多重采动下大倾角上覆煤岩移动及地面井变形规律

王智民 ，梁运培 ，邹全乐 ，张碧川 ，冉启灿

（1.重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室, 重庆 400044；2.重庆大学 资源与安全学院, 重庆 400044）

0 引 言

在地理环境、成煤条件等因素的影响下，我国煤层普遍存在碎软、低渗透性的特点，这也给煤矿瓦斯治理带来了巨大的挑战。煤炭开采的采动卸压作用往往会使得煤层的渗透性有所提高，进而改善瓦斯在煤层中的解吸和流动状态。采动卸压区地面井瓦斯抽采技术就是运用了该原理，利用煤层开采的采动卸压作用使得瓦斯大量涌出，进而利用地面钻井充分抽采卸压范围内涌出的瓦斯[1-4]。但同时采动作用引起的岩层移动也必然会对采动范围内的地面井井身结构产生影响，进而导致地面井的失稳破坏。

国内外学者针对近水平、单一煤层开采情况下地面井的变形规律、失稳模式、失稳机制等进行了系统的研究，建立了地面井套管的剪切破坏、拉伸破坏、挤压破坏等数学模型。孙海涛等[5]基于采场上覆岩层组合划分规律建立了地面钻井变形破坏的层面拉剪变形破坏模型，并在晋城矿区地面钻井试验中进行了验证。鲁义等[6]利用地面沉降理论，建立了地面垂直钻井井身位移与变形的数学模型,得到了钻井水平位移与水平变形的函数，并基于数值模拟软件FLAC，实现了地面垂直钻井水平应力场的模拟。WHITTLES[7]利用数学模型分析了不同地质条件下，采动区地面井井身破坏的影响因素。PÉRIÉ[8]根据钻井周围的围岩破坏特征，提出了钻井围岩中间主应力是导致钻井发生变形破坏的重要影响因素。钱鸣高等[9]结合采动岩层移动规律和关键层理论分析了地面钻井的破坏形式及破坏规律。刘玉洲等[10]通过计算地面钻井在不同深度的水平位移和垂直变形，分析得出钻井主要遭受轴向拉压、径向剪切和径向挤压3 种破坏模式，并提出钻井主要因遭受剪切破坏而失效。孙海涛等[11]利用相似模拟试验分析了近水平煤层重复采动下地面井的变形规律，并提出重复采动影响下地面井的剪切变形呈现出“增大→减小→增大→减小”的反复错动的活动特征。

对地面井变形失稳的研究最终落脚点是判别其高危位置并提出合理的井身局部防护措施。国内学者利用数值模拟、相似模拟试验、现场试验等对水平煤层开采情况下地面井的高危位置的判别方法及合理的井身局部防护措施进行了研究。PENG 等[12]通过数值模拟研究了地面井高危位置的破坏机理。袁亮[13]通过 COSFLOW 和 FLUENT 数值模拟软件研究了钻井直径对钻井稳定性的影响，并提出通过增大钻井直径提高钻井稳定性，延长钻井的使用寿命。梁运培等[14-15]从岩层移动的角度出发分析了地面钻井不同布井位置对井身结构稳定性的影响。李日富等[16]分析了地面钻井抽采瓦斯效率的影响因素，并提出当钻井布置在靠近回风巷一侧时，可延长钻井的抽采寿命。陈金华等[17]通过 FLAC3D软件研究了在压缩、拉伸和剪切条件下钻井的失效类型，确定了影响钻井失效的一般因素和钻井基本的失效模式，并在成庄煤矿进行了现场验证。

岩层移动是导致地面井变形失稳的决定性因素，国内学者针对大倾角煤层群开采下的覆岩移动规律开展了大量研究。解盘石等[18]采用大比例三维物理相似模拟试验和数值计算相结合的研究手段,深入分析了伪俯斜采场初采阶段和正常回采阶段顶板应力演化规律。杨科[19]综合运用了井下钻孔三维成像对再生顶板结构实测、基于声发射监测技术的相似物理模拟和理论分析3 种技术手段，对大倾角煤层综采面再生顶板结构、垮落特征进行了研究。姚琦[20]通过建立数学模型，探究了急倾斜走向分段充填倾向覆岩破坏特性及移动规律，张俊英[21]利用三维有限元模拟研究，分析了地表沉降、煤柱应力与开采煤层数、煤层间距及相互位置等的相互关系。

从目前的研究来看，在利用相似模拟或者数值模拟研究采动区地面井变形时，通常只是采用布置监测线的方式来间接反映地面井的变形情况，并没有实际的将模拟地面井管道放入地层模型中，这就导致试验过程无法体现围岩与地面井的耦合作用，进而使得最终的试验结果不够准确。同时，目前的研究大多针对近水平单一煤层开采，但我国煤层赋存条件较为复杂，多为倾斜煤层且往往是多个煤层的接替开采，这就导致大量关于单一近水平煤层开采情况下地面井变形规律的研究结论不能完全适用。

因此，采用相似模拟试验，分析了大倾角多重采动条件下上覆煤岩的移动特征，探究了大倾角多重采动区地面井的变形规律，为地面井技术在工程中的应用提供理论支撑。

1 大倾角煤层群开采相似模拟试验

1.1 模型搭建

根据相似原理搭建试验装置时，要求模型在几何形状、应力应变、位移参数等同类物理量必须按一定比例相似。其中相似原理[22-23]表述为：若有2 个系统(模型与原型)相似，则它们的几何特征和各个对应的物理量必然互相成为一定的比例关系，这样就可以由模型系统的物理量推测原型相应的物理量，相似三定理也是进行相似模拟试验的理论依据。

1）几何相似。在相似模拟试验中，需模型与原型各部分的尺寸按同样的比例放大或缩小，达到几何相似。本文中的相似模拟试验装置为二维平面模型，其长宽比厚度要大很多，长宽的选取主要是根据工程实际情况来确定，而模型的厚度主要根据模型的稳定性要求和相关厚度的选取经验进行确定。

2）物理相似。根据模型所要解决的实际问题，选取其中起控制作用的物理参数。本模型研究煤层开采对地面井变形破坏的影响，相似模拟试验所需考虑的主要参数有：下角几何尺寸l、容重 γ、弹性模量E、应力 σ、开挖时间t等，用下角p 和m 分别表示原型和模型的物理量，C表示相似常数，将各物理量之间的相似比定义为：Cl=lplm=100，Cγ=γpγm=1.5，Ct=tp/tm=20，Cσ=C1Cγ=σP/σm=150,CE=Cσ=150。

3）边界条件。模型的边界条件应尽量与原型一致。利用本相似模拟试验装置进行试验时，在受地下开采影响前，模型的上部边界是自由边界，下部为限制竖直位移的边界条件，左侧和右侧为限制水平位移的边界条件。

4）初始条件。初始状态是指原型的自然状态，对本试验而言，主要的初始状态是各岩层的结构状态。本试验模型中除被地面井穿过的部分煤岩层因钻孔施工受到较小扰动外，其余各煤岩层均为完整层状结构，且层与层之间利用云母粉制造软弱结构面。

本相似模拟试验模型以新疆艾维尔沟矿区1930 煤矿的24312 工作面为原型，工作面走向长度553 m ，倾斜长度173 m ，煤层平均倾角30°，工作面回采范围内无断层、褶皱构造，采用走向长壁采煤法，工作面日推进长度为8 m，地面井相关参数如下，地面井一开孔径444.5 mm 二开孔径347.6 mm 三开孔径241.3 mm，终孔位置于4 号煤层顶板之上3 m，埋深116 m。试验模型尺寸为1.5 m×0.1 m×1.5 m，根据各种相关岩石的物理力学性质（表1），确定了相似试验各煤岩层的材料配比，相似材料主要包括沙、石膏、碳酸钙、水，各岩层间均匀撒上云母粉制造岩层间的软弱结构面。模型从下至上依次水平铺设，为防止搭建过程中模型发生失稳坍塌，待模型整体搭建完成后，再旋转模型至岩层与水平面成30°夹角，取下两侧部分挡板彻底风干，最后拆除所有挡板，并进行开挖试验。

表1 煤岩层物理力学性质Table 1 Physical and mechanical properties of coal strata

1.2 模拟方案

铺设模型过程中，在3 号煤层里埋设了10 个应力传感器，根据覆岩采动卸压情况将传感器分别布置于距离模型左边界20、30、40、50、60、70、80、90、100、110 cm 处，分别编号为Y301～Y310 用于实时监测3 号煤层的垂直应力变化，模拟地面井管道采用直径为10 mm 壁厚为1 mm 的薄壁铝管，垂直于水平面布置在距离模型左边界60 cm 处，终孔位置位于4 号煤层顶板之上，地面井管道的变形由贴附于管道内表面的应变片监测，并在应变片表面涂上隔离胶，基于目前有关采动地面井变形的研究表明，地面井的变形失稳情况多发生于地层与地层交界的位置，因此本试验监测点的布置情况如下：测点分别布置于距4 号煤层顶板15 cm (D点)、35 cm (C点)、50 cm (B点)、65 cm (A点)，尽可能让监测点位置处于层与层结合位置的附近，以更好地监测地面井的变形情况，相似模拟试验系统如图1 所示。

图1 大倾角多重采动下地面井变形相似模拟试验Fig.1 Simulation experiment of surface well deformation under multiple mining with large dip angle

试验过程为了消除模型边界效应的影响，模型的左右边界均预留30 cm。开挖顺序从上到下依次为4 号煤层、5 号煤层、6 号煤层。每个煤层的开挖都是从距模型左侧边界30 cm 处向右侧开挖，每次开挖10 cm，连续推进90 cm。按时间比例，每次开挖间隔时间为2 h，每个煤层开采后，经过10 h 的覆岩稳定期，开始下一煤层的开采，直至3 个煤层全部开挖完成。试验过程中动态应变仪与应力传感器全程采集数据（图2），每次开挖完成后对模型进行拍照，记录岩层移动情况，稳定过程中出现的明显垮塌现象同样进行了拍照记录。

图2 监测仪器与数据收集系统Fig.2 Monitoring instrument and data collection system

2 大倾角煤层群采动区岩层移动规律

2.1 覆岩垮落过程

试验过程中，顶板及上覆岩层的垮落过程如图3所示。

图3 多煤层开采下顶板及覆岩垮落情况Fig.3 Caving of roof and overlying rock under multi-seam mining

开挖4 号煤层过程中，工作面推进至20 cm 时，煤层顶板岩层破断，形成直接顶的初次垮落，垮落的第一岩块（开切眼附近）长度为8 cm，第二块岩块长度为10 cm，裂隙距离煤层高度7 cm；当工作面推进至50 cm 时，煤层顶板上覆岩层发生组合垮落，与底板形成角度为10°，岩块高度为8 cm，长度为24 cm，破断裂隙最大开度为0.8 cm，裂隙距离煤层有10 cm；工作面推进至90 cm 时，上覆岩层中出现一条由上往下与煤层夹角为20°的贯穿裂隙，长度为22 cm。

开挖5 号煤层过程中，工作面推进至20 cm 时，煤层顶板岩层发生断裂，形成直接顶的初次垮落，垮落为两段，垮落的第一岩块（开切眼附近）长度为9 cm，第二块岩块长度为9 cm，裂隙距离煤层底部有4 cm；工作面推进至50 cm 时，煤层顶板第一岩层发生第三次塌落，塌落岩块长度为15 cm，煤层上方第二岩层出现离层裂隙，长度为19 cm；工作面推进至90 cm 时，煤层顶板第一岩层断裂但未塌落，断裂岩块长度为11 cm，左侧断裂角为60°，煤顶部第二岩层的离层裂隙左侧压实，右侧延长至34 cm，上部覆岩层由上往下的破断裂隙开度变大为1 cm，同时3 号煤层下部的主关键层发生断裂，导致3 号煤层出现弯曲下沉现象。

开挖6 号煤层过程中，工作面推进至20 cm 时，煤顶板第一岩层和第二岩层组合垮落，岩块长度为20 cm，岩块右侧断裂，左侧塌落，煤层顶部第四岩层出现离层裂隙，长度为13 cm；工作面推进至50 cm时，煤层顶板第一岩层和第二岩层组合塌落，塌落岩块长度为11 cm，3 号、4 号、5 号煤层同时出现垮落现象，垮落范围变大；工作面推进至90 cm 时, 煤层顶板第一岩层7 cm 岩块右侧塌落，煤顶板第二岩层离层裂隙发生扩展长度为9 cm，开度为0.5 cm，上部覆岩层由上往下的破断裂隙开度变大为3 cm。随着开挖的进行，采空区中部的离层裂隙被压实，而在开切眼侧破断裂隙和裂隙发育明显。

从覆岩垮落图可以看出，岩层的垮落情况与水平煤层开采时存在明显差异，整体垮落情况呈现出一种不对称的形式，这就导致开采引起的覆岩卸压作用范围存在非对称性。

2.2 煤岩应力变化规律

3 号煤层共布置了10 个应力监测点，编号从左到右依次为Y301～Y310。其中编号为Y303、Y305和Y307 的3 个应力监测点数据不可用，共收集得到7 个可用的应力监测点数据。获得的7 个应力监测点数据在工作面推进过程中垂直应力呈现两种变化规律，“增→减→增”型和“增→减→增→减→增”型（图4）。4、5、6 号煤层开挖过程中，3 号煤层监测点的垂直应力先升高再降低，经历了一次加卸载过程，在晚上停采阶段，3 号煤层各监测点的垂直应力几乎保持不变。

图4 3 号煤层应力曲线Fig.4 Stress curve of No.3 coal seam

3 号煤层的不同监测点，在不同煤层开采阶段受到的加卸载程度不同。Y301、Y302 测点在4 号煤层开采时第一次受到明显的加卸载作用，在6 号煤层开采时又受到一次加卸载作用，且第一次的强度明显大于第二次；Y308、Y310 测点在5 号煤层开采时第一次受到明显的加卸载作用，在6 号煤层开采时第二次受到加卸载作用，且第一次加卸载作用明显大于第二次；Y304、Y306、Y309 测点在开采4 号、5 号、6 号煤层时均受到明显加卸载作用，第一次与第二次加卸载强度相当且都高于第三次的加卸载强度。

整个开采过程中，3 号煤层的应力变化在空间上存在不对称的情况，在时间上不同煤层的开采引起的应力变化情况也有所不同。

3 大倾角煤层群采动区地面井变形特征

地面井各位置的变形情况如图5、图6 所示，由于试验过程中B点轴向应变片损坏，未采集到该点轴向应变数据，但从环向变形数据看该点变形情况与整体规律相符。在此规定试验数据中拉伸为正值，压缩为负值。试验结果中地面井的环向应变认为是由岩层的剪切作用产生的，轴向应变则是是由岩层的拉伸、压缩作用产生的。

图5 地面井轴向变形曲线Fig.5 Axial deformation curve of surface well

图6 地面井环向变形曲线Fig.6 Surface well circumferential deformation curve

从整体可以看出地面井在煤层开采过程中受到拉伸、挤压、剪切的综合作用，这也是地面井在工程应用中这么容易发生变形破坏的原因。从图5、图6变形曲线来看，与近水平煤层开采时情况相同，整个开采过程中地面井主要受到拉伸作用和剪切作用，地面井的轴向出现拉伸与压缩交替出现的情况，且各点的拉压状态与所处位置和开采时间有很大的关系，但与近水平煤层开采时不同的是，在倾斜煤层开采过程中地面井的剪切作用方向一般不会出现正反两个方向的反复剪切作用，而只会受到倾斜方向的剪切作用；每一层煤层从开采阶段到停采稳定阶段，地面井都经历一个“加载-卸载-稳定”的过程；每次工作面经过地面井下方位置时，即曲线图中每个开采阶段的中间位置，地面井都会出来一个相对较大的变形，这是由于地面井管道本身破坏了岩层的完整性和稳定性，使得地面井管道周围的岩体强度变低更容易发生破坏，岩体的破坏和岩层的移动又导致了地面井管道发生变形；在开采过程中，地面井管道的变形情况呈现越往深部，变形越大的特点，且从图中可以明显看出，由于采动引起的覆岩移动总是由工作面不断向上部传递，导致了浅部位置的变形曲线突变点总是滞后于深部位置。

在开采完5 号煤层后的停采稳定期内，地面井各监测点位置都发生了一次较大的变形突变，特别是C点位置，从原来的拉伸状态变成压缩状态。C点位置处于一层厚度为19.6 cm 的中砂岩层中，其厚度远高于其他岩层。从关键层的角度分析，由于关键层的存在采场上覆岩层的变形、破断、离层和地表沉陷等一系列矿压显现规律主要由坚硬岩层中的关键层控制，关键层的断裂、破坏导致覆岩发生剧烈的移动，由此在短时间内对地面井产生巨大的冲击作用，进而导致地面井在短时间内产生较大的变形[24]。从以上特点来看，C点所处的位置即为关键层所处的位置，从变形曲线来看，在关键层断裂之前，由于离层拉伸作用C点位置的地面井处于拉伸状态，在关键层断裂塌陷后，地面井由拉伸状态转为压缩状态，变形过程如图7 所示。从岩层塌陷图来看，在开采完5 号煤层后，地面井在关键层位置出现了明显的断裂并产生了明显的弯曲下沉现象（图8），这也从侧面印证C点所处的岩层为关键层。

图7 关键层作用下的地面井受力情况示意Fig.7 Schematic diagram of surface well stress under the action of key strata

图8 5 号煤层开采停采期塌陷Fig.8 Subsidence diagram of No.5 coal seam during stoppage of mining

从各点的变形曲线来看，轴向应变与环向应变都一直存在，且环向应变总是大于轴向应变，这说明地面井在采动作用过程中受到的剪切作用占主导地位，且开采过程中轴向应变和环向应变的变化总是同时进行。以主关键层为界线，整个开采过程中地面井的变形规律可以分为关键层上部呈现“增大-减小”反复交替三次的规律，关键层及下部呈现“增大-减小”反复交替四次的规律，即每一次煤层的开采都是一个加卸载的过程，而停采期相对于开采过程地面井的变形变化较为平缓，但由于主关键层的存在，在开采完5 号煤层后，主关键层出现断裂破坏，导致地面井在停采期也出现了一个较大的变形过程（图9）。除此以外，轴向应变的变化总是与环向应变的变化方向相反，即轴向应变增大时环向应变减小，轴向应变减小时环向应变增大，这一点说明地面井在采动影响下发生变形的过程中，环向的剪切变形与轴向的伸缩变形存在负相关关系，同时在一定程度上说明地面井所受的剪切作用和拉压作用存在相互制约的关系。

图9 地面井各点变形曲线Fig.9 Surface well deformation curve at each point

4 结 论

1）大倾角煤层开采时，岩层的垮落情况与近水平煤层开采时存在明显差异，整体垮落情况呈现出一种不对称的形式，这也导致了开采引起的上覆岩层的卸压范围存在非对称性，同时上层煤层的应力变化在空间也存在不对称的情况，而在时间上不同煤层的开采引起的应力变化情况也有所不同。

2）开采过程中，地面井管道一直处于剪切、挤压、拉伸的复合应力状态，但由于煤岩层倾角的存在，导致煤岩层自重力更多的施加在地面井管道的径向方向，因此环向应变总是大于轴向应变，即地面井在采动作用过程中所受的剪切作用占主导地位，同时，径向剪切变形与轴向的伸缩变形存在负相关关系，在一定程度上说明地面井所受的剪切作用和拉压作用存在相互制约的关系。

3）地面井轴向的变形规律虽整体是增大趋势，但过程中出现拉缩交替的现象，与近水平煤层开采时轴向变形一直增大的现象存在较大差异；而环向的剪切变形则与水平煤层开采较为相似，出现反复错动的特点，但最终的剪切位移的方向始终是煤层的倾斜方向。

4）开采过程中，关键层的断裂对地面井有较大影响，主关键层上部地面井变形出现了“增大-减小”反复3 次交替，关键层及下部呈现“增大-减小”反复四次交替，即每一层煤层的开采类似于一次加卸载的过程，而在停采期地面井的变形变化较为平缓。