采空区覆岩运动规律相似材料模拟试验研究①

郭龙辉

(安徽理工大学土木建筑学院,安徽 淮南 232001)

0 引 言

由于煤层开采导致采空区覆岩垮落，造成开采延误以及危机工人生命的案例屡见不鲜，中国的煤田分布范围广泛，距不完全统计，每年将近有1亿立方米的地表由于采空区的失稳破坏而形成塌陷坑，因此研究采空区覆岩的垮落破坏形态以及其下沉特点变得至关重要。近些年来，众多学者[1-8]也投入到对采空区覆岩的研究中去，黄昌富[9]利用相似材料模拟试验将覆岩的垮落区域分为不稳定区，基本稳定区和稳定区，并发现塌陷区岩体具有闭合现象；方新秋[10]通过试验、理论分析、数值模拟和现场实测等多种手段，对采空区上覆岩层的运动规律做出研究，发现采空区上覆“砌体梁”结构的稳定性主要取决于基岩厚度以及其岩层的物理力学性质；本文通过建立物理模型，设计相似材料模拟试验和flac3d数值模拟，对采空区覆岩的破坏特征加以描述并总结覆岩的下沉变形规律，以此对采空区覆岩的沉降变形做出研究。

1 工程概况

该矿地表位于工业广场附近，地表常年无积水，地表有零星建筑，该煤层走向长800m，倾向长200m，面积160000m2，工作面标高约为800m，煤层厚度为3m，采空区覆岩多为细砂岩和中细砂岩，强度较高，颗粒间呈刚性连接，且层理分布明显。

2 相似材料模拟试验

2.1 相似模型设计

图1 试验模型及测点布置

2.2 试验过程描述

室内相似材料试验可以较好的再现实地勘探所不能反映的采空区覆岩沉降变形规律，采用安徽理工大学大型多功能平面模拟装置，经过相似材料配比、搅拌、支模板、装填等多道试验工序，完成实验的前期准备。

(1)测点布置

为更好的监测采空区覆岩的破坏形态和下沉变形，在采空区上覆岩层以10cm为间距布置七排共计273个下沉测点，每一排自下而上分别命名为B-H，测点的分布如图1所示。

(2)模拟开挖

在本次相似材料模拟试验中，煤层的开挖方式为一次采全高分区段开挖，每个两个小时开采一次，每次开采5cm，共计开采36次，累计开采180cm,即原型实际开采180m。

3 试验结果分析

本次相似材料模拟试验反映出许多采空区覆岩垮落及运移规律，下面从冒落带和裂隙带的破坏形态和采空区覆岩的下沉变形规律几个方面来总结试验结果。

3.1 冒落带的破坏形态

由于煤层开采原因，煤层上下顶底板之间的原有应力状态发生改变，产生应力重分布，在这个过程内顶板发生垮落和下沉等多种移动方式，顶板跨落后，采空区覆岩发生明显的分带，自下而上分别为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。

顶板由于煤层被采出，自身受重力荷载，当岩层的的重力荷载大于其自身的自承载能力时，岩层发生垮落，掉落在开采工作面，垮落岩块或呈层状结构或无规则散落，冒落岩块具有碎胀性，随着上覆岩层垮落，冒落岩块逐渐被压密压实，如图2所示，最终稳定在7cm，所以试验模型确定的冒落带高度为7cm(原型高度7m)。根据煤炭相关部门确定的冒落带高度由公式(1)确定：

(1)

式中：m为煤层高度，3m;k为岩石的膨胀系数，通常取1.3；α为煤层倾角；将已知参数带入公式(1) ,求得的理论冒落带高度为10m。经对比，试验模型中观测到的冒落带高度与理论计算得到的冒落带高度相近，前者略小于后者3m。

3.2 裂隙带的破坏形态

冒落带被上覆岩层逐渐压密压实，导致上覆岩层的垮落和下沉受限，破坏形态多表现为在岩层之间产生横线裂缝，岩层下边缘受拉而产生横向微裂缝，最终岩层发生弯曲破坏，这种破坏形式逐渐被上覆岩层自重荷载压密，最终稳定高度为50cm(原型50m)，该区域被称为裂隙带，其分布区域如图3所示。导水裂隙带是由冒落带和裂隙带组成，试验模型中最终的导水裂隙带为57cm(原型57m)，根据煤炭相关部门确定的最大导水裂隙带高度的计算公式，由公式(2)确定：

Hf=[100M/(2.4n+2.1)]+11.2

(2)

式中：M为煤层高度，3m；n为开采煤层的分层数，1；Hf为最大导水裂隙带高度；将已知参数带入公式(2)，得到最终的导水裂隙带高度为78m。

图2 冒落带破坏形态

图3 最大导水裂隙带分布

3.3 试验模型覆岩的沉降变形规律

在整个开采过程中，总计开采180cm，在采空区上覆岩层布置20个测点，1号测点位于开切眼右侧10cm处，开采工作从右向左推进，测点编号依次向左增加，直至开采结束，图4是采空区上覆岩层的7排测点监测的下沉曲线。

图4 各排测点的下沉曲线

从图4可以发现：各排测点的下沉曲线呈对称的凹曲线，随着岩层埋置深度的增加，各排测点的下沉量和下沉范围逐步增大；接近开采工作面的B、C、D排测点下沉量最大，反映出开采工作面上覆基岩垮落剧烈，破坏程度深；而E、F、G、H排测点的下沉量相对较小，且他们的下沉曲线间距小，几乎重叠，反映出采空区高位覆岩的沉降变形受到地位已垮落岩层的影响，即使在自身重力荷载和上覆岩层荷载下，也不会发生太大的沉降；最大下沉测点发生在B排的11号测点，该测点位于采空区正上方，下沉量最大，这与常规覆岩沉降规律相一致。

3.4 数值模型覆岩沉降变形规律

结合实际岩层的相关物理力学性质，建立数值模型，与试验模型相对应，开采尺寸为(180m×3m×40m),分36次开采，每次开采5cm，共计开采180m，俺开采推进度将整个开采工作分为前期、中期、后期三个阶段，下面是开采推进度分别为60m、120 m、180 m时采空区覆岩沉降变形云图。

图5 不同推进度下覆岩沉降变形云图

从图5中不同推进度下采空区覆岩的沉降云图可以看出：随着推进度的增加，覆岩的沉降范围逐步向上和沿着推进方向发生移动，且越靠近采空区覆岩的下沉量越大，在同一埋置深度，越靠近采空区中央，其下沉量越大；采空区覆岩的下沉云图呈近似对称形态，这与试验模型下沉曲线得出的规律相一致，普遍反映出采空区覆岩的下沉规律；随着埋置深度减小，覆岩的下沉量也减小，但是下沉范围增大；开采前期采空区覆岩发生较大的沉降，最大沉降为13cm，中期下沉量为17cm，后期下沉量为18.5cm,反映出开采前期覆岩的下沉速率最大，破坏最剧烈，因为在此阶段发生了老顶初次来压，顶板破裂等矿压现象，中期和和后期下沉速率减小，因为前期破碎的岩块充填整个采空区，持续被压密压实，后垮落的岩受到次限制，不能发生较大的沉降；试验模型和数值模型在反映采空区覆岩的沉降变形规律中具有高度一致性，反映出两种研究手段的可行性。

4 结 语

(1)设计相似材料模拟试验，实验结果表明煤层被开采后，采空区覆岩出现较为明显的分层结构，自下而上分别为冒落带、裂隙带、弯曲下沉带，并计算了冒落带和最大倒水裂隙带的高度，推断出该工作面易发生漏水事故。

(2)试验模型中各排的点的下沉曲线反映出采空区覆岩的下沉规律，下沉曲线呈对称形态，最大下沉量出现在采空区中央的B排11号测点，埋置深度越大，覆岩的下沉量越大。

(3)设计数值模拟，从数值模型的沉降云图可以发现覆岩沉降范围的移动规律，随开采推进，沉降范围向上和向推进方向发生移动，且反映出的下沉规律和试验模型所体现的具有高度一致性。