樊鵬

【摘要】在正常條件下，根據(jù)覆巖采動(dòng)破壞程度及其次生的透水透沙能力，從開(kāi)采煤層的頂板開(kāi)始，由下而上大致可劃分為三個(gè)不同的破壞影響帶，即：冒落帶、裂縫帶和彎曲帶。準(zhǔn)確地理解采動(dòng)頂板“上三帶”的分布規(guī)律，是合理設(shè)計(jì)頂板疏水巷和施工頂板疏水鉆孔的關(guān)鍵，這關(guān)乎頂板水治理效果的好壞。

【關(guān)鍵詞】覆巖；厚度；采動(dòng)；裂隙

1.覆巖遭受破壞的根本原因和各種不同的破壞影響

1.1 破壞性采動(dòng)影響和非破壞性采動(dòng)影響

采后覆巖大面積緩慢整體移動(dòng)或下沉，一般不產(chǎn)生連通性的導(dǎo)水裂縫，巖層的原始滲透性不發(fā)生明顯的變化，屬于非破壞性采動(dòng)影響。如果覆巖在發(fā)生變形、位移過(guò)程中伴有開(kāi)裂、破碎、脫落等使巖層原有的導(dǎo)水、隔水性能改變，就屬于破壞性采動(dòng)影響。

1.2 規(guī)律性采動(dòng)破壞和非規(guī)律性采動(dòng)破壞

以長(zhǎng)壁工作面為代表的大面積均勻采煤，造成采高大致相同的采出空間，它的采動(dòng)影響在垂直剖面上是以采場(chǎng)為中心，以頂?shù)装寮懊罕跒槠瘘c(diǎn)向四周擴(kuò)散，并逐漸減弱或消失，因而它具有一定的分帶性，并且分布比較有規(guī)律，故稱(chēng)為規(guī)律性采動(dòng)破壞。與之相反，以落垛、托煤頂?shù)炔擅悍椒榇淼牟蓤?chǎng)，采高很不均勻，常常由于局部采高超出煤層而向上抽冒，采出空間極不規(guī)則，覆巖的采動(dòng)破壞在垂直剖面上不具備分帶性，沒(méi)有規(guī)律可循，稱(chēng)為非規(guī)律性采動(dòng)破壞。這類(lèi)破壞在局部地點(diǎn)可以象“寶塔”一樣向上發(fā)展直達(dá)地表，形成漏斗狀塌陷坑，它對(duì)于地表水體下采煤，具有極大的危險(xiǎn)性。

2.覆巖采動(dòng)破壞的分帶性

在正常條件下，根據(jù)覆巖采動(dòng)破壞程度及其次生的透水透沙能力，從開(kāi)采煤層的頂板開(kāi)始，由下而上大致可劃分為三個(gè)不同的破壞影響帶，即：冒落帶、裂縫帶和彎曲帶。如圖1。

（1）冒落帶。采煤工作面放頂后，頂板發(fā)生逐層冒落，直到冒落矸石接觸上覆巖層，此冒落破壞范圍為冒落帶。冒落帶高度一般為采厚的2-6倍，其最大高度一般不超過(guò)響應(yīng)裂縫帶高度的0.5倍。

（2）裂縫帶。在頂板巖石自由冒落后，冒落帶上方的巖層繼續(xù)下沉彎曲，當(dāng)其彎曲超過(guò)本身強(qiáng)度時(shí)，將產(chǎn)生張裂隙，以至斷裂。這一過(guò)程逐層向上發(fā)展，直到上覆巖層整體下沉彎曲為止，這部分稱(chēng)為裂縫帶或裂隙帶。

（3）彎曲帶。此帶位于裂縫帶上方直到地表的整個(gè)覆巖。巖層呈平穩(wěn)的彎曲，沒(méi)有大的斷裂，但有時(shí)產(chǎn)生離層，甚至在拉伸部位產(chǎn)生局部的微小張裂隙；但這些裂隙的連通性很弱或不連通，局部有可能導(dǎo)致滲透性加大，但不影響整體。

3.導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育因素

影響導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的因素主要有：

（1）煤層開(kāi)采厚度的影響。在其他條件不變的情況下，隨著煤層采厚的增加，導(dǎo)水裂隙帶高度（簡(jiǎn)稱(chēng)導(dǎo)水裂高）不斷增大。

（2）開(kāi)采面積的影響。采出空間是造成覆巖破壞的根本原因，但開(kāi)采面積的大小，只有在尚未達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)才有明顯的影響。一次連續(xù)回采的階段垂高越大，覆巖破壞高度就越大。

（3）覆巖巖性的影響。上覆巖層的頂板巖性及其組合關(guān)系，對(duì)煤層采出后導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育有極大的影響，巖層愈硬，導(dǎo)水裂隙帶愈高（其他條件相同時(shí)）；頂板巖層愈軟，導(dǎo)水裂隙帶愈低。

（4）煤層傾角的影響。煤層傾角不同，其覆巖破壞后的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育形態(tài)也不同。

（5）斷層的影響。位于采面上半部的高角度張性斷層或?qū)當(dāng)鄬?，是引起?dǎo)水裂高沿著斷層破碎帶向上冒裂的危險(xiǎn)因素；位于正常冒落帶以上的斷層，有可能使冒落帶向上發(fā)展到該斷層；位于正常冒落帶范圍內(nèi)傾角比較平緩的斷層，一般對(duì)冒落帶高度影響不大。

（6）采煤方法的影響。采煤方法對(duì)覆巖最大導(dǎo)水裂高的影響極大；不同的采煤方法所引起的地表變形、覆巖破壞程度也不同。

（7）頂板管理方法的影響。尤氏煤炭有限責(zé)任公司采用的全部陷落頂板管理方法，使覆巖破壞最嚴(yán)重，一般都將發(fā)生冒落性和開(kāi)裂性破壞，并具有三帶特征。

4.滑體構(gòu)造破碎帶下頂板三帶的數(shù)值模擬

應(yīng)用F-RFPA2D分析系統(tǒng)，對(duì)煤層頂板隨開(kāi)挖的進(jìn)行，巖層破壞逐步向上發(fā)展的全過(guò)程進(jìn)行了模擬，從模擬過(guò)程中能充分的提取頂板變形的足夠相關(guān)信息，比如頂板的變形、破壞過(guò)程。

4.1 巖石破裂過(guò)程分析程序F-RFPA2D原理

巖石破裂全過(guò)程分析系統(tǒng)RFPA2D運(yùn)用現(xiàn)代計(jì)算力學(xué)原理和計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)，基于有限元理論和全新的材料破裂過(guò)程算法思想，可通過(guò)考慮材料的非均勻性來(lái)模擬材料的非線性，通過(guò)單元的弱化來(lái)模擬材料變形、破壞的非連續(xù)行為；是一個(gè)以彈性力學(xué)為應(yīng)力分析工具、以彈性損傷理論及修正的Coulomb破壞準(zhǔn)則為介質(zhì)變形和破壞分析模塊的分析系統(tǒng)；可用于研究巖石（巖體）材料從細(xì)觀損傷到宏觀破壞的全部過(guò)程。

破壞分析則是根據(jù)一定的破壞準(zhǔn)則來(lái)檢查材料中是否有單元破壞。對(duì)破壞單元采用剛度特性退化（處理分離）和剛度重建（處理接觸）的辦法進(jìn)行處理。另外，本分析系統(tǒng)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是將巖石類(lèi)材料的不均勻性參數(shù)引入到計(jì)算單元，以概率統(tǒng)計(jì)方法描述其離散性，充分考慮了巖石介質(zhì)的非均勻性。

4.2 計(jì)算模型及參數(shù)

根據(jù)相關(guān)資料表明，上破碎帶平均厚度為28.7m，下破碎帶的平均厚度為9.6m，夾在中間的斷裂帶平均厚度為8.56m，為了數(shù)值模擬的需要，對(duì)上述三個(gè)帶分別進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，按次序調(diào)整為28m、10m和8m。

綜合工作面范圍內(nèi)的鉆孔柱狀圖所描述的各巖層巖性特征和相關(guān)地質(zhì)資料，列出各巖層的巖石力學(xué)參數(shù)。

主要幾何參數(shù)是依據(jù)開(kāi)采方案并考慮采動(dòng)影響范圍確定的。模型長(zhǎng)600m，高400m至地表，約束條件取兩側(cè)為限制水平方向位移的滑動(dòng)支座，底部為限制垂直方向位移的滑動(dòng)支座，底邊與側(cè)邊的兩個(gè)角點(diǎn)處為限制水平方向與垂直方向位移的固定支座。模型共劃分300×200個(gè)基元，假定巖層細(xì)觀單元為均質(zhì)、各向同性線彈脆性體，為了充分考慮巖石類(lèi)材料的非均勻性，假定各巖層細(xì)觀單元的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)（見(jiàn)表1）均服從韋伯（Weibull）分布φ（m，u）（其中參數(shù)m反映材料的非均勻程度，m值越大，材料越均勻，u為反映巖層材料平均性質(zhì)的參數(shù)），從而使每一巖層具有相似的物理力學(xué)性質(zhì)。在整個(gè)加載過(guò)程中采用位移控制的加載方式，加載位移量Δs=0.01mm，數(shù)值模型的具體力學(xué)及控制參數(shù)見(jiàn)表2。將開(kāi)挖工程巖體介質(zhì)概化為：由具有開(kāi)挖孔洞的分層所組成的非線性空巖體，各分層具有相似物理力學(xué)性質(zhì)，非均質(zhì)各向同性。模型的左右兩側(cè)近似為無(wú)窮遠(yuǎn)處的固定邊界，在水平方向上不產(chǎn)生位移，只在垂直方向上滑動(dòng)，底部視為鉛垂方向的簡(jiǎn)支約束。在試驗(yàn)過(guò)程中，采用修正的帶拉伸截?cái)啵╰ensilecut-off）的庫(kù)侖準(zhǔn)則作為破壞的判別準(zhǔn)則。

4.3 覆巖破壞模擬結(jié)果

根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，冒落帶的高度約為36m。由于該區(qū)域內(nèi)的巖層完全失去了原有的連續(xù)性和層狀結(jié)構(gòu)，水體極易通過(guò)。冒落帶內(nèi)的巖層由于進(jìn)一步的破碎，具有較大的碎脹系數(shù)，在堆積一定高度后，就能接觸到上部巖層，這樣就會(huì)對(duì)上部巖層的起到支撐作用。上部巖層又會(huì)進(jìn)一步壓實(shí)冒落區(qū)內(nèi)的破碎巖塊，因而冒落帶上方的巖層會(huì)發(fā)生變形、離層、斷裂但未脫離于原巖體，形成了裂隙帶，根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，裂隙帶的高度約為66m。冒落帶和裂隙帶合稱(chēng)為導(dǎo)水裂隙帶，高度為102m。該區(qū)內(nèi)巖層部分?jǐn)嚅_(kāi)，裂隙間的連通性極好，具有良好的透水性。導(dǎo)水裂隙帶上部的巖層由于是完整的，其上覆巖層只有微小裂隙，連通性不好，透水性微弱，并且越往上部巖層發(fā)展，幾乎就不再產(chǎn)生裂隙。從模擬的結(jié)果看，第四系水不受開(kāi)采擾動(dòng)的影響。