劉志高，張守寶，皇甫龍

(中國礦業(yè)大學(北京) 能源與礦業(yè)學院，北京 100083)

煤礦工作面開采引起上覆巖層移動和破壞從而導致采動覆巖發(fā)生有規(guī)律的冒落、斷裂、下沉，形成“上三帶”[1-3]。采動覆巖“豎三帶”的準確劃分是采空區(qū)上方地基穩(wěn)定性評估及“三下”煤礦開采可行性的重要評判依據(jù)[2]。騰達煤礦位于新疆自治區(qū)，依據(jù)自治區(qū)現(xiàn)代化標準煤礦建設規(guī)定，煤礦應建立煤層、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)等完善的資料數(shù)據(jù)庫，對煤礦地質(zhì)條件進行超前預測和地質(zhì)評價。因此，研究采場上覆巖層運移規(guī)律，準確評估覆巖“豎三帶”分布范圍對礦井工程實踐具有重要的指導意義[4-6]。目前，國內(nèi)外學者對采場覆巖結(jié)構(gòu)理論以及礦山壓力顯現(xiàn)提出的假說主要包括：壓力拱假說、懸臂梁假說、鉸接巖塊假說、預成裂隙假說、砌體梁模型、傳遞巖梁理論、關鍵層理論[7]等。此外，在采煤工作面頂板“三帶”的理論研究及現(xiàn)場探測中取得了較多成果。劉洪磊[8]、劉全明[9]等認為，工作面自開切眼不斷向前推進，采空區(qū)頂板進行“O-X”破斷，繼而形成“懸臂梁-鉸接巖梁”結(jié)構(gòu)；付玉平[10]等提出了隨工作面長度和采高增加，頂板垮落帶高度呈指數(shù)增大，并給出了垮落帶高度隨采高、工作面長度影響的回歸公式；吳仁倫[11]等通過理論分析方法并結(jié)合模擬試驗，提出在不同工作面長度條件下，覆巖關鍵層的破壞形態(tài)和運移規(guī)律對瓦斯卸壓、運移、“三帶”范圍有明顯作用；張勇[12]、余學義[13]等采用UDEC數(shù)值模擬方法，提出隨工作面長度的增加，沿著上垮落角方向瓦斯聚集區(qū)域逐漸升高。對于采場“三帶”的研究，一般分為采場“上三帶”和采場“下三帶”?！吧先龓А狈植挤秶话悴捎谩度虏擅阂?guī)程》中的計算公式及其他學者提出的有效算法[14-16]；對于采場“下三帶”，煤層底板在開采條件下，“下三帶”分布范圍一般采用“P-h”臨界曲線法[17]。

筆者基于理論分析和數(shù)值模擬以及現(xiàn)場驗證方法，以騰達煤礦1501工作面為研究背景，研究工作面開采后上覆巖層的運移規(guī)律及“上三帶”高度的分布范圍，避免導通煤層上方的承壓水，防止淹井事故發(fā)生，保證煤礦安全高效生產(chǎn)。

1 工程背景

菏澤騰達煤礦井田位于新疆昌吉市210°方向，約82 km處。該礦1501工作面位于礦井北部，北側(cè)為1501運輸巷，東側(cè)為膠帶運輸巷，南側(cè)為1501回風巷。圖1為1501工作面巷道布置示意。1501工作面走向長1 380 m，傾向斜長155 m，煤層埋深平均230 m，平均煤厚6.0 m，煤層傾角25°，采用綜采放頂煤工藝，全部垮落法管理頂板。煤層頂?shù)装鍨榧毶皫r、泥質(zhì)粉砂巖等泥質(zhì)膠結(jié)巖性。煤層頂?shù)装甯艣r見表1。

圖1 1501工作面巷道布置示意 Fig.1 Schematic diagram of roadway layout in 1501 working face

表1 煤層頂?shù)装甯艣r Table1 Table of coal seam roof and floor

以騰達煤礦1501工作面為研究背景，采用UDEC5.0數(shù)值模擬，分析工作面開采后采空區(qū)上覆巖層的應力、位移動態(tài)演化的特點，得出頂板巖層“上三帶”的范圍。

2 1501工作面“上三帶”高度理論計算

煤層開采后，沿工作面頂板豎直向上可以分為5個區(qū)：局部拉伸破壞區(qū)、拉伸破壞區(qū)、裂隙區(qū)、塑性變形區(qū)、彈性區(qū)[18]。“上三帶”是指當煤層開采后，采空區(qū)周圍巖體產(chǎn)生移動變形，當巖體的變形和移動超過圍巖體極限變形時，巖體便發(fā)生破壞。根據(jù)覆巖移動破壞程度，可以將上覆巖層移動區(qū)域分為“上三帶”，即由局部拉伸破壞區(qū)和拉伸破壞區(qū)組成垮落帶；裂隙區(qū)組成裂隙帶；彈性區(qū)和塑性變形區(qū)組成彎曲下沉帶?！吧先龓А备叨阮A計是進行觀測設計的依據(jù)，只有較準確地預計垮落帶和裂隙帶的高度，才能合理地鉆孔，并保證觀測成功。裂隙帶和垮落帶的發(fā)育高度主要取決于地層結(jié)構(gòu)、巖石力學性質(zhì)和開采方法。

(1) 當單一煤層開采其傾角α介于0°～54°時，垮落帶高度最大值計算公式[19]為

式中，M為煤層厚度或采高，取6.0 m；α為煤層傾角，取25°；k為采空區(qū)巖石碎脹系數(shù)，取1.4。

將各個參數(shù)代入式(1)計算，得到垮落帶高度為16.7 m。

(2) 當上覆巖層內(nèi)存在特殊巖層或互層時，其垮落帶高度最大值計算公式為

式中，G為上覆巖層垮落下沉量，m。

騰達煤礦1501工作面上覆巖層無特殊巖層或互層，因此計算得到的垮落帶高度為16.7 m。

(3) 當工作面頂板上覆巖層為堅硬覆巖和中等堅硬覆巖時，垮落帶最大高度計算公式[20-22]為

(4) 當工作面頂板上覆巖層為堅硬覆巖和中等堅硬覆巖時，裂隙帶最大高度計算公式[20-22]為

裂隙帶高度以上范圍可認為是“上三帶”中的彎曲下沉帶。

3 不同工作面長度覆巖變形特征分析

為了更準確地判別煤層開挖后1501工作面“上三帶”的垮落變形情況及各帶發(fā)育高度，采用UDEC5.0非連續(xù)介質(zhì)模擬的離散元數(shù)值模擬軟件對該工作面進行建模、賦參、平衡、設置測線和開挖計算[23]。

3.1 模型的建立及測線設置

建立UDEC5.0數(shù)值模型，選取的本構(gòu)模型為摩爾庫侖模型。模型長330 m，寬190 m。模擬煤層為傾斜煤層，傾角為25°，煤層埋深為230 m，側(cè)壓系數(shù)λ取0.25，煤巖容重為25.00 kN/m3。在考慮地應力的條件下，分別在模型左右方向設置水平約束，以保證模型的水平切向位移為0；同時在模型的底部設置垂直約束，模型上表面為自由面，并在自由面施加上覆巖層自重應力。模型頂部垂直應力為2.8 MPa，側(cè)向水平應力為0.7 MPa，數(shù)值模型如圖2所示。計算模型中選取的巖層力學參數(shù)均依據(jù)騰達煤礦實際測量數(shù)據(jù)，通過實驗室強度試驗和折減法所得，煤巖層物理力學參數(shù)見表2。

圖2 數(shù)值模型示意 Fig.2 Numerical model diagram

本次試驗共設5種方案，設置工作面長度分別為75，95，115，135，155 m。在工作面頂板方向設立垂直測線，1～10號測線水平間隔為15.00 m，10～11號測線水平間隔為5.48 m，1號與11號測線分別為工作面兩幫測線，測線布置示意如圖3所示。根據(jù)5種不同方案，通過11條測線監(jiān)測煤層隨著工作面長度的增加，工作面覆巖在相同水平位置、不同高度處的位移及應力變化情況，通過分析數(shù)據(jù)和圖像得到1501工作面“上三帶”高度。

表2 覆巖物理力學參數(shù) Table2 Physical and mechanical parameters of overburden rock

圖3 測線布置示意 Fig.3 Cable layout diagram

3.2 數(shù)值計算結(jié)果分析

工作面開挖后，采場上覆巖層結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了“平衡—破壞—再平衡”，最終形成了穩(wěn)定的垮落結(jié)構(gòu)及“上三帶”區(qū)域分布。不同工作面長度覆巖應力位移規(guī)律如圖4所示，不同工作面長度主應力云圖如圖5所示。由圖4和5可知，在開采過程中，當工作面長度從75 m增加至155 m時，工作面上覆巖層和底板巖層拉應力區(qū)逐漸減少，應力集中程度逐漸減小。此外，隨著工作面長度的不斷增加，覆巖主應力(σ)值逐漸增加，當工作面長度為75 m時，覆巖最大主應力為-30.77 MPa；當工作面長度增加至155 m時，最大主應力增加至-86.91 MPa，增加了1.8倍。因此，在煤層開采過程中，工作面長度不宜太大，否則不利于煤礦隱患災害的防治[24-25]。

圖4 不同工作面長度覆巖應力位移規(guī)律 Fig.4 Stress displacement law of overburden rock with different working face length

圖5 不同工作面長度最大主應力云圖 Fig.5 Cloud diagram of maxinum principal stress at different working face lengths

圖6為不同工作面長度位移矢量云圖。

由圖6可知，當工作面長度由75 m增加至155 m時，工作面覆巖位移量逐漸增加，覆巖之間產(chǎn)生離層，出現(xiàn)裂隙，且工作面覆巖的位移分布由傾斜對稱逐漸轉(zhuǎn)化為不對稱的位移分布形態(tài)。當工作面長度為75 m時，覆巖最大位移量為2 261 mm；當工作面長度增加至155 m時，覆巖最大位移量增加至6 895 mm。此外，工作面覆巖位移量由工作面頂板垂直向上方向逐漸遞減，在位移量較小的區(qū)域即為關鍵層位置。

圖6 不同工作面長度位移云圖 Fig.6 Displacement cloud map of different working face lengths

圖7為工作面不同長度垂直應力云圖。當工作面長度為75 m時，工作面兩幫圍巖垂直方向形成的最大應力集中為25 MPa；當工作面長度增加至155 m時，工作面兩幫圍巖垂直方向形成的最大應力集中為70 MPa。

圖7 不同工作面長度垂直應力云圖 Fig.7 Vertical stress cloud of different working face lengths

此外，以工作面長度155 m為例，工作面開采后的覆巖塑性區(qū)如圖8所示。由圖8可知，在工作面頂板上方出現(xiàn)大量塑性破壞區(qū)，距底板最大延伸范圍為25 m，結(jié)合覆巖位移結(jié)果，確定此區(qū)域為垮落帶。隨著距工作面頂板距離的逐漸增加，產(chǎn)生大量彈性屈服區(qū)，并伴有裂隙出現(xiàn)，距底板最大延伸范圍為60 m，將此區(qū)域判定為裂隙帶。裂隙帶上覆巖層基本保持未破壞狀態(tài)，將其局部放大后發(fā)現(xiàn)，覆巖產(chǎn)生了較多彎曲變形，將此區(qū)域判定為彎曲下沉帶。

圖8 工作面覆巖“上三帶”范圍 Fig.8 Overburden on working face "upper three zones" range

綜上所述，隨著工作面長度的不斷增加，工作面覆巖的應力和位移均逐漸增加，工作面“上三帶”的分布范圍也隨之改變，根據(jù)塑性區(qū)情況大致確定了工作面頂板覆巖的宏觀“上三帶”范圍，可為不同高度測線和現(xiàn)場監(jiān)測所得“上三帶”分布范圍作輔助參考。

4 1501工作面“上三帶”臨界高度及“上三帶”范圍確定

騰達煤礦1501工作面長度為155 m，根據(jù)圖3對工作面上覆巖層布設了11條覆巖下沉監(jiān)測線，獲取覆巖下沉數(shù)據(jù)，采用數(shù)學分析軟件對數(shù)據(jù)進行處理，通過不同測線差值關系及圖像顯示形態(tài)來判別1501“上三帶”臨界高度的位置，得到不同水平高度測線測得的覆巖下沉量如圖9所示。由圖9可知，1號測線起點為工作面左幫頂位置，工作面左幫由于邊角效應，其頂板位置下沉量極??；沿左幫垂直向上，巖層受工作面直接頂垮落影響，上覆巖層受煤層傾角影響有向右側(cè)移動的趨勢，覆巖下沉量逐漸增加；距工作面頂板11.9 m時，覆巖下沉量趨于平緩，為垮落帶臨界高度；當測線高度增加至33.9 m時，覆巖下沉量為1 656 mm，隨著測線高度的繼續(xù)增加，覆巖下沉量趨于平緩，為裂隙帶臨界高度；距模型底邊33.9 m以上覆巖可認為是彎曲下沉帶，整體下沉量曲線表現(xiàn)為先升高后逐漸平穩(wěn)。2號測線起點為工作面頂板位置，頂板下沉量最大為2 868 mm，沿頂板垂直向上，覆巖下沉量逐漸降低，當測線高度增加至23.9 m時，覆巖下沉量為1 971 mm，此位置為垮落帶臨界高度；當測線高度增加至49.9 m時，覆巖下沉量為1 765 mm，隨著測線高度的繼續(xù)增加，覆巖下沉量趨于平緩，此時，可認為2號測線距模型底邊49.9 m處覆巖位置為裂隙帶臨界高度；49.9 m以上覆巖可認為是彎曲下沉帶，整體下沉量曲線表現(xiàn)為先逐漸降低后趨于平穩(wěn)。

圖9 不同測線覆巖下沉量曲線 Fig.9 Plot of overburden subsidence of different survey lines

同理能夠得到測線3～11的“上三帶”臨界高度，由于篇幅有限不再贅述。

理論推導范圍與數(shù)值模擬計算結(jié)果對比見表3。將數(shù)據(jù)處理后得到數(shù)值模擬與理論計算的“上三帶”分布范圍，如圖10所示。

由表3可知，數(shù)值模擬計算結(jié)果與理論推導范圍相吻合，將測得的“上三帶”高度范圍代入實際地質(zhì)模型，得到了騰達煤礦1501工作面頂板上方覆巖的“上三帶”分布，如圖11所示。

5 工作面“上三帶”高度觀測現(xiàn)場驗證

5.1 鉆孔現(xiàn)場

鉆場位置的選擇與觀測鉆孔布置需要滿足如下要求：

表3 理論范圍與數(shù)值計算結(jié)果對比 Table 3 Comparison between theoretical range and numerical results m

圖10 理論和模擬“上三帶”分布范圍對比 Fig.10 Comparison of theoretical and simulated ''upper three zones'' distribution range

圖11 工作面“上三帶”范圍分布 Fig.11 Working face "upper three zones" range distribution map

(1) 鉆場位置到開采邊界必須有一定的距離，以使觀測鉆孔有合適的仰角或俯角，并減輕采動礦壓對觀測巷道的破壞作用。

(2) 鉆場位置應有利于縮短觀測鉆孔的長度。 (3) 能夠觀測到覆巖裂隙帶馬鞍形頂部的最大值。

根據(jù)1501工作面的地質(zhì)條件、巷道條件和時間要求，觀測鉆孔的位置設在1503回風巷內(nèi)，鉆場中心距離1503回風巷開口處42 m，如圖12所示。

圖12 1501工作面“上三帶”高度觀測鉆場選擇 Fig.12 Drilling site selection for ''upper three zones'' height observation of 1501 working face

5.2 鉆孔參數(shù)及鉆孔布置

覆巖裂隙帶的高度觀測需要布置1個鉆場，鉆場內(nèi)布置2個鉆孔，鉆孔布置參數(shù)見表4，鉆孔布置剖面如圖13所示。

表4 1501工作面“上三帶”觀測鉆孔布置參數(shù) Table 4 1501 working face ''upper three zones'' observation drill layout

圖13 1501工作面“上三帶”觀測鉆孔布置剖面 Fig.13 ''Upper three zones'' observation borehole layout section of 1501 working face

5.3 觀測結(jié)果

將2個鉆孔內(nèi)注水，觀察得到不同鉆孔深度的每分鐘注水量分布如圖14～15所示。由于鉆孔為傾斜布置，故要求“上三帶”的高度計算公式為

式中，H為實際高度，m；L為孔深，m；β為鉆孔與平行工作面方向的夾角，(°)。

圖14 1號鉆孔每分鐘注水量分布 Fig.14 Histogram of water injection volume distribution per minute for 1 borehole

圖15 2號鉆孔每分鐘注水量分布 Fig.15 Histogram of water injection volume distribution per minute for 2 borehole

由圖14可知，1號鉆孔在深度為30.0～42.0 m時，注水量較少，多數(shù)在20 mL以下，說明此階段內(nèi)的巖層透水性較差，密閉性較好，裂隙不發(fā)育，可認為此段內(nèi)未受到采動影響；鉆孔深度為43.5～49.0 m時，注水量突然增加至100 mL以上，最大達到157 mL，說明此段內(nèi)裂隙有所發(fā)育，導致注水量增加，但此段內(nèi)注水壓力可以保持平穩(wěn)，說明此段非垮落帶而是裂隙帶，且在此段內(nèi)43.5 m和49.0 m的2個位置注水量較少，說明此段內(nèi)并非全部裂隙發(fā)育，因此可以認為43.5～44.5 m為進入裂隙帶區(qū)域，48.0～55.5 m為出裂隙帶區(qū)域，這與理論計算數(shù)值相符合；當鉆孔深度超過55.5 m后，鉆孔注水量又減少至20 mL左右，說明巖層已進入彎曲下沉帶。

由圖15可知，2號鉆孔在深度為25.0～29.5 m時，鉆孔注水量為30 mL左右，說明此段內(nèi)裂隙基本不發(fā)育，可認為是裂隙帶以外；當鉆孔深度為29.5～38.0 m時，注水量升高至75～140 mL，說明此處裂隙開始發(fā)育，且發(fā)育程度越來越劇烈，所以注水量越來越多；當鉆孔深度為38.5～54.0 m時，注水量急劇增加至400 mL以上，且此時注水壓力保持在0.1 MPa不變，說明漏失水量大于注水量，此段處于裂隙極度發(fā)育區(qū)，即垮落帶區(qū)域；當鉆孔深度為55.0～96.5 m時，注水量又減小至140～150 mL，說明此段內(nèi)裂隙有所發(fā)育但未冒落，此段內(nèi)處于裂隙帶，裂隙帶的最高處位于鉆孔86.0 m深處；當鉆孔深度超過86.0 m時，注水量急劇減少至20 mL左右，進入彎曲下沉帶。因此，從2號鉆孔數(shù)據(jù)來看，垮落帶最高處位于鉆孔54.0 m處，裂隙帶最高處位于鉆孔86.0 m處，86.0 m以上為彎曲下沉帶。由式(7)可知，將鉆孔深度轉(zhuǎn)化為沿工作面頂板垂直方向高度，1號鉆孔測得的垮落帶高度約為22.0 m，裂隙帶臨界高度約為28.0 m；2號鉆孔測得的垮落帶高度約為27.0 m，裂隙帶臨界高度約為43.0 m，與理論計算和數(shù)值模擬的“上三帶”高度結(jié)果基本吻合，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果驗證了理論分析結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。

6 結(jié) 論

(1) 基于騰達煤礦1501工作面地質(zhì)參數(shù)，得到工作面上方垮落帶高度的理論范圍為11.6～26.1 m，裂隙帶高度的理論范圍為42.5～77.1 m。

(2) 采用數(shù)值分析方法得到了不同工作面長度的圍巖運移規(guī)律。結(jié)果表明，工作面長度越長，應力集中現(xiàn)象越明顯，上覆巖層的離層和裂隙現(xiàn)象越顯著。

(3) 數(shù)值分析結(jié)果與理論計算得到的“上三帶”高度范圍基本符合，并在現(xiàn)場進行鉆孔監(jiān)測，驗證了分析結(jié)果的合理性，為確定工作面“上三帶”的分布范圍提供了合理依據(jù)。