老采动区覆岩裂隙发育特征及活化机理研究

白国良,李树志,高均海

(煤炭科学研究总院唐山研究院,河北唐山 063012)

老采动区覆岩裂隙发育特征及活化机理研究

白国良,李树志,高均海

(煤炭科学研究总院唐山研究院,河北唐山 063012)

采用钻孔勘探、钻孔电视、地球物理测井、岩石力学测试等技术和方法对老采空区覆岩裂隙发育特征进行了研究。研究结果表明:老采空区弯曲带岩层的整体性未遭破坏,表现为连续平缓的弯曲变形,局部有裂隙产生;裂缝带岩层产生裂隙或断裂发育,但尚未塌落;垮落带岩层断裂破碎塌落,有残留空洞发育。对其中的 53条采动裂隙发育特征统计显示,裂隙平均间距 1.08m,间距小于 2.0m的裂隙占统计数据的 85%,老采动区采动岩体裂隙以低角度裂隙为主,倾角小于 30°的裂隙占统计数据的 68%;煤炭开采引起的地下空洞、离层、裂隙和垮落带的欠压密、孔隙饱水等现象是老采动区活化的根本原因。

老采动区;岩体裂隙;活化;结构失稳

煤炭开采在许多老能源基地形成了大面积、大规模采动区,据不完全统计,每采万吨煤沉陷面积0.2hm2,在近 60年煤炭开采过程中形成采煤沉陷土地面积约 800000hm2。随着城市建设的迅猛发展,理想的工程建设用地日趋紧张,一些工业与民用建筑、交通设施等拟建或穿越于采动区之上,如开滦、焦作、徐州、淮北等矿区都在采煤沉陷区上进行了工业园区建设,采煤沉陷区的建设利用成为解决我国采煤矿区建设用地“瓶颈”的有效途径。

老采空区覆岩经过多年的自然风化、重力及地下水等因素的综合作用下已趋于稳定,但老采空区覆岩结构依然存在,在新增荷载作用下老采动区可能活化,对地表建 (构)筑物造成损害[1-2]。因此,掌握老采动区覆岩裂隙发育特征,分析其活化机理对于老采动区地基稳定性评价及老采动区的开发建设具有现实意义。

以某老采动区探测工程为例,对老采空区覆岩裂隙发育特征进行了研究,并对老采区岩体结构活化机理进行了深入分析。

1 工程背景与测试方法

1.1 工程条件

工程区煤炭开采历史久远,采掘活动于 20世纪 80年代末结束。主要可采煤层为二叠系下统山西组的二1煤和石炭系上统太原组的一5煤。二1煤层开采深度 50～200m,煤层厚 0.36～11.73m,平均厚 5.36m;一5煤层开采深度 100～260m,煤层厚度 0.23～4.36m,平均厚 1.3m。

本区域主要为国有煤矿开采,其次为小煤窑开采,国有煤矿采用走向长壁式采煤方法,自然垮落处理顶板,厚煤层分层开采,一般 2.0～2.2 m为一分层;小煤窑开采国有煤矿残留的煤柱,一般采用巷道式开采,自然垮落法处理顶板。

1.2 测试方法

采用钻孔勘探、钻孔电视、地球物理测井、岩石力学测试等技术和方法对老采空区覆岩裂隙发育特征进行了研究。共计布设钻孔 37个,总进尺6583.3m;测井孔 10个,总测井 1974.80m;钻孔电视 8个,总测井 1259.90m;岩石力学试样测试138组。

2 老采动区覆岩裂隙场特征

综合分析钻孔电视孔壁图像、物探测井资料、采掘工程平面图及钻探岩芯及泥浆消耗量、掉块、掉钻、卡钻位置资料划分三带,并对其裂隙发育特征进行分析。

2.1 弯曲带

弯曲带的岩层在重力作用下,变形较小,所受应力尚未超过其本身强度,出现连续平缓的弯曲变形,局部有裂隙产生,此带岩层的整体性未遭破坏,岩层弯曲带和裂隙发育特征如图 1所示。

图1 岩层弯曲带裂隙发育特征

2.2 裂缝带

裂隙的岩层在重力作用下,移动变形较大,所受应力超过本身强度,岩层产生裂隙或断裂,但尚未塌落。裂缝带顶部一般岩层受力断裂,岩石受力遭破坏,纵向裂隙发育,局部岩芯破碎。岩体受采动影响,岩石受力被垂向劈开,表现为岩芯垂向裂隙发育[3],从井下电视观测到的岩石裂隙发育情况如图2。

图2 裂缝带裂隙发育电视图像

2.3 垮落带

垮落带岩层移动变形很大,所受应力大大超过本身强度,使岩层断裂破碎塌落,堆积于采空区。地下开采形成的采出空间一部分被垮落覆岩所充填;另一部分则形成残留空洞,其一般出现在短壁开采工作面上方,这是由于覆岩垮落塌陷不充分而形成,如房柱式、条带开采形成的空洞就是覆岩垮落塌陷不充分所致;另外一部分出现在开采工作面边界附近,在该部分由于覆岩具有一定的刚度,在采空区边缘形成悬顶,从而使覆岩不垮落而形成空洞;再有一部分是在覆岩中存在的离层区,由于上面岩体的刚度大于下方岩体的刚度,在岩层移动过程中出现离层,从而形成空洞。采空垮落带顶部空洞特征见图 3。空洞上部岩层还没有垮落,存在残余空洞,钻探过程可能出现掉钻、漏水等现象。

图3 垮落带裂隙发育特征

对其中的 53条采动裂隙进行了统计,裂隙发育特征如图 4,图 5所示。裂隙平均间距 1.08m,间距小于 2.0m的裂隙占统计数据的 85%,各统计段所占比例相当,其中裂隙间距在 1.0～2.0m所占比例略高于其他 2组数据;老采空区采动岩体裂隙倾角平均 25.55°,以低角度裂隙为主,小于 30°倾角占统计数据的68%。

图4 采动岩体裂隙分布规律

图5 采动岩体裂隙倾角分布规律

3 老采动区活化机理

研究表明,不同的顶板处理方法老采空区地基稳定性存在较大差异;同时老采空区及其覆岩中不同位置的岩体结构有较大差异,这种采动次生岩体结构的差异对老采空区覆岩活化规律有重要影响,其存在形式将决定老采空区覆岩活化的基本特点,直接影响老采空区的地基稳定性[4-5]。

3.1 长壁开采后形成的采空区

地下煤层开采结束,经过一段时间后,地表沉陷逐渐减小,按开采沉陷理论,当连续 6个月内下沉值不超过 30mm时,可认为地表移动已稳定,实际上地表仍会产生少量的残余沉降。实测表明,地下开采结束以后虽然经过长时间的自然压实,在开采引起的地下空洞、离层、裂隙和垮落带的欠压密、孔隙中饱水等现象仍长期存在,地表新增荷载、地震活动、邻区开采、多煤层开采、强排地下水等,都可能打破原来的应力平衡状态,使老采空区活化[6]。

老采空区覆岩受力情况如图 6所示。垮落带岩体为散体和碎裂结构,存在较大的残余碎胀系数和空隙率,在采空区边缘存在未被垮落岩块充分充填的空洞,煤壁上方顶板形成了一定的悬臂梁结构和砌体梁结构。裂隙带岩体为块裂结构,块体间相互咬合、铰接,形成一定的铰接砌体岩梁半拱形结构和悬臂梁结构[7]。弯曲带为较完整的层状结构,为坚硬岩层和软弱岩层交互沉积层,物性特征为法向非均质异性体,切向为均质各向同性体。表土层可视为覆岩载荷层,随弯曲带整体移动。

新增荷载作用下长壁开采老采空区活化存在如下2种形式:

(1)在地震活动、煤炭开采活动、地下水等因素的作用下,垮落带岩体结构失稳,下部岩体结构的失稳导致裂缝带岩体结构失稳,弯曲带岩体结构受力状态发生改变,在地表新建建 (构)筑物及表土层荷载的作用下,当弯曲带岩层结构满足失稳条件时,弯曲带岩层结构失稳,地表产生较大的变形,地表建 (构)筑物受到开采沉陷损害影响。

(2)在地表新建建 (构)筑物及表土荷载层的作用下,弯曲带内离层裂隙隙宽减小,岩体变形增加,在弯曲带变形的影响下,裂缝带岩体结构受力状态发生改变,当受力状态满足裂隙岩体结构失稳条件时,垮落带及裂缝带岩体结构失稳,下覆岩体结构的失稳导致上覆岩体结构相继失稳,地表产生较大的变形,地表建 (构)筑物受到开采沉陷损害影响。

3.2 非充分开采后形成的采空区

建国前开采的采空区、小煤窑开采的采空区、大多数急倾斜煤层开采的采空区等,均属残留煤柱较多的采空区。这种类型采空区,在开采结束的最初若干年,甚至一二十年内地表沉降均较小,不能用地表移动稳定的概念来衡量。随着时间的推移,这些残留的煤柱,在上覆岩层重力作用下产生蠕变并将逐步垮落,或在外在因素的影响下可能发生垮落,在这种情况下地表可能发生沉降,甚至可能发生突然性剧烈沉降,对地表建 (构)筑物造成严重损害[8]。

非充分开采后形成的采空区,上覆岩层也可划分为垮落带、裂缝带、弯曲带。由于受采出范围的限制,这三带的发育程度常常不足,在地表也仅形成一个浅缓的下沉盆地。如果采出范围较大,地表沉降也较大。这类型的采空区,如果留下的未采煤柱尺寸不合理,煤柱不能长期支撑上履岩层;多数情况残余沉降变形较大、且分布不规则、不连续,甚至是突发的。沉降可能在开采后数十年或上百年突然发生,对地表建 (构)筑物的危害更大。

4 结论

(1)综合钻探、钻孔电视、物探测井研究表明,老采动区弯曲带表现为连续平缓的弯曲变形,局部有裂隙产生,岩层的整体性未遭破坏;裂缝带岩层产生裂隙或断裂发育,但尚未塌落;垮落带岩层断裂破碎塌落,堆积于采空区,有残留空洞。

(2)对其中的 53条采动裂隙发育特征统计表明,裂隙平均间距 1.08m,间距小于 2.0m的裂隙占统计数据的 85%;老采空区采动岩体裂隙以低角度裂隙为主,小于 30°倾角占统计数据的 68%。

(3)煤炭开采引起的地下空洞、离层、裂隙和垮落带的欠压密、孔隙中饱水等现象仍长期存在,在地表新增荷载、地震活动、煤炭开采、地下水等因素作用下,老采动区覆岩应力平衡状态发生改变,岩体结构再次失稳使老采动区活化。

[1]常 江 .老采空区上方建筑物地基稳定性的研究 [J].西北矿业学院学报,1995,15(1):29-33.

[2]马金荣,刘 辉,季 翔 .煤矿废弃采空区建筑场地稳定性研究 [J].建筑科学,2006,22(4):21-24.

[3]张玉军,张华兴,陈佩佩 .覆岩及采动岩体裂隙场分布特征的可视化探测 [J].煤炭学报,2008,33(11).

[4]许延春,耿德庸.采空区待建工程地基稳定性分析评价 [J].勘察科学技术,1996(3):9-12.

[5]张俊英,王金庄 .采空区地表新建建筑地基稳定性评价技术研究 [J].矿山测量,2003(9):28-30.

[6]张永波,孙雅洁,卢正伟,等 .老采空区建筑地基稳定性评价理论与方法 [M].北京:中国建筑工业出版社, 2006.

[7]侯忠杰 .对浅埋煤层“短砌体梁”、“台阶岩梁”结构与砌体梁理论的商榷 [J].煤炭学报,2008,33(11).

[8]郭广礼,何国清,崔曙光 .部分开采老采空区覆岩稳定性分析 [J].矿山压力与顶板管理,2003(3):70-73.

[责任编辑:李宏艳]

Crack Development Characteristic of Rock Strata over Abandoned Gob and Its Activation M echan ism

BA I Guo-liang,L I Shu-zhi,GAO Jun-hai

(Tangshan Research Institute,China Coal Research Institute,Tangshan 063012,China)

This paper researched characteristic of crack in overlying strata over abandoned gob by borehole exploration,borehole TV, geophysicalwell logging,rock mechanics test,et al.Resultswas shown as follows.Rock in bending zone over abandoned gob was intact and took on continuous bending deformation with local cracks.Cracks developed in crack zone but rock didn’t cave.Rock parted and caved in caving zone.Statistics from 53 cracks induced by mining showed that average interval of the cracks was 1.08m and cracks whose interval less than 2.0m was 85%of total data.Cracks in overlying rock over abandoned gobweremostly s mall dip.Dip less than 30°was 68%of total data.Underground cave,parting,cracks induced by mining,under-consolidation and aqueous pore in caving zone were basic cause of abandoned gob activation.

abandoned gob;rock crack;activation;structure instability

TD325

A

1006-6225(2010)05-0011-03

2010-03-16

“十一五”国家科技支撑计划重点资助项目 (2006BAC09B01);天地科技股份有限公司发展基金项目 (TZ-JJ-09-TS-2)

白国良 (1979-),男,黑龙江双城人,工程师,博士,主要从事矿山地质环境与岩土工程方面的研究。