采动应力在薄基岩及厚松散层底部传递规律探究

刘延欣 武宇亮 岳尊彩 朱术云

(1.兖州煤业股份有限公司鲍店煤矿，山东省邹城市，273513；2.兖州煤业股份有限公司兴隆庄煤矿，山东省兖州市，272102；3.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏省徐州市，221116)

矿山开采必然会带来影响范围内的地应力重新分布，产生采动应力，引起部分区域应力集中而聚压，部分区域应力释放而卸压，造成矿山压力显现。随着近十几年的超强度开采，华北型煤田相对正常地段资源已基本开采完毕，为了延长矿井服务年限和可持续发展，提高开采上限进行薄基岩厚松散层下可行性已成为众多煤矿研究的课题。归纳起来可大致划分为两个主要方面，一是从薄基岩角度进行了垮落带和导水裂缝带高度及覆岩破断运动规律的研究，提出了“两带”高度估算及相应的涌水溃砂防治和控制技术；另一方面是从厚松散层角度，运用力学相关理论，探讨了第四系底部砂层或黏土层在采动条件下对其上覆载荷向下传递的规律，发现了砂层中有承压水和没有承压水对上覆载荷传递具有明显差异性，底部黏土层对采动覆岩失稳破断也起到很重要作用，但关于采动应力在薄基岩向厚松散层中传递规律相关研究偏少。为此，本文以兖州煤业股份有限公司鲍店煤矿八采区浅部首采工作面为地质背景，通过岩土体层组划分，运用FLAC3D软件，数值模拟探讨薄基岩厚松散层下采动应力从岩层到土层的传递规律，以期为提高开采上限可行性提供参考。

1 研究区概况

首采工作面(83上01)位于八采区中间，平面上南北呈狭长带状分布。工作面设计切眼南部靠近3上煤层露头附近，设计停采线北距六采区总回风巷约330 m，周边为待采区。主采的3#煤层在大部分地方都是分叉的，分为3上煤层和3下煤层，仅靠近北部停采线附近没有分叉。根据该面及附近钻孔资料，3上煤层厚度4.6～6.6 m，平均厚度5.8 m，厚度较稳定，结构简单。

钻孔绘制的八采区3#煤层基岩厚度等值线分布图见图1(图中数值单位为m)。

图1 基岩厚度等值线及首采面在八采区位置平面示意图

由图1可知，首采面附近基岩高度变化较大，南部受杏行背斜影响，沿其核部附近明显变薄，最薄位置由165钻孔控制，厚度约31.3 m，首采面属于典型的薄基岩厚松散层下开采。83上01工作面走向长度约1980 m，倾斜长度约280 m，工作面内煤层受褶皱构造影响，产状变化大，走向为0°～179°，倾向为90°～359°，煤层倾角5°～19°，平均倾角11°。

2 覆岩结构特征及含隔水性能分析

2.1 覆岩结构特征及其富水性分析

八采区内施工各类钻孔25个，钻孔密度约6个/km2，其中2015年以前施工了17个钻孔， 2015年补勘施工了8个钻孔(八-1孔至八-8孔)。

根据钻孔资料，八采区内仅残存上侏罗统(J3m)下段，采区内鲍25-165-八-7孔一线西侧缺失，分布区厚度自西向东南渐厚，最大残厚116.82 m。区内有19个钻孔揭露到该层段，厚度2.09～116.82 m，平均厚度49.16 m。前期已有抽水试验资料，本含水层段单位涌水量0.00004～0.035 L/(s·m)，矿化度2.04 g/L，水质类型为SO4·Cl-Na型。2015年该采区补勘分别在八-3孔和八-6孔进行了抽水试验，取得的单位涌水量q分别为0.00192 L/(s·m)和0.01785 L/(s·m)，渗透系数k分别为0.0068 m/d和0.0258 m/d。八-3孔和八-6孔揭露的上侏罗统砂岩厚度分别为50.4 m和55.69 m，该层段水位标高分别为-79.72 m和-109.40 m，对应的水头高度分别为58.19 m和44.77 m，反映出区内该层段水富水性弱，并处于非承压—微承压状态。

山西组砂岩含水层主要指3上煤层顶部砂岩和3下煤层底板砂岩，以3#煤层(3#煤层及3上煤层)顶部砂岩为主。八采区内钻孔控制的3上煤层至3下煤层间距为1.18～14.65 m(225孔至八-5孔)，平均间距10.4 m，岩性主要为泥岩，局部为粉砂岩，基本不含水。由于区内断层构造不发育，且大部区段本层段砂岩厚度较薄，对3#煤层开采的充水影响微弱。

2.2 松散层结构特征及其富水性分析

由于八采区第四系中组厚度相对稳定，较好地阻隔了第四系上、下组含水层之间的水力联系，对八采区产生影响的第四系含水层主要是下组含水层。八采区第四系下组含水层厚度分布相对稳定，钻孔揭露厚度18.80～43.25 m，平均揭露厚度29.82 m。本组含水层为砂及砂砾层，与粘性土相间分布。

第四系底界标高-124.34～-86.93 m，第四系下组水位标高-101.0～-74.4 m，考虑第四系下组底粘厚度，则可得到第四系下组水头高度为0.53～20.21 m，平均水头高度9.74 m。钻孔统计底含厚度在1.00～9.40 m之间，平均底含厚度3.56 m，整体上厚度分布规律不太明显，但最大厚度还不到10 m，结合第四系下组厚度特征，该含水层基本处于非承压状态。

2015年该采区补勘施工了8个钻孔，并均对第四系底含进行了抽水试验，但发现因八采区第四系底含富水性较差，只对八-5孔进行了2次水位降深分别为2.11 m和2.58 m的小降深抽水试验，不能满足抽水试验要求。由于八-5孔抽水试验不合格，在其邻近补加八-8孔进行了3次降深抽水试验，获得单位涌水量q在0.021584～0.030224 L/(s·m)。其他6个补勘孔因第四系底含赋水性差均无法进行抽水试验，其中有4个钻孔采用提桶提水方法取得了水位恢复情况的观测数据，还有2个钻孔提水试验也无法进行，如表1所示。由此可见，八采区第四系底含属于弱含水层。

表1 鲍店煤矿八采区第四系下组含水层抽(提)水资料表

结合八采区其他孔提水后的水位恢复情况分析，参考邻近六采区南部最近两个钻孔的抽水试验结果，可得到八采区内第四系底含赋水条件逐渐变弱，目前属于弱含水层。

3 数值模拟分析

3.1 模型建立

以首采面及邻近钻孔揭露的顶底板煤岩层为地质背景，这里选择基岩柱高度30 m为例进行探究，按岩性和完整性将3上煤层顶板、底板岩层可划分为底含、底黏、细砂岩、砂质泥岩、粉细砂岩和煤层等6个工程地质岩组，其组合结构设定为10层，并以此层序结构为基础建立如图2所示的二维工程地质数值分析示意图。

数值模型空间范围沿走向长度取200 m，高度取94 m，3上煤层厚度取平均值6 m，3下煤层厚度取平均值4 m，3上煤层顶板基岩高度取最薄位置，约30 m，底黏4 m，底含10 m；3下煤层底板32 m，3上煤层和3下煤层间距8 m。其上覆岩层重力采取2.6 MPa补偿压力予以体现。模型两侧各留设40 m保护煤柱，中间开挖120 m，分6步开挖完毕。

根据数值计算模型的实际赋存条件，参考FLAC3D资料和相关研究，用于本计算模型的初始和边界条件设定为：

(1)上部顶面边界条件。与上覆岩层的重力有关。为了研究的方便，载荷的分布形式简化为均布载荷，上部边界条件为应力边界条件，即上覆约130 m厚的松散层重力，按平均容重0.020 MN/m3估算为2.6 MPa，暂不考虑构造应力的影响。

(2)下部底面边界条件。本模型的下部边界条件为底板，简化为位移边界条件，在x、y和z方向均为固定铰支座。

(3)左右两侧面边界条件。本模型的两侧边界条件均为实体岩体，简化为位移边界条件，x和y方向为固定铰支座，在z方向可以运动。

根据八采区补勘取样进行的室内岩土体物理力学性质测试报告结果分析，计算采用的各岩土层力学参数见表2。

图2 模型初始条件和边界条件示意图

表2 数值模型计算参数一览表

初始网格划分及竖直应力分布模型如图3所示。为提高计算精度，采用任意四边形单元，且对开采周围单元进行了加密，共划分2350个单元，4896个节点。根据建立的几何模型，结合顶底板岩层的相关物理力学参数，通过FLAC3D软件分析开采3上煤层和3下煤层过程上覆岩土体应力的变化特征。

图3 初始网格划分及竖直应力分布模型图

3.2 模拟结果与分析

为了量化评价采动应力在顶板岩土体中的传递特征，在开切眼、模型中间和停采线的上方分别布设了3条监测剖面线，如图2所示。根据模型网格划分所对应的实际3上煤层顶板岩土体层位和高度关系，结合不同开采步距下应力重分布云图，可分别输出每次开采后3个剖面对应网格划分区域内的竖直应力值，然后对应模型高度计算出采动产生的次生应力与相应位置处初始应力的差值，然后和基岩高度对应分析变化关系，如图4所示。3个剖面均明显反映出随着基岩高度的增加，采动次生竖直应力增量均呈减小的变化趋势，在岩层与土层分界线附近发生明显拐点，反映了厚松散层底部土层对采动应力的传播具有重要的抑制作用。

3个剖面反映的采动影响程度和距离具有较大差异性。位于开切眼上方的竖直监测剖面1受采动影响最明显，开采第一步后次生应力就发生较大变化，随着工作面逐渐远离该剖面，该位置上方应力逐渐集中，采动次生竖直应力逐渐增加，前5次开采产生的采动次生竖直应力随基岩高度变化趋势基本一致，但最后一次可能由于开采范围大引起了两次应力集中现象，开采完毕后达15 MPa，如图4(a)所示；中间剖面不同基岩位置高度采动次生竖直应力分为明显的两个阶段，刚开始开采20 m时对该剖面基本没大影响，以工作面推进到该剖面正下方为分界，之前该剖面上主要产生次生压应力，过了该剖面后上方岩土体中产生很大的次生拉应力，如图4(b)所示；竖直监测剖面3位于停采线正上方，采动次生竖直应力增量的变化仅当工作面推进100 m以后才出现较明显变化，如图4(c)所示。可见，采动应力的传播范围是有限的，但由于模型的对称性，开挖120 m后采动次生竖直应力增量在剖面1和剖面3上变化特征是完全一致的。

图4 3上煤层开采上覆岩土体3个典型位置剖面采动应力变化特征

4 结论

(1)结合补勘资料，系统分析了研究区开采煤层上覆岩土体结构特征及其富水性，发现研究区底含和侏罗系砂岩含水层的富水性均为弱或非带压状态。

(2)结合浅部地质和开采条件，以首采面为背景，进行了厚松散层薄基岩岩土体层组的划分，建立了基岩柱高度为30 m的工程地质模型，布置了典型监测断面。

(3)3处不同位置监测剖面均综合反映出采动应力在上覆岩土体中的传递呈逐渐变小的趋势，在岩土层分界线附近变化差异性明显，松散层底部黏土层对采动应力的传播起到了明显的缓冲和抑制作用。