硬厚岩层下覆岩裂隙演化特征及其致灾机理分析

马富武，李 杨，苏怀瑞，孙德全，梁开华

(1.山东省深部冲击地压灾害评估工程实验室，山东 济南 250100；2.山东省煤田地质规划勘察研究院，山东 济南 250104)

煤矿瓦斯严重制约着我国煤矿安全高效生产，据统计，高瓦斯矿井数量占据国有重点煤矿70%以上[1-4]。覆岩采动裂隙的产生不但促进了煤岩体的瓦斯解吸，而且为瓦斯的运移提供了通道[5-11]。大量学者对采动覆岩裂隙演化特征进行了研究。李树刚等[12]利用物理相似材料模拟试验研究了近距离煤层重复采动覆岩裂隙发育演化过程，运用分形几何理论研究了重复采动条件下，覆岩裂隙网络分形特征。李志梁等[13]采用物理相似模拟试验，结合声发射技术对覆岩采动裂隙演化过程进行了研究，研究结果表明采动过程中破断裂隙和离层裂隙会相互贯通，形成椭抛带分布。赵毅鑫等[14]通过数值模拟等方法建立了覆岩裂隙分形维数与耗散能量的关系。薛熠等[15]基于裂隙平板模型建立了考虑损伤效应的峰后煤岩体渗透率模型。梁涛等[16]采用水岩相似材料模拟试验研究了不同荷载、岩层性质及开采速度等因素影响下煤层开采后覆岩垮落及裂隙演化特征。王国艳等[17]采用RFPA数值分析系统研究了具有初始裂隙的采动岩体裂隙演化过程。强度高、厚度大、整体性强的硬厚岩层影响了采动裂隙的发育，并且其下开采煤层易导致动力灾害，如微震、煤与瓦斯突出、工作面压架等。但是，目前针对硬厚岩层下覆岩裂隙演化特征及其致灾的研究较少。

以此针对硬厚岩层下覆岩裂隙演化特征，通过建立相似材料模拟试验，研究了硬厚岩层下覆岩结构演化、裂隙演化特征，进一步分析得出硬厚岩层致灾规律。

1 相似材料试验设计

针对硬厚岩层赋存的地质条件，按照相似理论采用一定比例的河沙、石膏、碳酸钙等构建相似材料试验模型[18-20]。相似模型试验台规格3m×0.4m×1.8m，几何相似比1∶200，强度相似比1∶300，容重相似比1∶1.5，模型铺设总高度1.63m，上部施加500kg工字钢模拟模型上覆均布载荷。模型设置煤层厚度为8m，上覆硬厚岩层60m，两者间距80m，两端各设置用以消除边界效应的25m煤柱，开挖250cm模拟工作面实际推进500m。

为研究覆岩结构演化，模型设置5条测线(1#—5#测线)，每条测线29个测点，2#—4#测线与煤层的距离分别为65m、75m、85m。其中2#、3#测线主要监测硬厚岩层下附近岩层运移情况，4#测线主要监测硬厚岩层的运移情况。采用尼康Nivo2.M免棱镜全站仪监测煤层上覆岩层位移变化，采用相机记录覆岩结构及裂隙发育的演化。

2 覆岩结构演化

相似材料试验得到了硬厚岩层下覆岩结构演化的主要特征，推进100m时覆岩结构如图1所示，上覆岩层平衡状态遭到破坏，第一关键层发生弯曲、变形、失稳和破断，其控制的岩层相应发生破断，在工作面后方和切眼前方未垮落岩体的边缘均形成了偏向采空区的倒台阶状边缘，倒台阶状边缘与采空区上方未垮落的覆岩在走向断面上呈梯形。工作面推进120m、140m时，第二、三关键层发生破断，岩层以单层或成组的形式不断向上发展，覆岩梯形结构的腰和下底长度呈跳跃式增大；推进160m时覆岩结构如图2所示，第四关键层发生破断，覆岩梯形结构的上底发育到硬厚岩层下。60m厚的硬厚岩层屏蔽了覆岩梯形结构高度的发育。覆岩梯形结构的上底和下底长度随硬厚岩层下覆岩周期垮落不断加大。硬厚岩层悬跨距离的不断增加，在上覆岩层载荷及自重作用下发生破断失稳，覆岩梯形结构从新向上发育。

图1 推进100m时覆岩结构

图2 推进160m时覆岩结构

3 裂隙演化特征

3.1 离层裂隙演化特征

在工作面推进到100m时，第一层关键层达到其垮落极限发生破断，关键层同控制的上部岩层成组垮落并相互作用形成铰接结构，在已垮落的最上一层岩层与新关键层形成了离层，在走向上呈三角形。成组运动的岩层在下沉过程中，部分岩层之间产生的剪应力超过其抗剪强度，并且下位岩层的抗弯强度小于上位岩层的抗弯强度，岩层之间产生离层裂隙。第一关键层的周期破断，导致第二关键层下离层空间逐渐变大，继而达到其悬跨极限发生第二关键层破断，破断岩层与第三关键层在走向上同样形成了三角形离层。当工作面推进到100m、120m、140m、160m时，关键层下在走向上均形成三角形离层，直至发育到硬厚岩层下(160m时)。硬厚岩层阻断了离层空间的纵向发育。硬厚岩层下离层跨度随其下岩层周期垮落不断加大，形状由三角形逐渐发育成梯形。推进200m时覆岩结构如图3所示，离层在走向上由三角形发育成梯形。

图3 推进200m时裂隙发育

最大离层数据随工作面推进的变化如图4所示，离层发育具有不连续性。在推进100m、120m、140m时，离层主要受相邻关键层岩性和厚度的影响跨度发育无规则，离层跨度分别是40.1m、60.5m、41.0m。离层发育到硬厚岩层时，工作面每推进20m，离层跨度增加一次。从离层首次发育到硬厚岩层到其破断，离层跨度由66.5m变化到199.5m。离层高度发育同样具有不连续性，受关键层的影响跳跃式上升，直至发育到具有屏蔽作用的硬厚岩层，发育暂时停止，工作面推进到100m、120m、140m、160m时，离层高度分别是43.1m、47.6m、65.3m、80m。

图4 离层发育与工作面推进的关系

3#、4#测线的下沉曲线如图5所示。4#测线显示当工作面推进到280m，硬厚岩层下离层跨度达110m，硬厚岩层最大沉降量仅为0.2m，下沉曲线基本上呈一条直线。硬厚岩层作为主关键层强度高、厚度大、刚度大，短推进距离内变形小，为其下最大离层空间的纵向和横向发育提供了条件。3#测线显示当工作面推进到160m时，硬厚岩层下最近关键层破断后3#测线与4#测线整体形成三角形，即离层初发育到硬厚岩层下时，在走向上呈三角形。当工作面推进到200m时，3#与4#测线的三角形逐渐发育成梯形，且随着岩层周期垮落，梯形的上下底长度相应增大。最大离层裂隙下的其他离层裂隙逐渐闭合压实，梯形高度相应增大，从整体上看梯形向开采方向底部扩展。

图5 3#、4#测线下沉曲线

覆岩最大离层高度与煤层开采厚度的比值随工作面推进的变化如图6所示。工作面推进到100m、120m、140m时，最大离层高度与煤层开采厚度的比值分别是37.5%、60%、55%。此时离层尚未发育到硬厚岩层，最大离层高度与煤层开采厚度的比值具有随机性，主要受上方关键层的强度和厚度影响。离层发育到硬厚岩层下时，硬厚岩层仅有少量的弯曲下沉，其下覆岩之间的离层逐渐被压实，离层高度发育从增大到稳定。当工作面推进到160m、180m、200m、220m、240m时，最大离层高度与煤层开采厚度的比值分别是60%、71%、71.4%、72%、72%，硬厚岩层下最大离层高度所占煤层开采厚度的比值超过50%，硬厚岩层下的离层裂隙占煤层上覆岩层离层裂隙的绝大部分。硬厚岩层破断前，煤层开采后留下的巨大空间填充方式主要有上覆岩层的离层裂隙和垮落煤岩的碎胀。岩石的碎胀性有限，因此硬厚岩层下的最大离层空间占据了煤层开采的大部分空间。

图6 最大离层高度与煤层开采厚度比值变化

3.2 破断裂隙演化特征

关键层下的悬跨距离随工作面推进不断加大，关键层岩梁在端部、中部出现并发育的垂直于岩梁的破断裂隙。破断裂隙贯穿后，关键层岩梁同控制的一组岩梁破断回转并产生强有力的水平挤压力，岩块之间形成铰接结构。各岩层发生铰接位置同本岩层及临近岩层的岩性有关，导致已破断的各岩层之间产生离层裂隙。在煤层上方已破断的岩层一侧与未破断的岩层形成大体上平行于断裂线的破断裂隙线，破断裂隙上宽下窄。破断岩层的另一侧与先前已回转下沉稳定的岩层也形成了破断裂隙，破断裂隙下宽上窄。岩层的破断裂隙和离层裂隙相互贯通，形成了双向互通的竖向破断裂隙区。切眼竖向破断裂隙区高度随上覆岩层周期垮落不断上升，水平起始位置不变。工作面竖向破断裂隙区随上覆岩层周期垮落向前向上发育。如图2所示，当工作面推进到160m时，两侧的竖向破断裂隙区发育到硬厚岩层底部，受硬厚岩层的屏蔽，破断裂隙区高度发育停止。切眼竖向破断裂隙区在硬厚岩层破断前将在高度和水平位置上保持不变。工作面竖向破断裂隙区在高度上保持不变，在水平方向上随岩层周期垮落水平移动，为动态移动裂隙。

4 硬厚岩层致灾分析

随工作面推进，工作面及切眼侧双向互通的竖向破断裂隙区，为瓦斯运移提供了通道。开采煤层受采动应力影响内部出现张裂隙后，向采空区释放瓦斯，临近煤层和断裂带煤层在卸压作用下膨胀释放的瓦斯通过裂隙涌入开采煤层采空区。瓦斯的密度小于空气且离层裂隙为负压，导致采空区的瓦斯有向上覆岩层离层裂隙运动的倾向。在压力差作用下，采空区积聚的瓦斯顺着两侧竖向破断裂隙区进入上覆岩层的离层裂隙。煤层开采后的空间主要集中的最大离层裂隙，因此瓦斯通过竖向破断裂隙区通道主要集中在上覆岩层的最大离层空间。如图7所示，当本阶段最大离层裂隙闭合时，切眼竖向破断裂隙区按一定角度向上发育，工作面竖向破断裂隙区随上覆岩层周期垮落向前向上移动，两侧的裂隙区在下一阶段的最大离层裂隙处汇合。随着本阶段离层裂隙闭合，瓦斯存储空间被压缩并被挤出，被挤出的大部分瓦斯顺着两侧竖向破断裂隙区进入新的最大离层裂隙。如此周而复始，瓦斯进入到硬厚岩层下的离层空间。整体性强、节理少、变形小的硬厚岩层屏蔽了离层裂隙的纵向发育，同时也圈闭了其下的瓦斯。占据了煤层开采大部分空间的硬厚岩层下最大离层空间为瓦斯积聚创造了巨大空间，同时采空区、临近层及开采煤层的上覆煤层的瓦斯顺着两侧竖向破断裂隙区源源不断地涌入硬厚岩层下的最大离层空间。随硬厚岩层悬跨距离不断增大，在其自重及载荷作用下出现并发育至贯通的竖向裂隙，硬厚岩层发生破断失稳。最大离层空间急剧减小，瓦斯赋存空间被压缩，同时已被压实的下部覆岩裂隙短时间内瓦斯涌出量有限，瓦斯压力短时间内急剧上升。硬厚岩层破断释放其积聚的大量弹性能，对最大离层裂隙内瓦斯产生强大的冲击力，同样导致最大离层空间瓦斯压力急剧上升。大量高压瓦斯沿双向互通的破断裂隙区反向涌向工作面，诱发瓦斯突涌、煤与瓦斯突出等灾害。杨柳煤矿在10414工作面开采中上覆硬厚岩层破断后，地面2#抽放孔曾发生喷孔，瓦斯抽采浓度在32min内从20%急剧上升到100%，抽放负压快速下降为0。

图7 瓦斯梯子型通道竖向破断裂隙区瓦斯运移

5 结 论

1)工作面推进后，上覆岩层走向断面上逐渐形成梯形结构，随关键层的破断，梯形结构的腰和下底长度呈跳跃式增大。硬厚岩层的存在屏蔽了梯形结构的高度发育。

2)硬厚岩层下最大离层裂隙发育呈跳跃式上升，占据了煤层开采的大部分空间，为瓦斯积聚创造了空间；工作面和切眼双向互通的竖向破断裂隙区为瓦斯运移提供了通道。

3)硬厚岩层圈闭了其下部的最大离层裂隙内的瓦斯，其破断会导致最大离层裂隙内瓦斯空间急剧减小，瓦斯压力快速上升，大量高压瓦斯顺着竖向破断裂隙区涌向工作面，易诱发瓦斯突涌等灾害。