深部采动覆岩移动变形致灾的试验分析

刘书贤，魏晓刚，麻凤海，王 伟，王泓懿

（1.辽宁工程技术大学土木与交通学院，辽宁 阜新 123000；2.辽宁工程技术大学建筑工程学院，辽宁 阜新 123000；3.大连大学建筑工程学院，辽宁 大连 116622；4.阜新宇城建筑设计有限公司，辽宁 阜新 123000）

煤炭作为我国的主体能源，在一次性能源结构中占70%左右，随着社会经济的迅猛发展，对煤炭资源的需求量日益增加。由于浅部资源的逐渐减少枯竭，需要不断加强开采强度，国内许多的矿山都进入了深部煤炭资源的开采状态［1～2］。

随着开采深度的增加，矿区的深部地质环境更加恶劣复杂，存在岩体破碎增多、涌水量增大、地应力加大等一系列问题。深部采场的围岩主体为煤系地层，由于地质构造的特殊性和开采扰动的影响，使得深部矿山岩体的结构特性和移动变形等力学特性更加复杂。国内的专家学者对深部采动覆岩的移动规律和控制开采开展了大量研究工作［3～6］:王志国等［3］运用分形几何学理论对深部采场的上覆岩层的移动变形规律进行了分析，重点研究了随着开采宽度、采场矿山压力、岩层沉降的变化，采动岩体裂隙网络分形维数的动态演化过程；常聚才等［4］根据矿区实例，对由于深部煤炭开采所产生的地表移动变形和沉陷问题进行了力学分析，认为随着深部开采工作面的推进，采场覆岩破坏呈现出整体压缩、移动变形均匀等特点，并且所导致的地表移动变形是长周期的缓慢连续变化的。

本文针对赵各庄煤矿深部开采的实际问题，采用理论分析、相似材料模拟试验相结合的方法，通过监测相似材料模拟深部煤炭开采过程中引起覆岩位移和应力变化情况，研究覆岩裂隙和离层的时空演化过程和分布特征，分析采动覆岩破裂移动变形规律。

1 采场覆岩移动变形的理论分析

由于高的地应力作用，深部煤炭开采过程中深部岩体呈现出由脆性向延性转化的特性［1］，即当应力超过其弹性极限强度后，随着应变的增加覆岩的承载能力降低，其塑性软化特性明显，故利用弹塑性理论分析深部采场的覆岩移动变形更为合理。

由于岩石的抗压强度远远高于其抗拉强度，所以煤矿采动区覆岩的主要破坏形式是张拉破坏。

在地下煤炭的开采过程中，初期采场上覆各岩层均可视为两端固支梁；基于钱鸣高的采场砌体梁结构力学模型的基础［7］，采场岩层的力学模型见图1～2。

分析图1～2可得:

联立式(1)、(2)可得:

图1 采场岩层力学分析模型Fig.1 Mechanical analysis model of stope rock

图2 岩梁横截面应力分布模型Fig.2 Stress distribution model of the cross section of rock

弹性极限弯矩

当M＞Me时，采场岩层的拉伸区域出现塑性区(0≤y≤ζ)，压缩区域仍保持为弹性变形状态(ζ≤y≤ht)；在弹性区与塑性区的交界处σtm=Eκξ。

由N=0，

式中:t=ht/h，χ=ξ/h，m=Mh/(2σtmI)。

采场岩梁的塑性极限弯矩Ms=σtmh2/6，Mimax=qi12；li为第i层岩梁的跨度，qi为上覆岩层压力。

在地下煤层的开采过程中，采空区跨度l0不断增加，当M1max=/12与塑性极限弯矩Ms1=/6相等时，上覆岩层发生第一次垮落，由M1max=Ms1，得到第一次垮落步距

当采空区跨度l0随着采煤工作面的不断推进而持续增加时，采场上覆各岩层则发展成悬臂梁，并且进行应力重分布，此时作用在上覆岩层的载荷q11呈现增大的趋势(q11＞q1)，且不再是均匀分布的荷载。

设l11为悬臂梁的长度M11max=/2。

当M11max=Ms1时，可以得到上覆岩层的周期垮落步距

在直接顶初次垮落时，第2层岩梁的固端弯矩M2max=，塑性极限弯矩Ms2=。

M2max≥Ms2时，q2≥，则此层与直接顶同时垮落；M2max＜Ms2时，q2＜，则此层不垮落；其他岩层的移动情况可类推。

在深部煤炭开采过程中，可以根据采场覆岩移动变形理论中的上覆岩层发生垮落的极限弯矩和垮落步距，观测模型试验中深部煤炭在模拟开采中深部采场覆岩的断裂破坏、弯曲和移动变形的过程，为分析采场上覆各岩层的移动变形提供理论判据，同时也为确定采场上覆岩层的移动变形致灾机理提供理论支持。

2 采场覆岩移动变形的相似材料试验

2.1 相似材料模型设计

以典型矿井开滦赵各庄矿为例。开滦赵各庄矿采煤工作面的可采走向长度为1066m，倾斜平均宽217m。工作面煤层厚度一般为 3.9～4.7m，平均4.2m，煤层倾角 8°～12°，平均 10°，煤层埋深为 630.5～750.2m，赋存整体稳定。该矿的采煤工作面从基本顶、直接顶(底)、老底的岩层依次为细砂岩、砂质泥岩、泥岩及砂质泥岩、砂质泥岩及粉砂岩，各岩层的基本物理力学参数见表1。

表1 矿区各岩层物理力学性质Table 1 Physical mechanical properties of mining strata

根据采煤工作面岩石物理力学性质、其他地质采矿资料(工作面的可采走向长度为1066m，倾斜平均宽217m)以及模型框架系统的几何尺寸(5m×1m)确定相似材料模型几何相似比为αL=LH/LM=1066/5≈200；强度相似比则根据各岩层的抗压强度和抗拉强度与试验室中所用模型骨料(主要是以石英砂、云母和重晶石为主)的强度比来确定，合理的强度相似比为ασ=σH/σM=350；其容重比为 1∶1.8，开采时间相似比则根据与几何相似比的关系确定为:αt=tH/tM=≈15，此时每隔 1.6h(实际 24h)割煤高度约为2m。

2.2 相似材料模型试验开采方案及监测

赵各庄矿区煤层的开采分为三步开采，在开采过程中需要适时观测分析采动区的应力分布和传播情况，在工作面距煤层底板2cm处设置观测点45个(间距为2cm)；在分析应力变化的同时，还需要监测采动区上覆岩层的移动变化趋势，沿着煤层的倾斜方向设置位移监测点，在煤层模型上每排设置30个监测点(共设置6层)，其间距为15cm×15cm，其中第一排距离煤层为8cm。

2.3 开采试验结果与分析

赵各庄煤矿的倾斜煤层开采的推进速度为每天开采1.6 m，为了尽量减小模型开采试验与实际煤炭开采过程的误差，模型开采试验为每小时开采1cm，整个模型分为三步开采，待第一步开采完毕，上覆岩层垮落稳定后，再进行第二步开采直至完成整个试验。开采过程中上覆岩层的变化过程见图3。

图3 采动覆岩移动变化Fig.3 Movement of mining strata

通过分析在开采过程中采空区上覆岩层的垮落过程可知:在完成第三步开采后所形成的采空区与前两步开采所形成的采空区形成一个整体，此时上覆岩层发生大范围的移动变形，由此所产生的断裂破坏最为严重，并不断增加覆岩的断裂破坏高度；随着破坏面积的扩大，前两步开采过程所形成的采空区的裂隙(主要由岩层断裂所形成的)被重新压实，这主要是由于上覆岩层所承受的应力过大造成的；当进行第三步开采时，其上覆岩层与前两步采空区的上覆岩层的重量几乎全部转移到孤岛采煤工作面两侧的煤柱上，在巨大的载荷作用下煤柱发生冲击破坏的可能性非常大，此时上覆岩层所产生的移动变形最为严重。

3 试验位移和应力监测结果分析

3.1 位移监测点数据分析

上覆岩层的移动变化过程中的应力和位移情况见图4。

图4 前两步开采后采动覆岩位移变化Fig.4 Displacement change of mining strata after the two steps mining

当完成第二步煤层开采后，各个测点的测线在垂直方向上的离层量分布相对比较均匀，并且上覆岩层的破坏范围距离采空区为60m，上覆离层的破坏发育达到工作面顶板的60m处。

完成第二步煤层开采后，由于尚有第三步煤层没有开采，采动覆岩下沉曲线的形状与图4的工作面上覆岩层破坏范围类似。

图5 第三步开采后采动覆岩位移变化Fig.5 Displacement change of mining strata after the third step mining

完成第三步开采后，分析各个测点的下沉量曲线(图5)可知:其采动覆岩垮落形成的新采空区与两侧的采空区连通形成整体，此时各个岩层整体下沉，并且采动覆岩断裂高度扩散到整个模型边界。第一条测线的下沉量在4.7m左右，第二、第三条、第四条大致在3.5～4.0m之间，其余的下沉量在3.0～3.5m之间，并且各个岩层的下沉量比较均匀。从整体上分析采动覆岩的裂隙分布可知:在新形成的采空区两侧岩层断裂线是裂隙的主要分布区域，而前两步采空区内部所形成的离层裂隙和破断裂隙此时基本上被压实。

3.2 应力测点数据分析

通过分析图6可知:在煤炭的开采过程中，在采煤工作面形成了应力升高区、应力降低区和原岩应力区。应力升高区一般分布在煤壁的10～50m区域内，其应力集中系数先迅速增加到峰值然后缓慢减小到1.0，其应力峰值位置在距煤壁15～20m区域内，其大小为2.56；应力降低区分布在距离煤壁的0～10m的区域内，而50m之外的距离煤岩体的应力集中系数为1.0为原岩应力区，此时采动应力尚未影响到该区域。

图6 第一步开采后应力集中系数变化Fig.6 Change in stress concentration coefficient after first step mining

随着采煤工作面的不断推进，采动覆岩的活动范围逐渐扩大，此时在倾斜煤层的60～70m区域，应力集中系数增大为2.68，并且逐渐向煤岩体内部移动。充分采动后，应力集中系数整体上增加。由此可知在充分采动后，采空区侧壁的覆岩移动变形较大，此时容易发生各种采动动力灾害。

由图7可知，第二步开采完成后，应力峰值为2.78，其采动应力影响略大于第一步开采的采动影响程度。这主要是因为该煤层为急倾斜煤层，开采过程中在重力的作用下采煤工作面不断有岩石向下塌落，在开采扰动的影响下导致煤层壁上的应力增大；尚未进行第三步开采时，由于中间煤层的存在，第一步开采工作面和第二步的工作面在煤炭开采过程中的开采扰动影响是彼此独立的。

图7 开采后应力集中系数变化Fig.7 Change in stress concentration coefficient after mining

进行第三步开采的过程中，发现应力峰值均出现在应力升高区的边缘；其应力集中系数峰值分别为3.11、3.62，在应力集中程度比较高的情况下，采动覆岩处于失稳状态，极容易导致上覆岩层发生大规模的移动变形，此时所产生的冲击能量极大，该区域有可能发生采动覆岩的坍塌跨落。

3.3 应力影响范围分析

为了进一步明确地下煤炭开采过程中采动覆岩的移动变形，需要对采动应力的影响范围进行研究分析(图8)。由图8可知:

图8 采动应力影响范围Fig.8 Influence of mining stress area

(1)在第一步开采初期，随采宽增加采动应力的影响范围逐渐增大；当采宽L＞225 m，采动应力影响范围出现降低的趋势，并逐渐趋于稳定；这主要是由于采空区的承载能力随着采宽的增加而逐渐增强造成的。

(2)在第二步开采过程中，采动应力影响范围迅速增加，之后逐渐趋于稳定，并略有降低的趋势；此时的采动应力影响范围约为第一步开采的2倍，说明在充分采动后采动应力的影响不断扩大，采空区侧壁的覆岩发生移动变形。

(3)进行第三步开采时，在采动过程中采动应力对上覆岩层的影响范围迅速增大，最大可达319m，采动应力稳定后期影响范围稳定在300m左右；结合应力集中系数变化曲线可知在采动应力影响范围较大时，采动覆岩极易处于失稳状态，三个工作面采空区上覆破断岩层连通，此时采动覆岩层容易发生大规模的移动变形。

4 结论

(1)深部倾斜煤层开采过程中，沿着采煤工作面形成了应力升高区、应力降低区和原岩应力区。应该根据应力分布和应力集中的程度来判断采空区段煤柱是否处于失稳的临界状态，尽可能避免因主关键层断裂后上覆岩层大面积运动产生巨大能量，导致煤柱发生瞬时冲击破坏。

(2)分析采动应力的影响区域可知:深部煤层开采对孤岛工作面进行开采时，新旧采空区容易因上覆岩层的垮落塌陷连通成整体，导致采动覆岩的断裂高度不断扩大至整个边界，引起各个岩层整体下沉，极易发生各种矿井动力灾害。因此采煤孤岛工作面上覆岩层的破断运动，直接影响着两侧采空区上覆岩层的运动形式与破断范围。

(3)根据采动应力分布规律和影响区域曲线可知:在倾斜煤层方向上孤岛工作面的采动应力影响范围极大，并且孤岛工作面位于采动应力升高区的边缘，在煤炭开采过程中容易形成高应力集中导致矿井各种动力灾害的发生；布置该区域的巷道位置时应该考虑布置在采空区的应力降低区内，并且煤柱宽度不应大于10～12m，最佳选择为6～8m。该区域内的煤层虽然也出现了采动应力的扰动和松动破坏，但是其压力基本已经释放，出现采动应力集中和动力灾害现象的概率较低，并且有利于巷道的维修加固。

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