采空区覆岩破坏变形特征研究

2021-03-22陈旭江

煤 2021年3期

陈旭江

(山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西晋城 048006)

随着回采工作面的推进，致使采空区上覆岩层、体失稳、移动、变形和破坏，并发生有规律的错断、垮落、沉降，垂向上由下往上依次形成垮落带(垮落带)、裂隙带(卸压裂隙带)及弯曲下沉带三个特征明显的区带(简称“竖三带”)[1-2]。煤岩裂隙是煤矿瓦斯运移(解吸、扩散)、渗透的主要通道[3]，准确预测和划分“竖三带”，特别是跨落带、裂隙带范围的确定，是井上下抽采钻孔终孔层位优选及布置、煤矿开采上限、采煤工艺、矿井水防治、采煤可行性研究和应用、突出矿井解放层选择开采设计、邻近层瓦斯抽采研究的一项关键且基础性工作[4-7]。

采矿活动是一个复杂物理、力学变化过程，“竖三带”的发育特征受采高及开采强度、回采工作面几何尺寸、覆岩性质及力学特征、采煤工艺等多因素影响，导致不同采空区竖三带发育特征具有显著差异性[8-10]。在长期的采矿实践中，学者们对采矿“竖三带”进行了大量研究，形成了经验公式-理论分析[11]、数值仿真模拟[12]、相似模拟[13]及现场探测[14]等多种技术研究方法，为采空区覆岩“竖三带”预测与划分提供了理论和技术支撑。本文以晋城矿区成庄矿4322综采工作面为工程背景，运用真实破裂过程分析软件RFPA2D对采空区上覆岩层的破坏变形过程进行了数值仿真模拟，掌握了采空区覆岩破坏动态变形规律，并对“竖三带”发育范围进行了划分，研究结果为瓦斯抽采钻孔、井抽采层位优选及布置、矿井水防治、矿井煤炭开采等提供理论和技术支撑。

1 研究工作面基本概况

成庄矿4322综采工作面位于该矿中部四盘区，四邻关系为东邻4320综采工作面，西为4308综采工作面，南为4305、4306综采工作面，北为2321、2322综采工作面，四邻工作面均已回采完毕。开采煤层为3号煤层，厚度5.43～7.68 m，平均6.41 m，采煤工艺为综合机械化放顶煤，直接垮落法管理顶板。煤层底板标高最低498 m，最高545 m，二者相差47 m。工作面走向长度为1 137.65 m，倾向长度为278.3 m，煤层倾角为1～5°，平均3°，为近水平煤层。3号煤层的伪顶为泥岩，直接顶为粉砂岩，老顶为细粒-中粒砂岩及砂质泥岩，属于硬质岩石-软质岩石类型，顶板岩性及物理力学特性测试参数见表1所示。

表1 成庄矿3号煤层顶板岩性及物理力学特性参数

2 采空区覆岩破坏变形基础理论

随着工作面回采的持续进行和不断推进，上覆岩层会随着煤炭的不断采出而发生失稳，进而发生顶板垮落、形成离层和裂隙、岩层破断、岩体下沉弯曲等一系列复杂过程[15]。国内外学者对采空区覆岩移动、破坏及变形规律进行了大量研究，Palchik V[16]认为工作面回采后覆岩存在三个特征不同移动带；国内学者刘天泉[17]、钱鸣高[18]、黄志安[19]等根据采空区覆岩在横向、垂向的破坏变形特征和应力场分布特点，提出了“横三区”和“竖三带”(图1)；同时，还形成了岩层关键层控制理论[20-21]、岩板理论[22]、传递岩梁假说[23-24]、砌体梁理论[25-26]等诸多学术理论或假说。在上述理论研究基础上，覆岩“竖三带”理论在矿井瓦斯抽采和防治方面研究更为深入、应用最为广泛。采空区覆岩裂隙发育程度、类型及分布特征不同，造成采空区瓦斯在“竖三带”中的运移、聚集和赋存特征有所差异[27]。垮落带中竖向破断裂隙极为发育，瓦斯主要来自邻近煤岩层和本煤层，因垮落带位于“竖三带”最下部且与采空区直接“接触”，采空区存在大量空气造成该带瓦斯浓度较低；裂隙带内不同层段裂隙发育程度及类型有所差异，其中，裂隙带下部则以竖向破断裂隙发育为主，上部主要发育离层裂隙，裂隙带的中下部离层裂隙和竖向破断裂隙相互沟通，为瓦斯的运移和聚集提供了良好通道和储集空间，该带瓦斯易于聚集且浓度较高，是瓦斯抽采的目标层位。裂隙带上部因竖向裂隙不发育，只有少量高浓度瓦斯聚集在离层裂隙中。弯曲下沉带仅发生岩层的弯曲沉降，带内裂隙不发育，仅有极少量邻近层或围岩解吸的高瓦斯运移至该带，但基本不会对矿井瓦斯抽采和防治造成影响。

A—煤壁支撑影响区(a-b)；B—离层区(b-c)；C—重新压实区(c-d)；Ⅰ—垮落带；Ⅱ—裂隙带；Ⅲ —弯曲下沉带；α—煤壁支撑影响角

3 采空区覆岩破坏变形特征研究

3.1 研究方法

采空区覆岩失稳破断及裂隙形成是一个非线性变形和动态演化过程，涉及复杂的物理力学问题[28-29]，目前尚缺乏对天然岩体的非均质、非弹性、非连续性、各向异性及物理力学的非线性本质认识和解释，导致一般试验设备和试验方法不能够对大型的采场运动规律进行研究。真实破裂过程分析软件RFPA2D具备有限差分法、有限单元法、边界元法、半解析元法、离散元法等多种程序算法，并充分考虑了岩石破坏变形过程中的非均质、非弹性、非连续性和各向异性，可有效解决采空区覆岩破坏变形复杂工程问题，因而在采动、采空区覆岩破坏变形研究方面应用较多，有力指导了生产实践[30-33]。为此，本文采用真实破裂过程分析软件RFPA2D对成庄矿4322综采工作面采空区覆岩破坏变形特征进行数值仿真模拟研究。

3.2 数值仿真模型构建及模拟

真实破裂过程分析软件RFPA2D数值仿真模拟模型构建程序工作流程为：首先要基于研究工作面实际尺寸、围岩岩性及围岩物理力学特性测定参数(表2)进行实体建模和网格划分，而后输入边界条件和加载控制参数，并输入基元性质数据，形成刚度矩阵，实现应力、应变分析。最后进行相变分析，形成新的、用于迭代计算的整体介质各基元的物理力学参数。

表2 成庄矿4322综采工作面覆岩岩性及物理力学特性

按照RFPA2D数值仿真模拟模型构建程序工作流程，构建了成庄矿4322综采工作面采空区覆岩破坏变形特征数值仿真模拟岩土本构模型：为了节约数值仿真模拟试验时间且不影响试验结果精准性，工作面尺寸设置为长300 m，高120 m，模型共划分为36 000(300×120)个单元网格，构建成垂向剖面模型图(图2)。

图2 成庄矿4322综采工作面采空区覆岩破坏变形特征数值仿真模拟模型

模型采用分步开挖的方式，每步8 m(即每开挖1步，工作面回采推进8 m)，每开挖1步停留1 h，整个模拟过程共开挖35步工作面回采推进280 m，回采推进距离大于工作面切巷长度278.2 m，这样避免了见方垮落现象。为了更加真实反映采矿应力的分布及其演化特征，根据覆岩的厚度在构建的模型顶部增加了一个等效重力块。同时，边界条件设定为两端水平约束，垂直方向自重加载，底端固定。

3.3 数值仿真模拟结果分析

通过数值仿真模拟，得到了成庄矿4322综采工作面回采后覆岩破坏变形特征(图3(a)-(f))。从数值仿真模拟可知，工作面回采后，覆岩的原位状态被打破，首先在伪顶、直接顶及其之上岩层间先后出现离层裂隙，同时，在靠近工作面和切眼的两侧受采动拉应力作用影响，形成了与岩层面近似垂直、斜交的竖向破断裂隙。随着回采的持续进行和推进，竖向破断裂隙越发发育，而后贯穿整个伪顶和直接顶，伪顶、直接顶先后形成分层断裂后、失稳，并发生不规则崩塌垮落，在开挖第35次，工作面回采推进280 m时，采空区覆岩垮落基本稳定，垮落带发育高度在20 m左右，最高可达24 m(约3～4倍采高)。在垮落带形成过程中，破断离层裂隙和竖向裂隙在老顶中逐渐发育，裂隙带最大发育高度可达56 m(约9倍采高)。在老顶的跨距达到其极限跨距前，则以“假塑性梁”的形式承载着上部载荷，同时，在老顶的上部软岩层协同下发生弯曲下沉，导致大量的离层裂隙形成，最终形成弯曲下沉带。