祝 琨,白國(guó)良

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團(tuán)北京土地整治與生態(tài)修復(fù)科技研究院有限公司，北京 100013；3.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

煤炭是我國(guó)的基礎(chǔ)能源和重要原料，2019年我國(guó)煤炭年產(chǎn)量38.5億t，占世界總產(chǎn)量的47%，占我國(guó)一次能源比例約為57.7%，相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，煤炭作為主體能源地位不會(huì)變化[1]。

隨著多年的開(kāi)采，我國(guó)東部地區(qū)煤炭資源逐步枯竭，開(kāi)采條件日漸復(fù)雜，生產(chǎn)成本不斷提高，近些年來(lái)，我國(guó)煤炭開(kāi)采業(yè)的中心向西部轉(zhuǎn)移。根據(jù)煤炭工業(yè)發(fā)展規(guī)劃，“十三五”期間化解淘汰過(guò)剩落后產(chǎn)能8億t/a左右，2016年實(shí)際已退出煤炭產(chǎn)能或超過(guò)3億t，關(guān)閉礦井4 800余處，2017年，內(nèi)蒙、山西、陜西、貴州、新疆等關(guān)閉煤礦近1 000處[2]。

伴隨著礦井關(guān)閉，礦井涌水停止排泄，地下水水位將逐漸上升，采空區(qū)充水后覆巖移動(dòng)變形規(guī)律以及是否會(huì)產(chǎn)生二次塌陷是礦區(qū)生態(tài)修復(fù)研究者密切關(guān)心的問(wèn)題，但目前對(duì)于采空區(qū)充水后覆巖移動(dòng)變形規(guī)律可借鑒的成果較少，相關(guān)研究表明采用相似材料模擬采動(dòng)覆巖移動(dòng)和變形是可行的[3-4]，本文通過(guò)相似材料模擬對(duì)采空區(qū)充水后覆巖移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究。

1 相似材料物理模型的建立

以淮北煤田某礦地質(zhì)采礦條件為原型建立相似材料模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，模擬采深(H)200 m，采厚(M)5.00 m，采用3 000 mm×2 000 mm的二維相似材料模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行。

試驗(yàn)幾何相似常數(shù)取為αl=200；容重相似常數(shù)取為αγ=1.5；應(yīng)力相似常數(shù)ασ=αl×αγ=200×1.5=300；時(shí)間相似常數(shù)為αt=αl1/2=14。根據(jù)研究區(qū)鉆孔柱狀圖地層巖性選擇實(shí)驗(yàn)相似材料的配比[5]，相似材料模型各巖(煤)層厚度及強(qiáng)度指標(biāo)如表1所示。

表1 各巖(煤)層厚度及強(qiáng)度指標(biāo)

模型在頂板各巖層布置位移測(cè)點(diǎn)，水平方向測(cè)線11條，垂向測(cè)線29條，共計(jì)319個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖1所示。試驗(yàn)中使用三維光學(xué)攝影測(cè)量系統(tǒng)對(duì)模型表面位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖1 模型測(cè)點(diǎn)布置

在覆巖內(nèi)埋設(shè)土壓力盒，試驗(yàn)中采用YJZ-32A 智能數(shù)字應(yīng)變儀對(duì)應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。模擬開(kāi)采工作面3個(gè)，工作面長(zhǎng)度600 mm，區(qū)段煤柱25 mm，工作面開(kāi)采采用一次采空的方式，自左向右依次開(kāi)挖，采空區(qū)位置及土壓力盒埋設(shè)位置如圖2所示。

圖2 土壓力盒及工作面布置圖/mm

2 充水影響下覆巖移動(dòng)模擬與分析

堆筑模型時(shí)，在煤層底部鋪設(shè)土工布，模型前后兩側(cè)預(yù)留一定長(zhǎng)度的土工布。模擬第一階段對(duì)3個(gè)工作面進(jìn)行常規(guī)的開(kāi)挖，進(jìn)行光學(xué)數(shù)據(jù)的采集，分析巖層移動(dòng)規(guī)律，當(dāng)巖層移動(dòng)穩(wěn)沉后，向上卷起土工布，沿土工布逐步向采空區(qū)內(nèi)注水，模擬地下水浸入采空區(qū)，地下水浸入標(biāo)高控制在采動(dòng)煤層范圍，浸水后每天進(jìn)行光學(xué)數(shù)據(jù)的采集與土壓力值測(cè)記，持續(xù)一星期時(shí)間。

為了進(jìn)一步說(shuō)明浸水對(duì)覆巖下沉的影響，將浸水前后的下沉值相減，得到浸水影響下覆巖下沉變化值，根據(jù)“三帶”理論，受采空區(qū)充水的影響，位于導(dǎo)水裂縫帶內(nèi)H行測(cè)點(diǎn)下沉值增加情況轉(zhuǎn)化為原型值如圖3所示。

圖3 充水后H行測(cè)點(diǎn)下沉值增加曲線

由圖可知，采空區(qū)充水后導(dǎo)水裂縫帶內(nèi)覆巖下沉值增加相對(duì)明顯，這表明采動(dòng)覆巖在多年自然重力作用下處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，但采動(dòng)巖體導(dǎo)水裂縫帶內(nèi)孔裂隙依然存在，在采空區(qū)充水后水分向上運(yùn)移，如圖4所示，圖中深色部分為注水后相似材料模型浸濕部分，上覆巖體遇水軟化，孔裂隙進(jìn)一步壓實(shí)，巖體下沉值增加[6-7]。

圖4 采空區(qū)充水后模型照片

3 覆巖壓力變化規(guī)律

采空區(qū)充水后導(dǎo)水裂縫帶內(nèi)壓力盒壓力變化如圖5所示，由圖可知，充水后導(dǎo)水裂縫帶內(nèi)巖體壓力不斷增加，壓力呈周期性變化，振幅逐漸減小。這表明采空區(qū)充水后巖體遇水軟化，巖體強(qiáng)度降低[8]，在上覆巖層壓力的作用下，巖體進(jìn)一步壓實(shí)，部分測(cè)點(diǎn)壓力接近原巖壓力[9]，但也有部分測(cè)點(diǎn)壓力相對(duì)較小，這表明在導(dǎo)水裂縫帶內(nèi)由于孔裂隙及離層的存在使巖層壓力相對(duì)較低。

圖5 導(dǎo)水裂縫帶巖層壓力變化曲線

充水后彎曲帶內(nèi)壓力盒壓力變化如圖6所示，由圖可知，采空區(qū)充水后彎曲帶內(nèi)壓力增加，這表明由于礦井正常排水期間導(dǎo)水裂縫帶內(nèi)的水體已滲入采空區(qū)，巖體為干燥狀態(tài)，當(dāng)浸水后巖體遇水膨脹，壓力增加，但壓力并未隨采空區(qū)充水時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，這也表明當(dāng)?shù)V井關(guān)閉后地下水位回升，導(dǎo)水裂縫帶內(nèi)覆巖會(huì)出現(xiàn)壓力增加的現(xiàn)象。

圖6 彎曲下沉帶巖層壓力變化曲線

充水后第四系土層內(nèi)壓力盒壓力變化如圖7所示，由圖可知，第四系土層內(nèi)壓力變化并不明顯，導(dǎo)水裂縫帶巖體的膨脹變形僅使彎曲帶內(nèi)離層裂隙進(jìn)一步閉合，但并未反應(yīng)至地表。

圖7 第四系土層壓力變化曲線

4 水對(duì)巖體的軟化作用研究

水對(duì)巖體的抗壓強(qiáng)度起著明顯的影響。當(dāng)水侵入巖體時(shí)，水就順著裂隙孔隙進(jìn)入，潤(rùn)濕巖體全部自由面上的每個(gè)礦物顆粒。由于水分子的侵入改變了巖體物理狀態(tài)，削弱了粒間聯(lián)系，使強(qiáng)度降低。其降低程度取決于孔隙和裂隙的狀況、組成巖石的礦物成分的親水性和水分含量、水的物理化學(xué)性質(zhì)等。因此，巖石受水飽和狀態(tài)試件的抗壓強(qiáng)度(濕抗壓強(qiáng)度)和干燥狀態(tài)試件的抗壓強(qiáng)度是不同的[10]。

水對(duì)巖體強(qiáng)度的降低也可以通過(guò)靜水壓力對(duì)巖體產(chǎn)生的有效應(yīng)力進(jìn)行解釋。根據(jù)Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，當(dāng)巖體孔隙及裂隙上作用有水壓力時(shí)，其有效正應(yīng)力為σe=σ-αp，則此時(shí)巖體強(qiáng)度公式表示為[11-12]：

τ=(σ-αp)tgφ+C=σtgφ+(C-αptgφ)

(1)

上式可寫(xiě)成：

τ=σtgφ+Cw

(2)

式中，Cw為水影響后巖體的內(nèi)聚力。

Cw=C-αptgφ

(3)

按Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，干燥巖體單軸抗壓強(qiáng)度Rd與內(nèi)聚力C、內(nèi)摩擦角φ有如下關(guān)系：

Rd=2Ccosφ/(1-sinφ)

(4)

當(dāng)巖體內(nèi)有孔隙壓力p時(shí)，經(jīng)按有效應(yīng)力推導(dǎo)，其單軸濕抗壓強(qiáng)度Rw為：

Rw=Rd-2psinφ/(1-sinφ)

(5)

由式(3)和式(5)可知，水壓作用下巖石內(nèi)聚力減小了αptgφ，抗壓強(qiáng)度減小了2psinφ/(1-sinφ)。當(dāng)p不為0時(shí)，巖體濕抗壓強(qiáng)度恒小于巖體干抗壓強(qiáng)度。軟化系數(shù)λs為：

λs=Rw/Rd=1-(p/C)tanφ

(6)

式(6)表明，C必須大于ptanφ，否則λs為負(fù)值；孔隙壓力愈大，軟化系數(shù)愈小，當(dāng)p=0時(shí)，λs=1。因此，采空區(qū)充水后，水壓作用下巖體內(nèi)聚力和抗壓強(qiáng)度減小，充水壓力越大巖體強(qiáng)度越低。

巖樣的抗壓強(qiáng)度隨浸水時(shí)間變化的實(shí)測(cè)結(jié)果也表明，巖石浸水后強(qiáng)度明顯降低，但在浸水2～4 d后巖石強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，這表明隨著水分的浸入，礦物顆粒之間的毛細(xì)管力、表面張力降低，使得巖石內(nèi)部黏結(jié)力降低，宏觀上則體現(xiàn)為巖石發(fā)生軟化[13]。不同的巖性其降低幅度是不一樣的，砂巖、泥頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度降低30%～40%，泥巖抗壓強(qiáng)度降低50%～60%，這對(duì)工程實(shí)際具有指導(dǎo)意義。

5 結(jié) 論

(1)采空區(qū)充水后，水壓力作用下巖體內(nèi)聚力和抗壓強(qiáng)度減小，充水壓力越大巖體強(qiáng)度越低。

(2)采空區(qū)充水后水分向上運(yùn)移，導(dǎo)水裂縫帶的巖體遇水軟化，孔裂隙進(jìn)一步壓實(shí)，巖體下沉值增加；在開(kāi)采區(qū)域外巖層出現(xiàn)了顯現(xiàn)的上升現(xiàn)象。

(3)采空區(qū)充水后導(dǎo)水裂縫帶內(nèi)巖體壓力不斷增加，壓力變化呈周期性變化，振幅逐漸減小。

(4)采空區(qū)充水對(duì)第四系或地表的影響并不明顯，不會(huì)出現(xiàn)地表下沉值大幅增加或突然塌陷等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。