特厚煤层开采引起上覆黄土斜坡裂隙化试验研究

2023-02-13成玉祥陈毛宁

地震工程学报 2023年1期

成玉祥, 甘玥, 陈毛宁

(1. 长安大学地质工程与测绘学院, 陕西西安 710054;2. 西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室, 陕西西安 710054;3. 重庆南江地质工程勘察设计集团有限公司, 重庆 401147)

0 引言

特厚煤层是指可采厚度超过8 m的煤层,是非常宝贵的煤田资源[1]。而作为地下煤层,厚度越大,开采后顶板和上覆岩层的变形就越大。这种大幅度地下开采引发的应力变化和变形作用于上覆黄土斜坡,对斜坡稳定性的影响也远远超过一般煤层开采,其引发的斜坡变形破坏灾害效应尤为突出,严重威胁矿区人民生命财产安全与采矿安全。针对这一问题,前人从岩体位移规律、地表破裂和斜坡位移三个方面开展了大量的研究工作。刁乃勤[2]以甘肃华亭地区某矿为例,采取综合物探、裂隙带高度实测等手段,分析了综放开采条件下的岩移规律。陈铭威等[3]以准东煤田大井二号煤矿为研究对象,采用数值方法分析了巨厚煤层分层开采覆岩移动规律。胡青峰等[4]针对大同矿区特厚煤层重复开采覆岩与地表沉陷问题,采用相似模型试验,分析了两煤层重复开采时覆岩沉陷规律、离层发育规律、煤柱群垮塌规律以及地表塌陷规律,揭示了覆岩与地表沉陷机理。韩军等[5]采用数值计算、微震监测和瞬变电磁探测方法对老虎台矿55003工作面分层综放开采过程中覆岩破坏高度进行分析,确定了采出厚度与覆岩破坏高度的关系。娄芳等[6]以准东煤田大井2#煤矿B1巨厚煤层分层开采为工程背景,采用数值模拟对煤层分层采出后覆岩破坏进行了研究。曾强等[7]选取准东大井矿区为研究对象,构建了巨厚煤层开采力学模型,模拟研究不同开采方式采场覆岩裂隙分布特征。李小磊等[8]对比山区和平原条件下开采引起的地表最大下沉点移动轨迹及变形曲线,总结了二者地表移动规律的差别。Hebi等[9]以法国洛林煤矿的监测资料为基础,分析了采空塌陷区地表移动的影响因素。汤伏全等[10-11]以渭北矿区为研究对象,运用FLAC软件分析了地下开采引起基岩沉陷的黄土层附加应力与变形特征,并构建了沉陷预计模型。戴华阳等[12-13]结合实测数据与相似模型试验,揭示了急倾斜特厚煤层地表移动变形机制。高超等[14]监测东坡煤矿地表移动情况,分析了特厚煤层开采条件下,地面沉降预计参数及动态变形特征。娄芳等[15]以准东煤田大井2#煤矿为例,通过相似模拟试验,研究了巨厚煤层开采过程中覆岩破断、沉降规律。汤伏全等[16]考虑厚黄土层的自重作用,认为地表变形是地下开采与黄土层自身体积变形的叠加,以此为基础建立了厚黄土层地表下沉预计模型,并探讨了巨厚黄土层开采裂缝机理。李广成等[17]分析了陈家沟煤矿巨厚煤层综放开采及特殊地质条件下地表裂缝的形成机理,并获得了地表裂缝发育深度参数。刘义新等[18]研究了淮南矿区巨厚松散层大采深下采煤地表移动规律。孙学阳等[19]以铜川矿区采动滑坡为例,探究开采沉陷诱发山体滑坡机理。刘新喜[20]以窑街煤矿为例,研究了开采沉陷对上覆黄土斜坡稳定性的影响。上官科峰等[21]以金和一号矿井后山采动斜坡山体滑坡为研究对象,分别运用极限平衡理论、有限差分数值方法分析了采空区上覆山体滑坡的内在机理。

综上所述,现有的研究主要集中在覆岩变形破坏、地表破裂与位移和黄土斜坡变形三个方面,专门针对黄土地层破裂的研究成果很少,而且大多关注点在地表裂缝。特厚煤层开采引发黄土滑坡研究更是空白。要查明此类滑坡的形成机理,开采条件下坡体内裂隙发育情况是不得不考虑的关键因素。因此本文以彬长矿区某斜坡为研究对象,考虑上覆黄土与基岩顶板的差异性,通过物理模型试验分析特厚煤层开采引起上覆黄土地层裂隙演化规律,研究成果为查明黄土地区特厚煤层地下开采诱发滑坡机理提供理论依据。

1 原型地质条件

基于以上研究目的,本文选取彬长矿区某斜坡作为物理模型试验的原型,开展了特厚煤层开采引起的黄土斜坡破裂模型试验。根据矿区地质资料,研究区段地层自下而上依次为:

① 三叠系上统胡家村组(T3h)灰黑色泥岩、灰绿色中～细粒长石石英砂岩,钻探资料未揭穿。

② 侏罗系下统富县组(J1f)紫褐色泥岩、泥质粉砂岩、细粒砂岩。厚度为0～46.00 m,一般厚度10～20 m,平均18.20 m,局部缺失。

③ 侏罗系中统延安组(J2y)灰～深灰色泥岩、砂质泥岩、粉细砂岩与灰白色中粗粒砂岩互层。钻孔揭露厚度为0～82.64 m,一般40～80 m,平均厚54.32 m。

④ 侏罗系中统直罗组(J2Z)紫杂色及灰绿色泥岩、灰绿色～灰白色砂岩、含砾粗砂岩～细砂岩,钻孔揭露厚度为12.17～59.30 m,平均厚30.78 m。

⑤ 侏罗系中统安定组(J2a)棕红色、紫红色砂质泥岩,钻孔揭露厚度为0～88.30 m,平均厚49.84 m。

⑥ 白垩系下统宜君组(K1y)杂色巨厚层状粗砾岩,钻孔揭露厚度13.50～53.00 m,平均厚30.79 m。

⑦ 白垩系下统洛河组(K1l)紫红色、棕红色巨厚层状细～粗粒长石砂岩,钻孔揭露厚度为253.20～388.53 m,平均厚332.63 m。

⑧ 白垩系下统华池组(K1h)紫红色泥岩,钻孔揭露厚度为12.78～185.80 m,平均厚79.22 m。

⑨ 新近系(N)棕褐色黏土、砂质黏土,厚度随地形而异,一般50～100 m。

⑩ 第四系更新统(Q1-3)浅棕红色黏土质黄土、浅棕黄色黄土、淡黄色粉砂质黏土,厚度87～90 m。

本区含煤地层为中侏罗统延安组,厚度为40～80 m,含4煤组,分为4、4上两层,其中4煤层为主采煤层,煤层全厚3.70～26.30 m,平均厚16.25 m,属特厚煤层,煤层结构简单,属较稳定煤层。

根据矿区地质剖面图,选择黄土冲沟段进行研究,研究区段岩性与厚度如工程地质剖面简图(图1)。

图1 研究区段工程地质剖面简图Fig.1 Engineering geological profile of the study section

该矿的开采方式在煤层厚度超过12.0 m的区域,采用分层综采放顶煤采煤法,每次开采厚度不超过12.0 m,对煤层厚度小于4 m的区域则采用综采,煤厚为4～12 m的区域则采用综放一次开采,全部垮落法管理顶板。

2 物理模型试验

本文核心研究内容是煤层开采引起上覆黄土斜坡裂隙化规律,因此在物理模型试验设计时,重点考虑受地下采煤影响最大的黄土斜坡地段开展试验。

2.1 物理模型的建立

根据研究区地形地貌与地质条件,同时考虑物理模型试验的条件限制,选择地下采煤影响最大的黄土斜坡区域,采用几何相似比为100∶1建立物理模型。构建的物理模型坡高120 cm,坡长200 cm,坡度45°直线形斜坡,如图2所示。斜坡岩土体采用重塑黄土制作。

图2 物理模型设计图Fig.2 Design drawing of the physical model

2.2 模型试验边界条件的设定

模型试验的边界条件为模型左右两侧有模型箱的前后壁,可以认为垂直方向自由边界,水平方向固定边界。斜坡的坡顶、坡面和坡脚为自由边界。

斜坡底部(模拟黄土与基岩接触面)的边界条件受采煤塌陷过程控制,但又是煤层开采引起上覆黄土斜坡裂隙化的关键影响因素。目前尚无理想的研究方法确定黄土斜坡不均匀荷载与采煤扰动耦合作用下基岩顶面的变化规律。本次试验首先利用离散元方法得出地下采煤过程中黄土与基岩接触面的变形规律进行确定。

根据上文矿区地质剖面和顶板管理方式,利用UDEC离散元软件建立了数值模型,模拟从坡脚向坡内方向逐步递进顶板塌落条件下,计算基岩顶面下沉量,进而研究地下采煤对上覆黄土地层变形破坏的影响。该计算模型尺寸为800 m×520 m(长×高),坡度45°,坡脚至模型左侧边缘长300 m,上覆黄土层厚度为120 m,煤层设定为水平煤层,厚度取20 m。地层自下而上分别为泥岩、煤层、砂岩、砂质泥岩、砂砾岩、粗砂岩、泥岩和黄土层(图3)。岩土体物理力学参数主要参考区域资料,并对比邻近矿区地质资料综合确定(表1)。

图3 研究区段离散元模型Fig.3 Discrete element model of the study section

表1 主要煤岩层物理力学性质

采用库仑摩尔强度准则进行计算,模拟如图3中①～⑩方向，由坡脚向坡内方向逐步递进开采,在顶板完全塌落条件下考虑煤层顶板的变形规律。对基岩顶面监测点进行布置(图3),监测结果如图4所示。

图4 基岩顶面监测点垂直位移模拟结果曲线图Fig.4 Vertical displacement curve of monitoring points on the top surface of bedrock obtained by numerical simulation

已知黄土坡体原型与试验模型几何相似比为100∶1,因此将数值模拟得出基岩顶面竖直位移沉降量缩小100倍,通过在模型箱底部设置千斤顶,通过调整千斤顶高度模拟基岩顶面竖向变形,作为本次模型试验底部边界条件(表2)。

表2 模型底部边界条件设定表

2.3 裂隙扩展与位移监测设计

本次模型试验主要为了研究特厚煤层开采作用下黄土斜坡的裂隙化过程,因此观测内容主要包括裂隙扩展过程和斜坡位移。根据监测需要,模型箱侧壁采用有机玻璃制作,因此在试验的过程中可以实时观测裂隙的扩展过程。

在黄土斜坡物理模型制作过程中,在靠近模型箱侧壁处布置位移标识,在模型箱侧壁的玻璃上预先设定网格基准线(图2),通过比较位移标识和基准线之间的空间位置关系变化,即可观测试验过程中黄土斜坡位移的变化规律。

2.4 试验过程

(1) 试验材料准备。

(2) 调整模型箱,木板一侧铺设一层薄膜,以减少侧壁摩阻力。玻璃一侧绘制10 cm×10 cm网格位移基准线。

(3) 模型箱底板清扫干净,将千斤顶升至最高,每隔20 cm放置一个千斤顶,千斤顶上放置20×20 cm升降活动底板,底板铺设土工布一层,以防填土泄露。

(4) 依据矿区原状土干密度,通过分层夯实法制作与原状土干密度相同的物理模型。每层铺设完毕后,层面凿毛处理,然后铺设下一层,铺设完成后削坡,完成模型的制作。

(5) 在玻璃侧张贴刻度表,记录千斤顶(底板)初始高度,按照表2塌陷沉降量计划值,间隔12小时分次下调千斤顶,监测斜坡裂隙化扩展、斜坡形态变化、位移量。

(6) 记录试验数据,数据处理与分析。

3 试验结果分析

3.1 裂隙扩展过程分析

第一段黄土层底界塌陷稳定后[图5(b)],距离坡体左侧边界20 cm处,发育一条与坡底面夹角102°,贯通坡体的裂隙,记为裂隙1。裂隙1右侧40 cm处发育一条30.5 cm长裂隙,与坡面夹角为69°,记为裂隙2;裂隙2右侧50 cm处,发育扩展一条20.5 cm长裂隙,与坡面夹角为72°,记为裂隙3;并在该裂隙之上,派生出一条24.5 cm长裂隙,与坡面夹角为9°,记为裂隙4。第二段塌陷稳定后[图5(c)],裂隙3沿与坡面呈70°方向向上扩展了21 cm,裂隙4沿与坡面呈22°向上扩展9.5 cm,裂隙2左上方坡面附近发育出一条8.5 cm长裂隙,与坡面夹角为34°。第三段塌陷稳定后[图5(d)],裂隙2上方派生出一条10.5 cm长裂隙,与坡面夹角为12°。裂隙3右侧30 cm处,自底边界向上发育一条33.5 cm长裂隙,与坡面夹角为60°,记为裂隙5。裂隙5向上派生出一条31.5 cm长裂隙,与坡面夹角为18°,记为裂隙6。裂隙5右侧15 cm处,发育一条22 cm长裂隙,与坡面夹角为36°,记为裂隙7。其上派生出一条13 cm长裂隙与坡面夹角为19°,两条裂隙未贯通。第四段塌陷稳定后[图5(e)],裂隙发育不明显。第五段塌陷稳定后[图5(f)],裂隙6向上扩展10 cm,与坡面夹角为52°。裂隙7中上部出现一条22 cm长裂隙,与坡面夹角为75°,记为裂隙8。第六段塌陷稳定后[图5(g)],裂隙3上部又派生出一条9.5 cm长裂隙,与坡面夹角为15°。裂隙8下方发育一条与其近平行,约18 cm长裂隙。裂隙7上方6 cm处发育一条17 cm长裂隙,与坡面夹角为61°,两条裂隙未贯通。第七段塌陷稳定后[图5(h)],在坡肩右下侧,发育与坡面夹角为15°的裂隙群。其主裂隙长约28.5 cm,两侧派生出多条平行的短裂隙,记为裂隙9。裂隙3左上方12 cm处发育一条9 cm长裂隙,与坡面夹角为62°,记为裂隙10。第八段塌陷稳定后,裂隙10左下方,发育一条与其近平行,14 cm长裂隙。裂隙9右侧10 cm处,发育一条10 cm长裂隙,与坡面夹角为53°。裂隙7继续向上延伸扩展,约11.5 cm,与坡面夹角为72°[图5(i)]。第九段塌陷稳定后,裂隙发育情况不明显,趋于稳定[图5(j)]。

图5 裂隙扩展过程图Fig.5 Diagram of the fracture extension process

3.2 裂隙发育特征分析

试验结束后对剖面上裂隙分布和产状进行了详细地量测统计。定义裂隙总长度与剖面总面积的比值为裂隙密度,得出裂隙密度为355 cm·m-2。从剖面上看,土体被裂隙分割为网状,这与野外调查所观察到的坡体的裂隙化和散体化相吻合。

通过分析还发现,剖面上发育的裂隙明显可以分为两组。一种是与坡面夹角70°左右的裂隙,该类型的裂隙主要为基岩顶面不均匀塌陷变形在坡体内产生的拉张作用所形成的。具有一定的宽度,最宽达0.8 cm,两壁参差不齐,长度总计274.5 cm,裂隙密度为180 cm·m-2。另一组与坡面夹角约15°裂隙,是在试验过程中逐渐随着坡体向临空方向变形而产生的,具有剪切裂隙的显著特征,裂隙比较紧闭,局部呈羽列状,长度总计66.7 cm,裂隙密度为175 cm/m2。

3.3 坡体位移特征分析

试验结束后,测量和统计预置监测点的位移大小与方向,得出坡体位移等值线图如图6所示。从图中可以看出,特厚煤层开采同时引起了斜坡的垂直塌陷和水平位移。最大垂直位移量位于斜坡坡脚部位,达到10 cm以上,自坡面向坡体内部逐渐减小[图6(a)]。自坡脚向坡肩,水平位移逐渐增加,至坡肩处达到最大值5 cm[图6(b)]。总体的位移导致斜坡坡度增大约2°,向临空方向倾斜。

图6 坡体位移等值线图(单位:cm)Fig.6 Contour map of slope displacement (Unit:cm)

3.4 裂隙化对斜坡的影响分析

斜坡稳定性受黄土的强度和坡体内的应力状态控制。从试验结果来看,坡体的坡度变化很小。因此坡体内整体应力状态变化不大。由此可以得出上覆黄土斜坡裂隙化是特厚煤层开采引发滑坡的根本原因。裂隙化导致了斜坡土体的完整性被破坏,同时为地表水的入渗提供了优势渗流通道[22]。而裂隙的产状决定了裂隙化后斜坡中局部应力状态的分布,控制着坡体内的宏观剪切破坏,最终促使滑面形成。