1-4],學者們對采動覆巖與地表移動變形特征的研究主要集中于理論分析與計算、相似材料模型實驗、數值模擬和監測等方面,方法較多,成果較為豐富[5-7]。通過干涉式合成孔徑雷達(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)時序處理Sentinel-1A影像技術,王智純等[8]開展了新疆西準噶爾沙吉海地區采空區地表形變時空特征研究。李學良[9]采用光纖-微震相結合的方法,對煤礦老采空區覆巖移動變形進行了監測研究,該實時監測能夠滿足預期監測目的。王曉蕾[10]等論述與分析了煤層開采地表沉陷監測及預測過程與技術方法。

對地表移動變形特征與松散層厚度的關系也開展了很多研究[11-13]。厚松散層下采煤地表移動規律有其獨特性,基巖和松散層存在一定的耦合關系。基巖的厚薄、能否形成對上覆土層的結構控制,都將影響著上覆巖土體結合程度和地表的移動變形特征[14]。許延春等[15]提出當松散層很厚時應按土層埋深和沉積年代分段劃分松散層移動角量。彭林軍等[16]通過對深部開采沉陷結構力學模型的研究,提出了盆地水平煤層地表沉陷的理論預測模型。彭世龍等[17]針對厚松散層薄基巖煤層開采建立了采動與底含疏降水共同作用下地表沉陷預計模型,探討了此條件開采地表沉陷特征及其主要影響因素。王永輝等[18]針對某煤礦巨厚松散層下開采沉陷問題,探索了地表變形規律和地下巖土體移動特征。上述成果豐富了礦山開采巖移理論,但對于特定條件的沉降變形區仍需開展有針對性的研究。

針對厚松散層下煤層開采覆巖及地表移動變形問題,以山東兗州礦區某煤礦的地質條件為研究背景,采用相似材料模型試驗,研究采動過程中覆巖破壞規律,監測地表及各層覆巖移動變形指標的變化,探索采掘結束后的地表持續變形特征。研究成果不僅對礦區工程建設用地及線路規劃選址提供技術依據,而且豐富了厚松散層這種特殊地質條件下開采地表移動變形規律的理論研究。

1 研究區地質條件

兗州礦區某煤礦,該區面積約2.2 km2,研究區煤系整體構造形態為一傾向東的單斜構造,地層有起伏形成寬緩的褶曲;井田內的大、中型斷層多以正斷層形式產出,且具有多期活動特征。該煤礦二疊系下統山西組,屬于一套過渡相、陸相碎屑巖含煤沉積建造,主采3煤層厚度為7.9～9.2 m,平均8.5 m,傾角0°～15°,平均8°,為近水平煤層。煤系地層上覆第四系厚度182.2～196.2 m,屬于厚松散層,3層煤上覆基巖厚30～80 m。3煤區北部較為普遍的分布有厚薄不等的底黏土層,鉆孔揭露厚度3.24～6.80 m,南部則局部分布,底黏土的賦存起到了阻隔第四系松散層底部含水層與基巖風化帶的水力聯系作用。基巖風化帶巖性以細砂巖為主,發育垂直小裂隙,但多為泥質充填,為弱含水層或微弱含水層基本干燥無水,開采過程中覆巖及地表移動變形時可忽略含水層突水造成的影響。

研究區煤礦3煤上覆巖層及土層可按其成因類型、巖性巖相、成層條件與厚度變化、結構特征以及物理力學特征等組合,進行工程地質巖(土)層(組)的劃分,由此概化地質原型,構建地質模型,為模型試驗的材料配比與鋪設奠定基礎。

2 相似材料模型設計

2.1 模型設計

本試驗以研究區煤礦9301工作面作為原型,位于礦區北部,所采煤層為二疊系山西組3煤,工作面煤層采厚2.2 m,工作面走向約1 600 m,斜長200 m。依據相似理論及模型架尺寸,取幾何相似比Cl=200,時間相似比Ct=14.14,根據原型與模型的應力比值,確定應力相似比Cσ=334,根據前三者可得到密度相似比Cγ=1.67。

試驗所采用的模型架400 cm(長)×30 cm(寬)×200 cm(高),根據模型設計尺寸調節其高度。模型設計采厚為1.1 cm,模型兩側各留設相應煤巖柱,底板鋪設厚度為20 cm,模型總高137.25 cm。

2.2 相似材料選擇

模型試驗的組成主要包括骨料和膠結物,本次試驗以河砂作為主要材料,即骨料;石膏,碳酸鈣作為膠結物;除此之外,考慮到煤層埋深較大,且上覆巖土層包含厚松散層,故以質量較輕的鋸末作為配料,用以模擬松散地層;另外,用云母粉及云母片起到分層的作用。依據礦區巖土樣物理力學指標(表1),按前述相似比制作不同巖土層材料配比試樣,并進行力學測試校核。

表1 巖土樣物理力學參數

2.3 監測設計

采用百分表及布設監測線的方式,共布設4層百分表,分別在地表以及距地表30、60、90 cm處,每層布設7個,共計28個百分表,等間距布設(圖1);另外,在模型表面布設位移監測點,采用固定機位拍攝法,對開采過程中的位移進行實時監測記錄,再通過計算機軟件對各測點進行后處理。

圖1 模型位移測點布設圖Fig.1 Layout of model displacement measuring points

3 試驗結果分析

3.1 覆巖破壞高度及變化情況

模擬開采時,對預先設置的煤層從左至右依次開挖,兩側留足尺邊界煤柱,每次開采5 cm,共開采40次,開采時間間隔3 h,開采總時間120 h。開采過程中覆巖變形破壞特征如圖2所示。

監測開挖至模型穩定覆巖變形破壞情況,可分4個階段,具體如下。

(1)初次垮落階段。當煤層開采35 cm(相當于實際開采70 m)時,模型直接頂板泥巖出現初次垮落。在此之前,由于工作面推進距離較短,未達到巖體破裂所需的臨界采寬,巖體未發生破壞。垮落后,巖體充填采空區,巖體內應力達到新的平衡。

(2)垮落帶發育階段。隨著工作面的持續向前推進,直接頂板巖體不斷垮落,直至工作面開采結束。在模型向前推進到70 cm時(對應實際開采距離140 m),垮落帶升高到3.8 cm,此后垮落帶只在橫向上發展,其豎向垮落高度保持不變。

(3)裂隙帶發育階段。伴隨著垮落帶的發育,其上部形成懸空,當懸空距離超過上覆砂巖破裂的臨界限度時,砂巖面出現破斷,由于下伏垮落帶的支撐作用,在煤柱兩側出現折斷,形成類似鉸接的結構。在工作面推進至50 cm(對應實際100 m)時,裂隙帶初次出現,并隨著工作面的推進快速向上發育。當推進至90 cm(對應實際180 m)裂隙帶發育至煤層上方18 cm(包含垮落帶)處,隨著采動的持續進行,在橫向上持續擴張。隨著下伏采空區面積擴大,垮落巖體被上覆裂隙帶巖體逐步壓實,而裂隙帶高度不再向上發育,裂隙帶與上覆巖層局部出現離層。

(4)覆巖移動變形階段。隨著采動距離增大,裂隙帶與上覆巖層產生的離層也在上覆巖層的彎曲變形中逐漸閉合。至工作面采長180 cm時,采空區中部產生的離層基本閉合,僅剩局部橫向裂縫。在工作面開采結束后,并未對模型架進行拆除,持續觀察覆巖(土)層在其自重作用下的緩慢變形發育。并對地表及覆巖移動變形繼續進行觀測,直至變形穩定,位移基本不再發生大的變化。

最終形成的垮落帶高度約為3.8 cm(相當于實際7.6 m),裂隙帶高度約為14.2 cm(相當于實際28.4 m)。經計算,模型的垮采比為3.5,裂采比為12.9。

3.2 地表及覆巖移動變形規律

礦井工作面推進到一定距離后,采空區所造成的巖移便波及地表,使工作面上方地表因采動而發生水平向及豎直向移動,形成范圍較工作面更大的下沉盆地。

通過在模型地表及各覆巖層設置位移測點,架設百分表,對地表及覆巖移動變形進行觀測。統計匯總移動變形數據并繪制成曲線(圖3、圖4),可較完整地呈現地表及覆巖(土)層在開采過程中的動態移動變形規律。

3.2.1 地表移動變形規律

經測量結果反映出的采動過程中各階段地表的移動變形情況如圖3所示,由此地表移動變形規律如下。

(1)最大下沉值基本位于采空區中央,下沉曲線沿中央中線大體上呈對稱分布;且隨著工作面向前推進,采動距離的擴大,下沉值呈快速增長,其地表下沉影響范圍也逐漸擴大,最大下沉值也隨著工作面的推進不斷沿著開采方向前移。水平移動曲線沿著采空區中央呈現反對稱,峰值基本處于礦柱上方地表處;且水平移動值的零點基本位于采空區中央區域,因采空區中央地表總體上只發生豎向的下沉,在水平方向移動量較小或不移動;隨著工作面的推進,水平移動值的零點也隨著工作面前移,左側峰值位置保持不變,僅隨著開采距離的增大而數值增加,右側的反向峰值位置及數值,隨著工作面推進不斷增大且前移。

(2)根據測得的下沉值及水平移動值,通過傾斜和曲率變形的計算公式進行計算,獲得傾斜和曲率變形曲線[圖3(c)、圖3(d)]。由傾斜變形曲線知,地表的傾斜變形與水平移動曲線呈現類似規律,都表現為沿著采空區中央呈反對稱的趨勢,且右側反方向傾斜值隨著采動推進增大前移。由圖3(d),地表曲率在推進至100～300 m時出現3個峰值,分別為位于兩側煤柱上方的兩個正曲率峰值以及位于采空區中央的負曲率峰值;當工作面推進至400 m時,曲線上仍是兩個正曲率峰值,分別位于兩側煤柱上方,而在負曲率部分,相較于前300 m開采,負曲率峰值有所減小,呈現波動狀態。

(3)隨著采動距離增大,地表盆地的影響范圍也在不斷擴大,地表最大下沉值、水平移動值、傾斜變形、曲率變形也逐漸增大,影響較為集中,收斂較緩慢,邊界處下沉趨勢仍較平緩。

3.2.2 不同層位覆巖移動規律

通過對不同層位的移動變形觀測,獲得終采階段地表及覆巖層的移動變形曲線(圖4),由此探索覆巖和地表的變形規律。

(1)通過對不同推進階段各層位的下沉曲線[圖4(a)、圖4(b)]分析知,豎向下沉值隨著覆巖深度的增大而增大,最大值均位于不同推進階段的采空區中央附近,呈對稱分布;各階段下沉值在煤柱上方收斂較快,位于煤柱一側的下沉值隨著深度的增大而略有減小,主要由于采空區影響范圍類似于碗狀結構,隨著距地表深度的增大,該區域位于地表邊界點與采空區邊界的連線外側,加之下方煤柱的支承作用,導致煤柱上方下沉值隨埋深增大而略有減小。隨著工作面的推進,地表及覆巖下沉值逐漸增大,且下沉曲線的形狀也由V字形變為類似U形。

(2)由于存在厚松散層,可觀測到不同松散層厚度處的移動變形情況,由圖4(b)可知,隨著測線越靠近地表,松散層厚度越大,下沉曲線越平緩,且影響范圍越大。這一現象也反映出在煤層開采過程中上覆厚松散層呈倒梯形下沉。

(3)由傾斜變形曲線[圖4(c)]與水平移動曲線[圖4(e)]可知,不同埋深的水平移動曲線及傾斜變形曲線呈現相似的規律,兩者均沿著采空區中央呈反對稱,同時有一正一負兩個峰值,在采空區中央附近的水平移動值較小,貼近于零值線。不同層位的水平移動值的極值均位于采空區煤柱上方附近,且隨著深度的增加,移動值減小;由于基巖層移動角大于松散層移動角,加之該研究區松散層較厚,地表水平移動變形值最大值偏向煤柱邊界外側,而地表下180 m處覆巖水平移動最大值偏向工作面上方。

(4)圖4(d)、圖4(f)為曲率變形及水平變形曲線,兩者趨勢大致相同,沿采空區中心軸線呈對稱分布,在煤柱上方出現最大值,隨著距地表深度的增大而增大,在采空區上方區域,兩者均回歸零值線附近,這是由于充分采動下地表及覆巖出現平底,故曲率及水平變形均在零值線上下徘徊。

通過對不同層位下沉值及水平移動值進行統計,綜合下沉曲線,通過式(1)、式(2),對此刻各層位的下沉系數及水平移動系數進行計算。計算結果如表2所示。

表2 不同埋深下下沉系數及水平移動系數Table 2 Subsidence coefficient and horizontal movement coefficient of different burial depths

(1)

(2)

式中:q為下沉系數;W為下沉值;M為采厚;α為煤層傾角;b為水平移動系數;U為水平移動值。

3.2.3 地表持續移動變形規律

停采后繼續通過百分表對地表下沉進行觀測,持續觀測時間以地表下沉移動變形期結束、殘余變形期開始作為最終的觀測時間點,即一般情況下以6個月內下沉值不超過30 mm為界限或下沉速度v<0.167 mm/d。對停采后不同時間的百分表數據進行統計,繪制持續下沉曲線(圖5),從圖5可以看出,停采后地表仍產生較大下沉位移。在持續下沉階段,采空區中央附近下沉值較大,在邊界處由于煤柱的支撐作用,持續下沉仍有發生但相對較小,且左右兩側的持續下沉量并不完全對稱,右側區域的持續下沉量比左側區域略大,主要由于開切眼位于左側,起始采動中,左側區域首先受到擾動,在后來的開采過程中已經伴隨了持續下沉,故在停采后的持續觀測階段左側區域相較于右側區域下沉值偏小。最大下沉量接近基巖層位的下沉值,采掘后的地表持續下沉值更多來源于厚松散層受擾動后的層內壓縮。

通過測點對地表水平移動分析,伴隨著地表下沉值的增大,水平移動值也緩慢增大,監測得到地表移動變形參數如表3所示。

4 結論

依托研究區煤礦地質原型,采用模型試驗,研究了厚松散層下煤層采動過程中地表及覆巖的移動變形規律。得出如下結論。

(1)通過對地表及不同埋深下地層的下沉及水平移動值對比,隨著埋深的增加,采空區中央區域的下沉值不斷增大,厚松散層在煤層開采過程中,隨著基巖頂板的垮落、彎曲,松散層呈現倒梯形下沉,隨著松散層厚度的增大,下沉曲線更加平緩、下沉值減小、影響范圍增大;水平移動值在煤柱上方隨著深度的增大而減小,距離頂板較近的層位水平移動最大值偏向工作面上方,而非煤柱正上方;下沉系數隨著埋深增大而增大,水平移動系數隨著埋深增大而減小。在煤層采厚2.2 m條件下,觀測獲得地表的最大下沉值為1 447.6 mm,最大水平移動值為394.6 mm。

(2)松散層的移動變形是基巖下沉與松散層壓縮疊加造成的,在采掘結束后的持續變形階段,松散層壓縮導致的移動變形值在整體移動變形上占比增大;基巖層的移動變形主要受煤層開采的影響,整體呈正梯形。厚松散層礦區的下沉盆地更加平緩,影響范圍更大,厚松散層的緩慢壓縮致使殘余下沉時間更長。

(3)對覆巖破壞規律進行分析,可將覆巖破壞分為4個階段:初次垮落階段,垮落帶發育階段,裂隙帶發育階段,覆巖穩定變形階段;觀測獲得垮落帶與裂隙帶高度分別為7.6 m和28.4 m,垮采比3.5,裂采比12.9。

(4)通過對開采后的模型持續觀測,地表的持續變形呈現出采空區中央附近持續下沉較大,水平移動值伴隨著厚松散層在自重作用下的壓縮不斷增大,但整體發育緩慢,監測結果可獲得其移動變形基本指標的量化值。