基于板壳理论的充填开采覆岩导水断裂带发育规律

2021-02-05秦洪岩王海东尹志辉欧阳振华李雪冰

煤矿安全 2021年1期

秦洪岩，王海东，张帆，尹志辉，欧阳振华，张峰，李雪冰

（1.华北科技学院安全工程学院，北京101601；2.沈阳焦煤股份有限公司西马煤矿，辽宁沈阳221116;3.辽宁工程技术大学采矿技术研究院，辽宁阜新123000）

在以往的覆岩变形破坏规律研究中，主要集中在壁式垮落法的覆岩变形破坏规律上，对于开采0.8 m 以下小采厚和充填的覆岩变形破坏规律的研究则相对较少[1-3]。充填开采实质上是通过降低“采高”达到减少覆岩变形破坏程度的目的，到目前为止，仍没有明确描述充填开采覆岩变形破坏规律的研究成果。

采空区充填的主要作用是缓解采场矿山压力和减少覆岩及地表的变形破坏，但不同的充填效果肯定会对覆岩变形破坏产生不同的影响，当充填体达到一定高度时，垮落带将消失，仅有断裂带和弯曲下沉带。那么，“两带”和“三带”的覆岩变形破坏的区别、垮落带消失的条件，以及充填开采覆岩断裂带的发育过程等都值得深入的研究。

1 理论分析

关键层指变形挠度小于其下部岩层，不与下部岩层协调变形，对上部岩层的变形破坏具有控制作用的岩层[4-5]。当关键层发生断裂变形时其承载的“软弱”岩层会与之发生协调变形。根据关键层在覆岩变形破坏过程中的作用，可见其对覆岩裂缝发育具有决定性的作用。

关键层内力示意图如图1。设关键层的中面为xy 平面，在z＞0 的一面为上表面，z＜0 的一面为下表面。假设关键层厚度H 是均匀分布的，而且应力在上表面也是均匀施加的。

图1 关键层内力示意图Fig.1 Schematic diagram of internal force of competent bed

应用板壳理论分析关键层在z 方向的平衡方程如式（1）[6-8]：

式中：w 为z 方向的位移，m；Nx、Nxy、Ny为关键层的内力，N；C为关键层的剪切刚度，N/m，C=GH；G为剪切模量，MPa；Q 为均布载荷，MPa；ψx、ψy为中间变量。

式中：Qx、Qy分别为关键层中的x 方向和y 方向的剪力，N。

断裂带高度判断流程如图2。断裂带是否向上发育主要受到关键层是否断裂的影响，工作面推进到某位置，极限位移小于自由空间高度，而且极限载荷小于关键层所承受的载荷时则关键层发生断裂，再分析上1 个关键层的断裂情况，依次类推，直到关键层不断裂，则断裂带停止向上发育[9-14]。

图2 断裂带高度判断流程Fig.2 Flow chart of judging height of water conducted zone

关键层断裂会使得受其控制的软弱岩层与之协调变形；关键层不断裂时其上方控制的软弱岩层一定不会发生破坏。从图2 中可看出，当关键层的临界载荷大于等于上覆载荷，且极限位移大于等于自由空间高度时发生断裂。随着工作面的推进上覆载荷最终一定会达到临界载荷，那么最终影响关键层断裂的变量就是自由空间高度。采厚决定着关键层下方的自由空间高度，自由空间高度决定着关键层的断裂与否。随着采厚的增加关键层下方的自由空间高度会增加，当自由空间高度的量变累积达到了极限位移时其会发生断裂，此时断裂带会突然向上发育。据此得出随着采厚的增加，断裂带是逐层向上发育，而不是随着采厚的增加渐进式发育。

2 模拟分析

2.1 工程概况

1327 工作面位于-350 m 水平南一采区，开采位于工业广场保护煤柱内的13#煤层。地表平均标高为+18.5 m，工作面煤层标高为-397～-497 m，平均埋深为447 m。工作面平均长137.4 m，倾斜推进长度501.9 m，面积为70 255 m2。煤层赋存厚度为1.4～2.2 m，平均采厚1.811 m。工作面可采储量为9.27 万t，回采率为97 %；工作面为单斜构造，倾角3°。开采影响的地表范围内主要为工业广场和农田，工业广场内主要建筑物有电缆架桥、洗煤厂主洗车间、介质库、油泵房、浓缩车间、备用水池、油罐房等，为保护地表等建筑物。为保障开采过程中的地表建筑物安全，采用膏体充填的方式回收资源。根据1327 工作面等效采高的计算模型，确定现有开采技术条件下的等效采高为0.399 m。

根据1327 工作面附近的5 个钻孔，整理出工作面顶板50 m 范围内的煤岩层分布情况，根据西马煤矿测试的岩石力学参数，得到的1327 工作面覆岩岩石力学参数见表1。

表1 1327 工作面覆岩岩石力学参数Table 1 Overlying strata rock mechanics parameters at 1327 working face

2.2 模拟结果分析

采用UDEC 模拟软件，按照1327 工作面的具体地质采矿条件，只变换充填高度分析覆岩应力分布和变形破坏随之变化的规律和特征。选择9 个方案进行分析，充填高度分别为0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7 m。根据1327 工作面等效采高计算模型反推得到的各个充填高度对应的等效采高分别为0.933、0.837、0.740、0.644、0.547、0.451、0.355、0.258、0.162 m。

在模拟过程中发现，等效采高为0.162、0.258、0.355 m 时第1 层关键层断裂（充填高度分别为1.7、1.6、1.5 m）；等效采高为0.451、0.547 m 时第2层关键层断裂（充填高度分别为1.4、1.3 m）；等效采高为0.644、0.740、0.837、0.933 m 时第3 层关键层断裂（充填高度分别为1.2、1.1、1.0、0.9 m）。为得到充填开采中断裂带和垮落带发育高度与等效采高之间的关系，以及等效采高对来压步距的影响。对断裂带高度和垮落带高度数据的进行整理分析，分别绘制出的破坏范围随等效采高变化曲线如图3。

图3 破坏范围随等效采高变化曲线Fig.3 Curves of the variation of failure zone with the changing of equivalent-mining height

从图3 中可以看出，随着等效采高的不断增加，断裂带和垮落带高度不断增加，在增加的过程中出现了跳变现象。

等效采高在0.162～0.547 m 时垮落带的高度为0 m，当等效采高由0.547 m 增加到0.644 m 时垮落带的高度突然增加，由0 m 突然增加到1.9 m。等效采高在0.644～0.933 m 之间时垮落带稳定在1.9～2.6 m。由上述的垮落带高度的变化过程可以得出，等效采高在0.547～0.644 m 之间存在着1 个临界值，突破该临界值会突然出现岩层的垮落，垮落带高度突然增加。

等效采高在0.162～0.355 m 时断裂带高度的变化范围是2.0～2.6 m，当等效采高由0.355 m 增加到0.451 m 时断裂带高度突然增加，由2.6 m 突然增加到10.9 m。等效采高在0.451～0.547 m 时断裂带的高度稳定在10.9～12.4 m，当等效采高由0.547 m 增加到0.644 m 时，断裂带高度由12.4 m 激增到19.4 m。等效采高在0.644～0.933 m 之间变化时，断裂带高度的变化范围是19.4～20.7 m。由断裂带随着等效采高的变化过程可看出，在0.355～0.451 m 和0.547～0.644 m 2 个区间内存在着临界值，突破该临界值关键层会出现断裂，断裂带高度突然增加。

由上述断裂带和垮落带的模拟结果可以看出，覆岩的“两带”发育随着等效采高的变化存在着临界效应。也可总结为“充填体高度的量变，会引起覆岩变形破坏高度的质变”。

3 实测分析

3.1 观测方案

观测仪器选择ZXZ20 矿用钻孔成像装置，可用于煤层顶板地质构造、煤层赋存、工作面前方断层构造、上覆岩层导水断裂带等的探测，ZXZ20 矿用钻孔成像装置如图4。该仪器方便实用，易于携带。在探测前先向顶板打钻孔，并用水将钻孔清洗干净，降尘降湿后将微型摄像头沿着钻孔由外向内探测，并实时记录下探测结果，将探测的图像在仪器内储存，方便日后分析。

图4 ZXZ20 矿用钻孔成像装置Fig.4 ZXZ20 mine borehole imaging device

在1327 工作面的运输巷布置2 组测站，每组3个，共6 个钻孔对顶板破坏情况进行观测。1#～3#为第1 组，第1 组测孔距离开切眼135.0 m。第2 组观测孔为4#～6#钻孔，距离开切眼168.4 m。观测过程中同时记录下工作面与观测孔间的距离。每组观测孔的各个钻孔角度不同，第1 组的3 个钻孔分别与顶板成47°、42°、38°，各个钻孔的深度分别为23、22、24 m，第2 组3 个钻孔分别与顶板成65°、59°、54°，钻孔深度分别为19、23、18 m，钻孔布置图如图5。

3.2 观测结果分析

在工作面的每个钻孔施工完成后立即进行观测，以后每天观测1 次。每次观测时记录当时工作面推进的位置，并且记录下各钻孔每次观测时的顶板破坏的最大位置。

图5 钻孔布置图Fig.5 Borehole layout

3.2.1 第1 组钻孔1#～3#钻孔在工作面推进过程中不断的进行观测，随着工作面不断推进，当工作面与3 个钻孔的距离为18.9 m 时出现了断裂带迅速向上扩展，在1#～3#3 个测孔中窥视仪所捕捉的孔壁破坏后裂缝发育最深位置18.9 m 时的影像如图6～图8。

图6 工作面推进过程中1#钻孔探测深度13.1 mFig.6 Investigation depth is 13.1 m at 1# drilling in the process of working face advance

图7 工作面推进过程中2#钻孔探测深度14.0 mFig.7 Investigation depth is 14.0 m at 2# drilling in the process of working face advance

图8 工作面推进过程中3#钻孔探测深度15.9 mFig.8 Investigation depth is 15.9 m at 3# drilling in the process of working face advance

观测过程中记录工作面与钻孔距离为16.2 m时覆岩都保持着完整状态，没有裂缝出现。从图6～图8 中可以看出，当工作面与钻孔距离为18.9 m时，1#钻孔出现横向裂隙，2#钻孔出现了2 个横向裂隙，3#钻孔出现了多个纵向裂隙。说明在钻孔与工作面距离16.2 m 增加到18.9 m 的过程中，出现了顶板突然断裂现象，造成断裂带迅速向上发育。

由于钻孔都存在着角度，将1#～3#钻孔在整个观测过程中记录的最大深度换算成覆岩破坏的最大高度，以钻孔与工作面之间的距离为变量，以覆岩破坏高度为因变量，绘制的第1 组钻孔观测断裂带高度发育过程如图9。

图9 第1 组钻孔观测断裂带高度发育过程Fig.9 Fault zone height developmental process based on the first set of drilling

从图9 可以看出，当钻孔与工作面之间距离小于16.2 m 时，断裂带高度发育很慢，当工作面与钻孔距离增加到18.9 m 时断裂带高度突然增加。工作面继续推进，钻孔与工作面之间的距离不断变大，但此后裂隙最深位置稳定，断裂带停止向上发育，3 个钻孔观测到的最大断裂带高度为10.7 m。

3.2.2 第2 组钻孔

4#～6#钻孔在工作面推进过程中不断的进行观测，随着工作面不断推进，当工作面与3 个钻孔的距离为17.2 m 时出现了断裂带突然向上发育现象，4#～6#3 个钻孔通过窥测孔观测到出现裂缝最深位置的截图如图10～图12。

图10 工作面推进过程中4#钻孔探测深度10.8 mFig.10 Investigation depth is 10.8 m at 4# drilling in the process of working face advance

图11 工作面推进过程中5#钻孔探测深度11.9 mFig.11 Investigation depth is 11.9 m at 5# drilling in the process of working face advance

图12 工作面推进过程中6#钻孔探测深度10.9 mFig.12 Investigation depth is 10.9 m at 6# drilling in the process of working face advance

观测过程中记录工作面与钻孔距离为14.8 m时覆岩都保持着完整状态，没有裂缝出现。从图10～图12 中可以看出，当工作面与钻孔距离为17.2 m时4#钻孔出现了纵向裂隙，5#和6#钻孔出现了不同程度的横向裂缝。说明在钻孔与工作面距离14.8 m增加大17.2 m 的过程中，出现了顶板突然断裂现象，造成断裂带迅速向上发育。

由于钻孔存在角度，将4#～6#3 个钻孔在整个观测过程中记录的最大深度换算成覆岩破坏的最大高度，第2 组钻孔观测断裂带高度发育过程如图13。

图13 第2 组钻孔观测断裂带高度发育过程Fig.13 Fault zone height developmental process based on the second set of drilling

从图13 中可以看出，当钻孔与工作面之间距离小于14.8 m 时，断裂带高度发育很慢，当工作面与钻孔距离增加到17.2 m 时断裂带高度突然增加。工作面继续推进，钻孔与工作面之间的距离不断变大，此后断裂带高度各有1 次小幅增大，之后稳定不再发育，3 个钻孔观测到的最大裂隙带高度为10.5 m。

通过2 组钻孔的分析，得出断裂带最大高度为10.7 m。而且在6 个钻孔观测的过程中，每个钻孔都只出现了裂缝，岩层都没有出现层位错动或散落的现象，说明整个充填开采过程中覆岩没有垮落带。这一点可由回风巷留巷内的充填体与顶板的接合状态证明，充填后覆岩结构如图14。由图14 可以看出，充填体与顶板直接接合，仅有很窄的缝隙。以上事实与理论和数值模拟分析得到的断裂带高度和不存在垮落带的结论一致。