厚层坚硬顶板离层发育特征与水害成因机理

张周鑫， 刘启蒙， 金洲洋

(安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南232001)

0 引 言

受煤系地层沉积分层性及结构与岩性差异影响，采动覆岩在弯曲沉降过程中不同步。这种不同步弯曲沉降引起的相邻岩层层面(或薄弱面)分离现象，称之为离层。离层是采矿过程中顶板跨落的常见现象之一，其模拟方法主要包括离散元方法［1］、有限元法［2］、接触元法［3］及有限差分法。离层是覆岩沉陷过程中沿层面产生的分离，在冒落带、导水裂缝带及弯曲下沉带中均有产生，但在顶板“两带”中离层发育的时间较短且其空隙会逐渐被压实闭合，而在弯曲下沉带中一般离层范围较大，发育时间较长。目前，大部分研究学者认为，顶板冲击的倾向性与顶板的岩性结构有关，冲击压力的形成是由于坚硬顶板断裂前后的能量积聚和能量快速释放所致［4－7］。乔伟等［8］提出了离层水“静水压涌突水”的离层水涌突水类型，并探讨了采场顶板离层水“静水压涌突水”的形成机理。李小琴［9］提出了动力突破带的理论表达式等。有岩浆岩侵入或是煤层顶板厚度较大且坚硬的煤系地层，很符合离层发育的条件，对煤层回采时的顶板管理与巷道施工很不利。我国华北型煤田部分区域存在离层水害的问题，开展相关研究并制定防治措施具有理论意义和实用价值。笔者以淮北杨庄煤矿为背景，研究离层发育特征及离层水害成因机理，为类似条件的水害防治提供了参考。

1 研究区地质概况及离层水害成因

1.1 地质条件

杨庄煤矿位于濉萧矿区东南部，属于淮北煤田，水文地质条件为淮北岩溶水系统。井田范围内地层倾角约10°，区域内构造较为发育。西三采区5110 工作面位于井田西部，地质构造简单，总体为一单斜构造，局部受岩浆岩侵入影响。工作面上限标高为－309 m，下限标高为－440 m，走向长度1 062 m，倾斜宽180 m，煤层厚度约为2.6 m，可采系数0.92，采用综合机械化采煤方法，顶板为自然垮落法管理。工作面上覆岩性结构为砂质泥岩、粉砂岩、泥岩、砂岩、岩浆岩。井田内主要含水层为松散层底部砂砾岩含水层、煤系地层砂岩含水层组、太原组灰岩含水层、岩浆岩和奥陶系灰岩含水层。工作面开采安全主要受煤层顶板火成岩水、顶底板砂岩水及采动引起的裂隙水影响。

据井下突水点资料，5#煤层顶板岩浆岩发生突水八次，主要发生在沿煤巷掘进的巷道和工作面初次放顶的过程中，突水量为29～220 m3/h。岩浆岩水属于顶板水，主要为静储量，具有突发性、突水点集中、爆发性强、初期水量大、来势凶猛等特点，加之岩浆岩侵蚀缺乏规律性，突水难以预测，对工作面安全回采影响很大。WⅢ5110 工作面受顶板砂岩水威胁，开采过程中先后发生突水事故30 余起，最大突水水量在80～100 m3/h 范围内。该工作面水量以静储量为主，补给条件较差，单位涌水量q =0.000 875～0.078 700 L/(s·m)，渗 透 系 数K = 0.012 6～0.326 0 m/d，富水性较弱，因而尚未对矿井生产构成威胁。综合资料显示，WⅢ5110 工作面开采主要受岩浆岩水及次生裂隙水害威胁，工作面开采过程中突水异常区域分布情况如图1 所示。

图1 WⅢ5110 工作面赋水异常区分布Fig．1 Distribution of water enrichment anomaly area in WⅢ5110 workface

1.2 离层水成因

由采矿学理论可知，煤层开采引起的上覆岩层变形破坏，一般情况下呈现出渐变关系，而坚硬厚层顶板所形成的沉降将表现出突然性与延迟性。钻孔95－4#及87－9#穿过工作面顶板的揭露显示，5#煤层以上8～11 m 范围内被岩浆岩侵入。根据关键层理论［10］，坚硬的顶板岩体不能与其下伏软弱岩层同步跨落或弯曲下沉，故发生离层现象。

离层积水是在开采的复杂水文工程地质条件下，采煤工作面顶板产生的一种动态的突水水源，导致突水的动力源为厚层坚硬岩体。煤层回采后，地层整体弯曲下沉，但由于受厚层坚硬岩体的支撑，其上部岩层未随之下沉，而在岩层重力和厚层砂岩与火成岩岩板拉伸的共同作用下，岩层不均匀下沉，并在5#煤顶板砂岩中形成拉伸破坏，从而形成了不连续发育的离层。因该层砂岩自身就是弱含水层，加之底含水通过浅部煤岩层露头和火成岩裂隙对其缓慢补给，从而使离层内产生积水。当5#煤层采动后，破坏了岩体原有的应力平衡，岩层整体或部分位移产生的动力，挤压了离层储水空间，导致积水冲破离层与5#煤采动后裂隙带间有限的隔水层，从而引发突水并可能造成灾害事故。

2 离层裂隙演化数值模拟

为了研究杨庄煤矿5#煤层上覆厚层坚硬顶板在采动条件下的离层空间发育特征，结合WⅢ5110工作面的开采条件、顶板岩性、边界条件、初始特征，进行数值模拟计算。此次模拟采用的是UDEC 软件，该软件程序是基于离散单元法编制而成的，能较好地凸显离层发育演化过程。原始岩层是由天然块体和诸如断面、节理、解理等不连续面组合而成，受开采扰动影响将发生各种机械作用与力学行为，此软件能较好地模拟这一类特征活动，允许离散的岩块发生大变形，沿不连续面滑动、转动、脱离和冒落，且可在计算过程中自动识别新的接触。

2.1 UDEC 数值模型

以WⅢ5110 工作面为数值模拟原型，根据现场实测地质资料，建立数值模型。模型设计遵循原则:

(1)考虑突出影响采动覆岩移动的主要因素，并尽可能多地考虑其他重要因素;

(2)重点反映材料的物理力学特性与结构面特性;

(3)定义边界效应和初始地应力;

(4)模型具有合适的尺寸。

基于上述原则，模型的左右边界均定义为单约束边界，取sx=0，sy≠0(sx为x 方向位移，sy为y 方向位移);下部边界x 和y 方向定义为全约束边界，取sx=sy=0;上部边界x 和y 方向移动量较大，定义为自由边界，不予约束。

根据弹性力学中圣维南原理，取模型尺寸为300.0 m×60.5 m，共分为八层。模拟煤层采高近似取2.5 m，顶板来压步距为20 m，两端定义围岩边界为50 m，实际开挖200 m，煤层埋深取400 m。初始应力施加在模型顶部界面，荷载为上覆350 m 岩体自重应力。岩体及节理面力学参数如表1、2 所示，初始模型如图2 所示。

表1 岩体力学参数Table 1 Mechanical parameters of rock mass

表2 节理面参数Table 2 Joint surface parameters

图2 模型离散元剖分Fig．2 Discrete element subdivision graph of model

2.2 结果分析

2.2.1 模型初始数据精度检验

文中在初始计算过程中设置了监测点，经过370 690步迭代计算，跟踪记录了最大不平衡力与初始位移的变化。图3为模型顶界面位置检测点采样记录。

图3 模型检测点跟踪记录Fig．3 Tracking diagram of model testing point

图中横轴为计算时间需换算为对应的迭代步数，图3a 反应了经过736 步达到0．13 MN 的整体力平衡状态;图3b 显示相同迭代步数后垂向位移量达到最小值0．101 m。两特征变量均满足计算精度要求。

2.2．2 离层动态发育过程

计算结果显示了离层动态发育过程，限于篇幅，文中选取80、160、200 m 为典型开挖步长，分析其塑性分布和应力的重分布特征。随着工作面的回采，5#煤层顶板岩层裂隙发育直至垮落，当波及到厚层坚硬的侵入岩层时，开始出现离层现象，典型开采步骤时的顶板垮落和覆岩离层情况如图4 所示。

图4 典型开采步骤时离层发育情况Fig．4 Development state of separation by typical mining steps

根据模拟结果，工作面推进到40 m 时，煤层直接顶分层垮落，上覆岩层向下移动;推进到80 m 时(图4a)，弯曲下沉带已波及到岩浆岩底界面，且上下层位之间出现明显的离层空间。水平方向上，在工作面切眼位置处，离层空间的规模较迎头位置更大。由于厚层硬质岩浆岩的强力承载，形成支撑梁作用，使得离层空间未向上弥散。如图4b 所示，随着工作面推进到160 m，离层空间水平向上的范围、上位岩层悬露长度及挠度均不断增大，初始切眼位置的离层空隙逐渐闭合压实。随着回采面的继续推进，达到200 m 时(图4c)，离层空间范围较之前未有较大扩展，形成稳定分布态势。

综合上述塑性破坏模拟分析结果可知，在工作面推进过程中，由于岩浆岩作用且距离煤层较近，使得顶板裂隙在小步距开挖后便不再向上扩展，达到一个稳定的状态，由此形成了较好的离层空间;岩浆岩具有很好的整体性，挠度与强度都很大，随着工作面的不断推进，对上覆顶板形成很好的支撑作用，阻止了破坏向上的弥散趋势。离层空间的发育主要集中在工作面的上方中央区域，由于采空区的超前支撑作用，在迎头位置岩浆岩底界面的离层宽度和高度都发育到最大值。

2.2.3 离层发育顶板应力分布特征

图5 为工作面推进不同距离时上覆岩层应力等值线图。

图5 工作面推进不同距离时上覆岩层应力等值线Fig．5 Stress contour of overlying strata by different mining steps of work

如图5a 所示，煤层开挖引起应力重分布，在采空区前后方形成应力拱。应力曲线起于采空区后部煤体，止于控顶区或煤壁前方，采空区中部上覆岩层块体所受的应力较小，越向下应力越大，即从拱顶到拱脚，轴向力逐渐递增，在拱脚出现应力集中。图中切眼位置与煤壁前方承受着集中应力作用，采空区中部受力较小，这与自然平衡拱的力学特性是一致的。应力拱发育到岩浆岩底部，在此拱结构作用下，下位岩层产生离层，拱外不会产生离层。

图5b 为推进到160 m 时的应力等值线分布图。从图中可见，随着工作面的推进，应力拱结构的跨度、拱高不断增大，伴随开采距离增大和切眼处垮落压实，后拱脚前移。

图5c 为推进至200 m 时的应力等值线分布图。由图可知，上覆岩层的应力曲线在开采后表现出相同的规律，即具有明显的分区性，采空区上方一定区域为应力释放区，采空区外侧为应力集中区。

综合上述应力重分布特征可知，在工作面开采过程中应力动态变化呈现出一般规律:采空区及其上方岩层内的主应力值相对切眼及煤壁前方应力值小，采空区上方一定范围内岩层发生了采动卸压现象;上方厚层坚硬岩浆岩起支撑上覆岩体作用，离层发育在底界面一定深度与宽度范围内，应力值呈现移动拱形特征。

2.2.4 离层发育动力突水机制

文中模拟分析了离层发育特征，由此可知，煤层开采过程中，随着采空区的形成与扩大，以及顶板支护不及时，上覆天然岩体在自重应力及构造应力作用下产生的岩层面间的拉应力或剪应力超过了相应的抗拉或抗剪强度，导致裂隙形成，甚至变形破坏。由于岩层间的力学性质差异，上下位岩层在向采空区方向移动的过程中存在张拉或错动位移，即不协调变形，当扩展到岩浆岩底界时发生阻碍，发育成为离层空间。离层的发育又是良好的储水空间，且厚层质硬的岩浆岩的冲击性垮落又为其突出提供动力条件。随着工作面的不断推进，加之煤系砂岩水源充裕，岩石渗透性强，顶板裂隙相互贯通并形成水力通道，受采煤扰动影响后在较短时间内可形成大量的离层水，聚集的离层水在岩浆岩冲击性垮落时瞬时释放，造成突水危害，对工作面的回采构成威胁。

3 结论与建议

通过对淮北矿区杨庄煤矿WⅢ5110 工作面水文工程地质条件分析、离散元计算、离层演化动力突水机制探讨，得出如下结论与建议:

(1)工作面顶板发育有厚层质硬的火成岩体，具备了顶板离层的地质条件，煤系砂岩水源充分，具备了形成离层水的物质基础，火成岩的冲击性垮落是离层水体释放的关键因素。

(2)离层空间不可能发育于采场“两带”范围内，而是在整体弯曲下沉带中，且上位岩层具有较强支撑力作用。采动过程中离层空间的发育一般在采空区上方中央位置，煤壁前方宽度与高度值较大。应力的重分布表现为采场两端集中、中间释放的移动应力拱特点。

(3)防治离层水害可通过留设煤柱和超前疏放离层补给水源及离层水两种途径来避免覆岩离层水的形成，对应的井下离层水疏放孔分别为离层水导流孔和截流孔。导流孔的设置是在采场顶板离层水形成充水影响之前，施以井下钻孔，对采场顶板水或离层水进行超前疏放;截流孔则是在工作面外施工阻截水源补给离层空间，从而减小离层水对下部采场的充水影响。

［1］许家林，钱鸣高，金宏伟．岩层移动离层演化规律及其应用研究［J］．岩土工程学报，2004，26(5):632 －636．

［2］苏仲杰，于广明，杨 伦．覆岩离层变形力学机理数值模拟研究［J］．岩石力学与工程学报，2003，22(8):1287 －1290．

［3］张百胜，闫永敢，康立勋．接触单元法在层状顶板变形分析中的应用［J］．煤炭学报，2008(4):387 －390．

［4］孟召平．煤层顶板沉积岩体结构及其对顶板稳定性的影响［D］．北京:中国矿业大学，1999．

［5］赵团芝，李文平，赵成喜，等．顶板覆岩离层水体分布规律勘查研究［J］．矿业安全与环保，2008，35(5):4 －7．

［6］王经明，喻道慧．煤层顶板次生离层水害成因的模拟研究［J］．岩土工程学报，2010，32(2):231 －236．

［7］王争鸣，王经明．新集矿区推覆体下采煤离层水的成因与防治［J］．能源技术与管理，2008(3):55 －57．

［8］乔 伟，李文平，李小琴．采场顶板离层水“静水压涌突水”机理及防治［J］．采矿与安全工程学报，2011，28(1):96－104．

［9］李小琴．坚硬覆岩下重复采动离层水涌突机理研究［D］．徐州:中国矿业大学，2011．

［10］钱鸣高，缪协兴，许家林，等．岩层控制的关键层理论［M］．徐州:中国矿业大学出版社，2003．