孫福龍，李奇賢，李克相，馬新根，孫 京，栗 磊，王冰山，郭建忠

（1.華能煤炭技術研究有限公司，北京 100070；2.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；3.華能云南滇東能源有限責任公司礦業(yè)分公司白龍山煤礦，云南 曲靖 655508）

0 引言

能源是世界經(jīng)濟發(fā)展和人類賴以生存的基礎，當前煤炭仍是全球燃料供應的主要組成部分，占全球所有能源消耗的27%[1]。然而煤炭開采勢必會導致覆巖移動和破壞，采動誘導的裂隙帶相互導通，出現(xiàn)瓦斯運移通道，卸壓瓦斯則會沿著瓦斯運移通道的升浮、擴散并儲集于裂隙帶頂部。高瓦斯礦井數(shù)量占我國重點煤礦數(shù)量的70%以上，高瓦斯礦井采場瓦斯涌出量大，并在工作面、采空區(qū)、頂板裂隙帶中呈分區(qū)富集規(guī)律，導致工作面瓦斯異常涌出風險居高不下，易引發(fā)瓦斯動力災害[2]。為了避免此類災害的出現(xiàn)，就必須有效掌握采動過程中采場覆巖移動垮落演化規(guī)律，明確煤巖層裂隙分布特征。

在煤層開采過程中，采場上覆巖層會在采動作用下發(fā)育大量裂隙，目前大量學者針對采動覆巖裂隙場方面已經(jīng)做了大量試驗研究和工程實踐工作，并取得了一定的研究成果。劉天泉[3]針對采動裂隙帶確立了“橫三區(qū)”和“豎三帶”；錢鳴高等[4-5]基于關鍵層理論分析了上覆巖層采動裂隙分布特征，揭示了長壁工作面覆巖采動裂隙的兩階段發(fā)展規(guī)律，提出了采動裂隙“O”形圈；李樹剛等[6-8]認為采動覆巖裂隙場在空間上呈橢圓帶分布特征；劉澤功等[9]基于上覆巖層冒落特征和裂隙發(fā)育機理，發(fā)現(xiàn)上風巷上部靠采空區(qū)一端會形成“環(huán)形裂隙圈”；楊科等[10-11]將采動裂隙分布特征劃分為“∩”形高帽狀、前低后高駝峰狀、前后基本持平駝峰狀、前高后低的駝峰狀；尹光志等[12-13]認為采動覆巖裂隙在空間呈“類梯形臺”分布，且低位巖層呈“圓角矩形”，中高位呈“O”形；王志國等[14]基于相似材料實驗結(jié)果分析了覆巖采動巖體裂隙分布特征，描述了采動巖體裂隙網(wǎng)絡的分布特征；王家臣等[15]和楊勝利等[16]探究了長壁矸石充填開采上覆巖層移動特征；林海飛等[17-18]探究了煤層群重復采動后覆巖裂隙分布特征，明確了卸壓瓦斯儲運區(qū)演化規(guī)律；李奇賢[19]利用相似材料物理實驗和數(shù)值模擬手段對采場覆巖裂隙分布形態(tài)展開了研究；焦彥錦等[20]開展了采空區(qū)覆巖“豎三帶”孔隙率三維分布研究，建立了采空區(qū)孔隙率三維分布模型；吳群英等[21]基于自建的采動覆巖離層率空間分布的計算方法分析了重復采動覆巖離層率空間分布特征。

基于此，為了更為清晰和直觀地研究邯鄲礦務局云駕嶺煤礦12305 工作面采動后的覆巖裂隙場發(fā)育演化規(guī)律，通過在實驗室進行相似模擬實驗和UDEC 數(shù)值模擬手段還原井下煤體推進全過程，利用三維靜態(tài)變形測量系統(tǒng)對采場覆巖移動特征進行監(jiān)測和數(shù)字攝影技術近距離對覆巖垮落特征進行記錄，以認識采場覆巖移動規(guī)律和采動覆巖裂隙場空間分布情況。

1 工程概況

云駕嶺煤礦隸屬冀中能源邯礦集團，位于河北省武安市西北約5.0 km 處，12305 工作面走向長度845 m，傾向長度125 m，主采2 號煤層，煤層傾角22°～32°，無陷落柱等復雜構造，煤層平均厚度約為3.7 m，上覆巖層的厚度為550 mm，研究區(qū)域地層結(jié)構如圖1 所示。工作面主要存在著瓦斯涌出量大，頂板裂隙帶中呈分區(qū)富集規(guī)律的問題。采煤方法為走向長壁后退式回采，綜采一次采全高。12305 工作面位于井田二采區(qū)、四采區(qū)東部，北部以云駕嶺礦與郭二莊礦隔離煤柱線為界；南部以主暗斜井、副暗斜井保護煤柱為界；西部以-180 m 標高水平切割煤層為界；東部以-550 m 標高水平煤層為界。

圖1 云駕嶺煤礦12305 工作面地層柱狀圖Fig.1 Stratigraphic histogram of 12305 working face in Yunjialing Coal Mine

2 采動覆巖裂隙場相似模擬實驗研究

2.1 實驗條件與方案

2.1.1 實驗條件

1）實驗設備：實驗平臺選用長×寬×高：2 500 mm×180 mm×1 400 mm 的CM250/18 平面應變實驗臺，如圖2（a）所示，其巖層鋪設的最大高度為1 085 mm；選用三維靜態(tài)變形測量設備對采場覆巖下沉分布規(guī)律進行監(jiān)測，如圖2（b）所示。三維靜態(tài)變形測量設備工作原理是依據(jù)高分辨率專業(yè)相機對開挖前后的采場覆巖進行拍攝，通過多角度拍攝的相片利用三維靜態(tài)變形測量設備自帶的計算方法進行三維坐標轉(zhuǎn)換，以獲取不同開挖階段的采場覆巖區(qū)域內(nèi)監(jiān)測點的坐標數(shù)據(jù)，同時利用攝影測量工程得到各個開挖階段的位移矢量圖。該設備優(yōu)點為：可獲得三維坐標、位移變形數(shù)據(jù)；測量結(jié)果三維顯示；快速、簡單、高精度，操作簡單、攜帶方便；在各個方向上的變形分量可計算及顯示。

圖2 實驗設備Fig.2 Experimental equipment

2）模型相似條件：依據(jù)12305 工作面工程條件和實驗室CM250/18 平面應力實驗臺規(guī)格的限制，本次物理模擬實驗采用平面應力模型，結(jié)合實驗模型幾何相似比CL為100，巖層容重相似比Cρ為1.47，進而得到應力比（Cσ=CL×Cρ）為147。

3）相似材料的選擇與配比：相似材料主要有河沙、石膏、大白粉、粉煤灰，以云母片相鄰層之間的巖層弱化分層材料。根據(jù)相似條件，確定的相似材料配比方案見表1。

表1 模擬實驗相似材料配比方案Table 1 Ratio scheme of similar material in the simulation experiment

4）工作面推進設計：在煤層兩端各預留設50 m的邊界煤柱，推進距離設置為5 m，待上覆巖層穩(wěn)定后，利用三維靜態(tài)變形測量系統(tǒng)進行全程監(jiān)測，并記錄覆巖垮落高度、裂隙場分布特征等參數(shù)。

2.1.2 監(jiān)測方案

實驗模型共布置了10 條監(jiān)測線，X軸方向每條監(jiān)測線上布置了24 個采集點，間隔距離為100 mm；Y軸方向每條監(jiān)測線上布置了24 個采集點，1 號監(jiān)測線～8 號監(jiān)測線上采集點的間隔距離為100 mm，而9 號監(jiān)測線～10 號監(jiān)測線上采集點的間隔距離為25 mm，如圖3 所示。

圖3 監(jiān)測線布置方案Fig.3 Layout scheme of monitoring line

2.2 實驗結(jié)果與分析

2.2.1 采動覆巖裂隙場分布特征

圖4 為直接頂跨落后覆巖裂隙場空間分布特征。由圖4 可知，推進距離達到35 m 后，在采動作用下，直接頂出現(xiàn)初次垮落，覆巖層出現(xiàn)少量明顯的橫向離層裂隙，離層和垮落高度依次為6.2 m 和1.8 m；推進距離達到40 m 后，第一次垮落的煤巖體不能完全充填采空區(qū)，直接頂在自身重力的作用下再次破斷，離層裂隙橫向發(fā)育，離層高度仍為6.2 m，垮落高度為3.0 m，該階段內(nèi)采動覆巖裂隙場處于產(chǎn)生階段。

圖4 直接頂跨落后覆巖裂隙場分布特征Fig.4 Distribution characteristics of overburden fracture field behind direct roof collapse

圖5 為基本頂垮落后覆巖裂隙場分布特征。由圖5 可知，推進距離達到60 m 后，基本頂離層加劇，出現(xiàn)第一次垮落，垮落高度為10.8 m，工作面?zhèn)扰c開切眼側(cè)破斷角為57°和54°，采動覆巖裂隙場內(nèi)破斷裂隙與離層裂隙分布范圍明顯增大，裂隙場呈現(xiàn)梯形分布形態(tài)；推進距離達到75 m 后，第一次周期來壓出現(xiàn)，來壓步距15 m，垮落高度達27.7 m，工作面?zhèn)扰c開切眼側(cè)的破斷角分別為54°和54°，采動覆巖裂隙場呈躍進態(tài)勢向上發(fā)展，采動覆巖裂隙場處于擴展階段，且呈等腰梯形分布形態(tài)；推進距離達到85 m 后，第二次周期來壓出現(xiàn)，來壓步距10 m，垮落高度達36.4 m，工作面?zhèn)扰c開切眼側(cè)的破斷角分別為56°和56°，采動覆巖裂隙場中下部裂隙開始被壓實，而兩側(cè)和上部裂隙仍然較為發(fā)育，總體上繼續(xù)沿著推進方向向上和向前擴展；推進距離達到150 m 時，第七次周期來壓出現(xiàn)，來壓步距為14 m，該階段內(nèi)采動覆巖裂隙場處于壓實階段，兩端裂隙呈交錯折疊狀發(fā)育，下部和上部裂隙處于被壓實趨于閉合，綜上可知，隨著開挖工作的推進，采動覆巖裂隙場不斷逐步向較高層位和推進方向發(fā)育，而當工作面推進到一定距離后，采動覆巖裂隙場中下部裂隙被不斷壓實，而兩端裂隙仍較為發(fā)育，整體上裂隙密度逐步減小，整體來看采動覆巖裂隙場呈梯形分布特征，采動覆巖裂隙場主要經(jīng)歷產(chǎn)生、擴展和壓實三個階段。

圖5 基本頂垮落后覆巖裂隙場分布特征Fig.5 Distribution characteristics of overburden fracture field behind main roof collapse

2.2.2 采動覆巖下沉參數(shù)演化

圖6 為不同推進距離頂板巖層下沉曲線。由圖6 可知，推進距離達到60 m 后，8 號監(jiān)測線所在覆巖區(qū)域率先出現(xiàn)了負向位移，即下沉方向的位移，最大位移量位于采空區(qū)覆巖走向中部位置，達到29.2 mm，而1 號監(jiān)測線～7 號監(jiān)測線下沉量較小，該區(qū)域覆巖只是產(chǎn)生了離層裂隙；推進距離達到75 m 后，7 號監(jiān)測線所在覆巖區(qū)域出現(xiàn)了較大負向位移，意味著該區(qū)域覆巖出現(xiàn)了垮落，7 號監(jiān)測線和8號監(jiān)測線的最大位移量依次為26.6 mm 和31.3 mm，均出現(xiàn)在空區(qū)覆巖走向中部位置；推進距離達到85 m 后，6 號監(jiān)測線所在覆巖區(qū)域出現(xiàn)了較大負向位移，達到25.5 mm；推進距離達到150 m 后，1 號監(jiān)測線～5 號監(jiān)測線所在覆巖水平也都出現(xiàn)了較大下沉，覆巖出現(xiàn)整體垮落。綜上可知，隨著推進距離的增加，采空區(qū)覆巖各區(qū)域下沉量隨著巖層垮落逐步向上位巖層擴張。推進初期，覆巖受采動作用影響較小，垮落范圍較小，到了推進后期，因關鍵層的垮落，出現(xiàn)了整體垮落。

圖6 不同推進距離頂板巖層下沉曲線Fig.6 Subsidence curve of roof strata with different advancing distances

為了定量表征采動覆巖裂隙場的空間發(fā)育程度，以離層率指標來描述裂隙分布特征，離層率可以通過相鄰層位間的覆巖沉降差值與層間距比值求得，離層率值越大，則代表該區(qū)域內(nèi)采動覆巖裂隙場發(fā)育程度越大[2,22]，計算見式（1）。

式中：k為離層率；w1為覆巖底部下沉量；w2為覆巖頂部下沉量；Σh為覆巖的巖層總厚度。

圖7 為不同推進距離下的頂板巖層離層率曲線。由圖7 可知，推進距離為60 m 后，2 號煤層上方10～20 m 覆巖區(qū)域內(nèi)離層率曲線呈現(xiàn)“單峰”狀分布，這表明隨著工作面推進的影響，采空區(qū)正上方的10～20 m 覆巖區(qū)域內(nèi)率先出現(xiàn)裂隙；推進距離為75 m 后，2 號煤層上方10～20 m 覆巖區(qū)域內(nèi)離層率出現(xiàn)一大一小的“雙峰”狀分布，大波峰位于開切眼一側(cè)，且波谷位于采空區(qū)中部，2 號煤層上方20～30 m 覆巖區(qū)域內(nèi)離層率呈現(xiàn)“單峰”狀分布；推進距離為85 m 后，在2 號煤層上方10～20 m 和20～30 m覆巖區(qū)域內(nèi)離層率曲線均呈現(xiàn)出一大一小“雙峰”狀分布，而位于2 號煤層上方30～40 m 覆巖區(qū)域內(nèi)離層率曲線呈現(xiàn)“單峰”狀分布，推進距離為75 m 和85 m 的離層率曲線特征表明隨著工作面的持續(xù)推進，在采動覆巖裂隙場不斷向上部巖層和推進方向巖層發(fā)育的同時，采動覆巖裂隙場中下部裂隙逐漸被壓實，而開切眼及工作面兩端區(qū)域的離層裂隙在煤壁支撐作用下仍持續(xù)發(fā)育，開切眼受到重復采動作用更劇烈，裂隙發(fā)育程度相對較高；推進距離達到150 m 后，采空區(qū)上方覆巖各個區(qū)域內(nèi)離層率曲線整體上呈“雙峰”形分布，覆巖中部區(qū)域的裂隙較少，幾乎被壓實，開切眼和煤壁兩端區(qū)域裂隙較多，同時覆巖各個區(qū)域的裂隙場發(fā)育寬度自下而上依次減小，表明采動覆巖裂隙場整體上成梯形空間分布形態(tài)。

圖7 不同推進距離下的頂板巖層離層率曲線Fig.7 Fracture rate curve of roof strata with different advancing distances

2.2.3 采動覆巖位移場分布特征

圖8 為老頂垮落后覆巖位移場分布特征。由圖8 可知，推進距離達到60 m 后，8 號監(jiān)測線～10 號監(jiān)測線的位移矢量箭頭出現(xiàn)明顯的擾動現(xiàn)象，采動覆巖位移場影響區(qū)域中部的位移矢量箭頭偏轉(zhuǎn)方向為垂直向下，兩端的位移矢量箭頭偏轉(zhuǎn)方向為向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)，采動覆巖位移場影響區(qū)域呈現(xiàn)矩形分部特征；推進距離達到75 m 后，7 號監(jiān)測線上的位移矢量箭頭出現(xiàn)較大運移，存在明顯位移擾動現(xiàn)象，采動覆巖位移場影響區(qū)域呈現(xiàn)梯形分布特征，即推進區(qū)域中部的位移矢量箭頭的偏轉(zhuǎn)方向垂直向下，兩端的位移矢量箭頭的偏轉(zhuǎn)方向為向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)，且位移擾動區(qū)域范圍自下而上減?。煌七M距離達到85 m 后，6號監(jiān)測線上的位移矢量箭頭出現(xiàn)較大運移，采動覆巖位移場影響區(qū)域仍然呈現(xiàn)梯形分布特征，在非明顯位移擾動區(qū)域的左側(cè)，即工作面?zhèn)鹊牟糠治灰剖噶考^開始出現(xiàn)順時針方向偏轉(zhuǎn)，說明該處的巖層已經(jīng)開始出現(xiàn)變形移動；推進距離達到150 m 后，所有監(jiān)測線上的位移矢量箭頭均存在明顯位移擾動區(qū)域，推進區(qū)域中部的位移矢量箭頭的偏轉(zhuǎn)方向垂直向下，兩側(cè)的位移矢量箭頭的偏轉(zhuǎn)方向為向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)，而在非明顯位移擾動區(qū)域的位移矢量箭頭整體上均受到擾動。

圖8 老頂垮落后覆巖位移場分布特征Fig.8 Distribution characteristics of displacement field of overlying rock behind main roof collapse

綜上可知，采動覆巖位移場影響區(qū)域分布整體上呈現(xiàn)隨著工作面推進不斷逐步向較高層位和推進方向的發(fā)育。在老頂初次垮落時候，采動覆巖位移場影響區(qū)域呈現(xiàn)矩形分布，但隨著工作面推進持續(xù)進行，乃至上覆巖層整體垮落后，采動覆巖位移場影響區(qū)域呈現(xiàn)梯形分布。

3 采動覆巖裂隙場模擬研究

3.1 幾何模型與物理參數(shù)

在采動覆巖裂隙場相似模擬實驗的基礎上，選擇UDEC 離散元數(shù)值模擬軟件來探究云駕嶺12305工作面不同開挖階段的覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律。覆巖巖石力學行為采用彈塑性力學模型，服從Mohr-Coulomb 變形準則。待開挖煤層上覆巖層厚度為550 m，覆巖主要為粉砂巖、中粒砂巖、細粒砂巖、泥巖和砂泥巖互層等，覆巖巖性力學參數(shù)見表2。建立模型尺寸的長×高為250 m×108.5 m，上覆各個巖層的具體幾何尺寸見表1，整體模型如圖9 所示。模型水平方向兩端設置法向位移約束，底部邊界設置法向位移約束，頂部邊界則設置載荷邊界條件，其荷載依據(jù)原始地應力大小施加，即施加均布荷載13.75 MPa。

表2 模型力學參數(shù)Table 2 Model mechanical parameters

圖9 數(shù)值模擬模型Fig.9 Numerical simulation model

3.2 模擬結(jié)果與分析

圖10 為采動裂隙分布特征圖。由圖10 可知，推進距離達到30 m 后，采場覆巖出現(xiàn)明顯的順層離層裂隙，離層高度達到8.6 m；推進距離達到60 m 后，垮落高度最大達到9.0 m，采場覆巖發(fā)生垮落，將采空區(qū)中部裂隙壓實，采動裂隙場呈梯形分布，裂隙發(fā)育區(qū)位于采空區(qū)頂部、煤壁后方與開切眼附近，且有向上發(fā)育的趨勢，離層高度達到35.1 m；推進距離達到80 m 后，采場覆巖最大垮落高度達11.4 m，采空區(qū)中部裂隙壓實區(qū)范圍隨著工作面推進不斷擴大，煤壁后方及開切眼區(qū)域裂隙發(fā)育區(qū)范圍基本不變，但采場上部離層裂隙向上發(fā)育的趨勢明顯增加，離層高度達59.8 m；推進距離達到150 m 后，采動裂隙場發(fā)育呈現(xiàn)周期前移的特征，這是由于工作面推進工作的影響，覆巖垮落形成周期來壓現(xiàn)象，使工作面端的裂隙隨著周期來壓作用的影響前移，在覆巖縱向方向上，覆巖移動已經(jīng)趨于穩(wěn)定，導致采空區(qū)在縱向方向上的裂隙趨于穩(wěn)定。

圖10 采動裂隙分布特征圖Fig.10 Distribution characteristics of mining-induced fractures

綜上可知，采空區(qū)中部與煤壁后方和開切眼附近區(qū)域采動裂隙演化規(guī)律截然不同，采空區(qū)中部區(qū)域，采動裂隙隨著上覆巖層破斷垮落迅速增加，但隨著工作面的持續(xù)推進，垮落巖層被上覆巖層壓實，采動裂隙逐漸減小。煤壁后方和開切眼附近區(qū)域，邊界煤柱和垮落巖層形成三角形的采動裂隙區(qū)域，且未出現(xiàn)壓實的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

1）隨著開挖工作的不斷推進，采動覆巖裂隙場呈梯形分布特征，不斷逐步向較高層位和推進方向發(fā)育，其中下部裂隙被壓實，兩端裂隙較為發(fā)育，整體上裂隙密度逐步減小。采動覆巖裂隙場內(nèi)裂隙經(jīng)歷產(chǎn)生、擴展和壓實三個階段，離層率先后經(jīng)歷“單峰”和“雙峰”兩個分布形態(tài)。

2）采空區(qū)中部與煤壁后方和開切眼附近區(qū)域采動裂隙演化規(guī)律截然不同，采空區(qū)中部區(qū)域，采動裂隙隨著上覆巖層破斷垮落而增加，但隨著工作面的持續(xù)推進，垮落巖層被上覆巖層壓實，采動裂隙逐漸減小，煤壁后方和開切眼附近區(qū)域，邊界煤柱和垮落巖層形成三角形的采動裂隙區(qū)域。

3）采動覆巖位移場影響區(qū)隨著工作面推進向高層位和推進方向發(fā)育，開采初期呈現(xiàn)矩形分布，而后隨工作面的推進，采動覆巖位移場影響區(qū)則呈現(xiàn)梯形分布，中部的位移矢量箭頭垂直于底板，開切眼和工作面端位移矢量分別呈逆時針和順時針偏轉(zhuǎn)。