馬富武，李 楊，蘇懷瑞，孫德全，梁開華

(1.山東省深部沖擊地壓災害評估工程實驗室，山東 濟南 250100；2.山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，山東 濟南 250104)

煤礦瓦斯嚴重制約著我國煤礦安全高效生產(chǎn)，據(jù)統(tǒng)計，高瓦斯礦井數(shù)量占據(jù)國有重點煤礦70%以上[1-4]。覆巖采動裂隙的產(chǎn)生不但促進了煤巖體的瓦斯解吸，而且為瓦斯的運移提供了通道[5-11]。大量學者對采動覆巖裂隙演化特征進行了研究。李樹剛等[12]利用物理相似材料模擬試驗研究了近距離煤層重復采動覆巖裂隙發(fā)育演化過程，運用分形幾何理論研究了重復采動條件下，覆巖裂隙網(wǎng)絡(luò)分形特征。李志梁等[13]采用物理相似模擬試驗，結(jié)合聲發(fā)射技術(shù)對覆巖采動裂隙演化過程進行了研究，研究結(jié)果表明采動過程中破斷裂隙和離層裂隙會相互貫通，形成橢拋帶分布。趙毅鑫等[14]通過數(shù)值模擬等方法建立了覆巖裂隙分形維數(shù)與耗散能量的關(guān)系。薛熠等[15]基于裂隙平板模型建立了考慮損傷效應的峰后煤巖體滲透率模型。梁濤等[16]采用水巖相似材料模擬試驗研究了不同荷載、巖層性質(zhì)及開采速度等因素影響下煤層開采后覆巖垮落及裂隙演化特征。王國艷等[17]采用RFPA數(shù)值分析系統(tǒng)研究了具有初始裂隙的采動巖體裂隙演化過程。強度高、厚度大、整體性強的硬厚巖層影響了采動裂隙的發(fā)育，并且其下開采煤層易導致動力災害，如微震、煤與瓦斯突出、工作面壓架等。但是，目前針對硬厚巖層下覆巖裂隙演化特征及其致災的研究較少。

以此針對硬厚巖層下覆巖裂隙演化特征，通過建立相似材料模擬試驗，研究了硬厚巖層下覆巖結(jié)構(gòu)演化、裂隙演化特征，進一步分析得出硬厚巖層致災規(guī)律。

1 相似材料試驗設(shè)計

針對硬厚巖層賦存的地質(zhì)條件，按照相似理論采用一定比例的河沙、石膏、碳酸鈣等構(gòu)建相似材料試驗模型[18-20]。相似模型試驗臺規(guī)格3m×0.4m×1.8m，幾何相似比1∶200，強度相似比1∶300，容重相似比1∶1.5，模型鋪設(shè)總高度1.63m，上部施加500kg工字鋼模擬模型上覆均布載荷。模型設(shè)置煤層厚度為8m，上覆硬厚巖層60m，兩者間距80m，兩端各設(shè)置用以消除邊界效應的25m煤柱，開挖250cm模擬工作面實際推進500m。

為研究覆巖結(jié)構(gòu)演化，模型設(shè)置5條測線(1#—5#測線)，每條測線29個測點，2#—4#測線與煤層的距離分別為65m、75m、85m。其中2#、3#測線主要監(jiān)測硬厚巖層下附近巖層運移情況，4#測線主要監(jiān)測硬厚巖層的運移情況。采用尼康Nivo2.M免棱鏡全站儀監(jiān)測煤層上覆巖層位移變化，采用相機記錄覆巖結(jié)構(gòu)及裂隙發(fā)育的演化。

2 覆巖結(jié)構(gòu)演化

相似材料試驗得到了硬厚巖層下覆巖結(jié)構(gòu)演化的主要特征，推進100m時覆巖結(jié)構(gòu)如圖1所示，上覆巖層平衡狀態(tài)遭到破壞，第一關(guān)鍵層發(fā)生彎曲、變形、失穩(wěn)和破斷，其控制的巖層相應發(fā)生破斷，在工作面后方和切眼前方未垮落巖體的邊緣均形成了偏向采空區(qū)的倒臺階狀邊緣，倒臺階狀邊緣與采空區(qū)上方未垮落的覆巖在走向斷面上呈梯形。工作面推進120m、140m時，第二、三關(guān)鍵層發(fā)生破斷，巖層以單層或成組的形式不斷向上發(fā)展，覆巖梯形結(jié)構(gòu)的腰和下底長度呈跳躍式增大；推進160m時覆巖結(jié)構(gòu)如圖2所示，第四關(guān)鍵層發(fā)生破斷，覆巖梯形結(jié)構(gòu)的上底發(fā)育到硬厚巖層下。60m厚的硬厚巖層屏蔽了覆巖梯形結(jié)構(gòu)高度的發(fā)育。覆巖梯形結(jié)構(gòu)的上底和下底長度隨硬厚巖層下覆巖周期垮落不斷加大。硬厚巖層懸跨距離的不斷增加，在上覆巖層載荷及自重作用下發(fā)生破斷失穩(wěn)，覆巖梯形結(jié)構(gòu)從新向上發(fā)育。

圖1 推進100m時覆巖結(jié)構(gòu)

圖2 推進160m時覆巖結(jié)構(gòu)

3 裂隙演化特征

3.1 離層裂隙演化特征

在工作面推進到100m時，第一層關(guān)鍵層達到其垮落極限發(fā)生破斷，關(guān)鍵層同控制的上部巖層成組垮落并相互作用形成鉸接結(jié)構(gòu)，在已垮落的最上一層巖層與新關(guān)鍵層形成了離層，在走向上呈三角形。成組運動的巖層在下沉過程中，部分巖層之間產(chǎn)生的剪應力超過其抗剪強度，并且下位巖層的抗彎強度小于上位巖層的抗彎強度，巖層之間產(chǎn)生離層裂隙。第一關(guān)鍵層的周期破斷，導致第二關(guān)鍵層下離層空間逐漸變大，繼而達到其懸跨極限發(fā)生第二關(guān)鍵層破斷，破斷巖層與第三關(guān)鍵層在走向上同樣形成了三角形離層。當工作面推進到100m、120m、140m、160m時，關(guān)鍵層下在走向上均形成三角形離層，直至發(fā)育到硬厚巖層下(160m時)。硬厚巖層阻斷了離層空間的縱向發(fā)育。硬厚巖層下離層跨度隨其下巖層周期垮落不斷加大，形狀由三角形逐漸發(fā)育成梯形。推進200m時覆巖結(jié)構(gòu)如圖3所示，離層在走向上由三角形發(fā)育成梯形。

圖3 推進200m時裂隙發(fā)育

最大離層數(shù)據(jù)隨工作面推進的變化如圖4所示，離層發(fā)育具有不連續(xù)性。在推進100m、120m、140m時，離層主要受相鄰關(guān)鍵層巖性和厚度的影響跨度發(fā)育無規(guī)則，離層跨度分別是40.1m、60.5m、41.0m。離層發(fā)育到硬厚巖層時，工作面每推進20m，離層跨度增加一次。從離層首次發(fā)育到硬厚巖層到其破斷，離層跨度由66.5m變化到199.5m。離層高度發(fā)育同樣具有不連續(xù)性，受關(guān)鍵層的影響跳躍式上升，直至發(fā)育到具有屏蔽作用的硬厚巖層，發(fā)育暫時停止，工作面推進到100m、120m、140m、160m時，離層高度分別是43.1m、47.6m、65.3m、80m。

圖4 離層發(fā)育與工作面推進的關(guān)系

3#、4#測線的下沉曲線如圖5所示。4#測線顯示當工作面推進到280m，硬厚巖層下離層跨度達110m，硬厚巖層最大沉降量僅為0.2m，下沉曲線基本上呈一條直線。硬厚巖層作為主關(guān)鍵層強度高、厚度大、剛度大，短推進距離內(nèi)變形小，為其下最大離層空間的縱向和橫向發(fā)育提供了條件。3#測線顯示當工作面推進到160m時，硬厚巖層下最近關(guān)鍵層破斷后3#測線與4#測線整體形成三角形，即離層初發(fā)育到硬厚巖層下時，在走向上呈三角形。當工作面推進到200m時，3#與4#測線的三角形逐漸發(fā)育成梯形，且隨著巖層周期垮落，梯形的上下底長度相應增大。最大離層裂隙下的其他離層裂隙逐漸閉合壓實，梯形高度相應增大，從整體上看梯形向開采方向底部擴展。

圖5 3#、4#測線下沉曲線

覆巖最大離層高度與煤層開采厚度的比值隨工作面推進的變化如圖6所示。工作面推進到100m、120m、140m時，最大離層高度與煤層開采厚度的比值分別是37.5%、60%、55%。此時離層尚未發(fā)育到硬厚巖層，最大離層高度與煤層開采厚度的比值具有隨機性，主要受上方關(guān)鍵層的強度和厚度影響。離層發(fā)育到硬厚巖層下時，硬厚巖層僅有少量的彎曲下沉，其下覆巖之間的離層逐漸被壓實，離層高度發(fā)育從增大到穩(wěn)定。當工作面推進到160m、180m、200m、220m、240m時，最大離層高度與煤層開采厚度的比值分別是60%、71%、71.4%、72%、72%，硬厚巖層下最大離層高度所占煤層開采厚度的比值超過50%，硬厚巖層下的離層裂隙占煤層上覆巖層離層裂隙的絕大部分。硬厚巖層破斷前，煤層開采后留下的巨大空間填充方式主要有上覆巖層的離層裂隙和垮落煤巖的碎脹。巖石的碎脹性有限，因此硬厚巖層下的最大離層空間占據(jù)了煤層開采的大部分空間。

圖6 最大離層高度與煤層開采厚度比值變化

3.2 破斷裂隙演化特征

關(guān)鍵層下的懸跨距離隨工作面推進不斷加大，關(guān)鍵層巖梁在端部、中部出現(xiàn)并發(fā)育的垂直于巖梁的破斷裂隙。破斷裂隙貫穿后，關(guān)鍵層巖梁同控制的一組巖梁破斷回轉(zhuǎn)并產(chǎn)生強有力的水平擠壓力，巖塊之間形成鉸接結(jié)構(gòu)。各巖層發(fā)生鉸接位置同本巖層及臨近巖層的巖性有關(guān)，導致已破斷的各巖層之間產(chǎn)生離層裂隙。在煤層上方已破斷的巖層一側(cè)與未破斷的巖層形成大體上平行于斷裂線的破斷裂隙線，破斷裂隙上寬下窄。破斷巖層的另一側(cè)與先前已回轉(zhuǎn)下沉穩(wěn)定的巖層也形成了破斷裂隙，破斷裂隙下寬上窄。巖層的破斷裂隙和離層裂隙相互貫通，形成了雙向互通的豎向破斷裂隙區(qū)。切眼豎向破斷裂隙區(qū)高度隨上覆巖層周期垮落不斷上升，水平起始位置不變。工作面豎向破斷裂隙區(qū)隨上覆巖層周期垮落向前向上發(fā)育。如圖2所示，當工作面推進到160m時，兩側(cè)的豎向破斷裂隙區(qū)發(fā)育到硬厚巖層底部，受硬厚巖層的屏蔽，破斷裂隙區(qū)高度發(fā)育停止。切眼豎向破斷裂隙區(qū)在硬厚巖層破斷前將在高度和水平位置上保持不變。工作面豎向破斷裂隙區(qū)在高度上保持不變，在水平方向上隨巖層周期垮落水平移動，為動態(tài)移動裂隙。

4 硬厚巖層致災分析

隨工作面推進，工作面及切眼側(cè)雙向互通的豎向破斷裂隙區(qū)，為瓦斯運移提供了通道。開采煤層受采動應力影響內(nèi)部出現(xiàn)張裂隙后，向采空區(qū)釋放瓦斯，臨近煤層和斷裂帶煤層在卸壓作用下膨脹釋放的瓦斯通過裂隙涌入開采煤層采空區(qū)。瓦斯的密度小于空氣且離層裂隙為負壓，導致采空區(qū)的瓦斯有向上覆巖層離層裂隙運動的傾向。在壓力差作用下，采空區(qū)積聚的瓦斯順著兩側(cè)豎向破斷裂隙區(qū)進入上覆巖層的離層裂隙。煤層開采后的空間主要集中的最大離層裂隙，因此瓦斯通過豎向破斷裂隙區(qū)通道主要集中在上覆巖層的最大離層空間。如圖7所示，當本階段最大離層裂隙閉合時，切眼豎向破斷裂隙區(qū)按一定角度向上發(fā)育，工作面豎向破斷裂隙區(qū)隨上覆巖層周期垮落向前向上移動，兩側(cè)的裂隙區(qū)在下一階段的最大離層裂隙處匯合。隨著本階段離層裂隙閉合，瓦斯存儲空間被壓縮并被擠出，被擠出的大部分瓦斯順著兩側(cè)豎向破斷裂隙區(qū)進入新的最大離層裂隙。如此周而復始，瓦斯進入到硬厚巖層下的離層空間。整體性強、節(jié)理少、變形小的硬厚巖層屏蔽了離層裂隙的縱向發(fā)育，同時也圈閉了其下的瓦斯。占據(jù)了煤層開采大部分空間的硬厚巖層下最大離層空間為瓦斯積聚創(chuàng)造了巨大空間，同時采空區(qū)、臨近層及開采煤層的上覆煤層的瓦斯順著兩側(cè)豎向破斷裂隙區(qū)源源不斷地涌入硬厚巖層下的最大離層空間。隨硬厚巖層懸跨距離不斷增大，在其自重及載荷作用下出現(xiàn)并發(fā)育至貫通的豎向裂隙，硬厚巖層發(fā)生破斷失穩(wěn)。最大離層空間急劇減小，瓦斯賦存空間被壓縮，同時已被壓實的下部覆巖裂隙短時間內(nèi)瓦斯涌出量有限，瓦斯壓力短時間內(nèi)急劇上升。硬厚巖層破斷釋放其積聚的大量彈性能，對最大離層裂隙內(nèi)瓦斯產(chǎn)生強大的沖擊力，同樣導致最大離層空間瓦斯壓力急劇上升。大量高壓瓦斯沿雙向互通的破斷裂隙區(qū)反向涌向工作面，誘發(fā)瓦斯突涌、煤與瓦斯突出等災害。楊柳煤礦在10414工作面開采中上覆硬厚巖層破斷后，地面2#抽放孔曾發(fā)生噴孔，瓦斯抽采濃度在32min內(nèi)從20%急劇上升到100%，抽放負壓快速下降為0。

圖7 瓦斯梯子型通道豎向破斷裂隙區(qū)瓦斯運移

5 結(jié) 論

1)工作面推進后，上覆巖層走向斷面上逐漸形成梯形結(jié)構(gòu)，隨關(guān)鍵層的破斷，梯形結(jié)構(gòu)的腰和下底長度呈跳躍式增大。硬厚巖層的存在屏蔽了梯形結(jié)構(gòu)的高度發(fā)育。

2)硬厚巖層下最大離層裂隙發(fā)育呈跳躍式上升，占據(jù)了煤層開采的大部分空間，為瓦斯積聚創(chuàng)造了空間；工作面和切眼雙向互通的豎向破斷裂隙區(qū)為瓦斯運移提供了通道。

3)硬厚巖層圈閉了其下部的最大離層裂隙內(nèi)的瓦斯，其破斷會導致最大離層裂隙內(nèi)瓦斯空間急劇減小，瓦斯壓力快速上升，大量高壓瓦斯順著豎向破斷裂隙區(qū)涌向工作面，易誘發(fā)瓦斯突涌等災害。