覆岩体内移动变形及离层特征

摘要　采动覆岩体内的移动变形与地表的移动变形本属一个问题的两个方面，长期以来地表的实际观测资料较多，在理论分析和工程应用方面积累了不少经验，而覆岩体内的移动变形由于观测条件的困难，实际观测资料较少。但是，随着生产技术的发展（如井筒煤柱的开采、覆岩离层带注浆充填减少（减缓）地表沉陷技术等），覆岩体内的移动变形规律的研究越来越显示出其重要性。本文阐述了作者近期对覆岩体内移动变形及离层特征的一些再认识。
关键词　移动变形　分布特征　离层裂缝

1　采动覆岩体内移动变形特征
1.1　移动分布特征
1.1.1　下沉W
　　刘宝琛（1987）用随机介质理论研究了开采影响在岩体内部的传播，半无限开采条件下，平面问题的岩体内部的下沉可按下式计算：

式中　
　　　n——主要影响半径指数。
　　作者（1994）应用三维有限元分析，岩体内下沉等值线在两个岩性相差较大的层间接触弱面处呈现非光滑，产生了折线，这反映了岩体内沉陷运动的不协调即离层裂缝的存在，据曲线的转折程度 ，可判断离层的大小。这与前苏联在顿巴斯矿区所得结果及隋旺华所做的离心模拟实验是一致的（见图1）。

图1　岩体内下沉等值线（单位：mm）

1.1.2　水平移动U
　　通过考虑分步开挖的弹性有限元模拟，计算某矿地质开采条件下岩体内的水平移动分布如图2所示，从图2中可看出随岩层距采空区的位置不同，水平移动曲线呈现出不同的分布特征。采空区中央的水平移动为零，向两侧在一定深度以上（横向u=0线以上），岩层水平移动方向指向采空区，数值随深度的减小而增加；一定深度以下，岩层水平移动方向指向煤壁一侧岩体内，数值随深度的增加而增加。

图2　岩体内水平移动等值线（单位：mm）

1.2　变形分布特征
　　a　水平变形ε
　　计算某矿地质开采条件下的岩体水平变形分布如图3所示。采空区上部顶板暴露面附近出现了拉伸水平变形，向上为压缩水平变形，地表沉陷盆地中央压缩水平变形值达到最大；煤柱一侧岩体受拉伸水平变形影响，地表距煤壁水平距离约处拉伸水平变形值达到最大。同时，由于岩体中上硬下软岩层之间的软弱夹层（计算中设置节理单元）在覆岩移动变形过程中的“层面效应”，岩体中软弱夹层上下水平变形等值线发生变化，这种变化反应了离层裂缝的产生。

图3　岩体内水平变形等值线（单位：mm）

　　b　倾斜变形
　　开采覆岩倾斜变形随深度的增大而增大，其最大值在采空区煤壁附近，而采空区中央上方的倾斜变形值为零（图4）。这里需要指出，就某一岩层或地表的倾斜变形和水平移动曲线的形状是有相似性的，但就其岩体内的分布特征来说是大不相同的。

图4　岩体内倾斜变形等值线（单位：mm）

2　覆岩移动变形的分带特征
　　长壁垮落法开采的条件下，煤层开采覆岩发生移动变形具有明显的分带性。
2.1　垮落带
　　垮落带岩石的碎胀系数一般在1.2～1．5，据现场实测垮落带的高度多是煤层采厚的3～8倍。实践和研究证实，覆岩及地表移动变形，从量值上及分布形态上都取决于采动岩体的垮落空间形态，在一定开采深度条件下，采场垮落空间可近似看成无限域中椭圆形孔洞。孔洞顶壁切向应力可由弹性解给出：

式中　h——椭圆孔短半轴即垮落高度；
　　　l——椭圆孔长轴即开采长度；
　　　λ——侧压系数；
　　　σ₀＝γH。
当σ＝［σ_c］时岩层即产生拉断破坏，得

又有　（V－l^.s^.m）K_μ＝V
式中　V——垮落椭球体的体积，
　　　
　　　s——采煤工作面另一侧的长度；
　　　m——煤层开采厚度。
即　
故煤层开采覆岩垮落高度应为：min(h,h′）
　　在平面问题分析的数值计算中，一般把出现双向拉应力（σ₁＞0，σ₃＞0）的单元，看作崩解单元，顶板岩石发生垮落，此时双向拉应出现区域即为采动覆岩垮落带的分布形态。
2.2　裂缝带
　　裂缝带是在采空顶板的弯曲和垮落碎胀岩石的压密过程中产生的，当开采区达到一定范围时，裂缝带高度达到最大，随着岩层移动的稳定，裂缝带上部的裂隙又被逐渐压闭，裂缝带高度随之有所降低。在数值计算中，一般用σ₁≥0来近似判别导水裂缝带范围及最大高度（σ₁＝0等值线大多情况下为一“马鞍形”），这首先是因为采空顶板暴露面附近岩体抗拉强度很低甚至为零，再者是因为经验上的σ₁＝0线与现场实测导水裂缝带的分布较为接近。
2.3　弯曲带
　　弯曲带内，采空区上方岩层在其自重作用下产生法向弯曲，岩层处于水平双向压缩状态；而煤柱上方弯曲带内岩层呈水平双向拉伸。一般认为此带岩层基本保持其完整性和层状特征，作者通过近期研究和工程实践认识到，在一定的地质开采条件下，弯曲带岩体也可能产生较大裂缝、离层、垮断等，典型的实例是新汶矿业集团公司华丰煤矿，矿井开采四煤厚6m，覆岩沉陷运动过程中，裂缝带之上弯曲带内岩层沿层面（巨厚坚硬砾岩与软弱岩层红层之间）产生了离层空隙，随着开采的进行离层范围持续发展（最大高度2.1m，最大宽度230m左右），当离层范围大于砾岩折断步距时，砾岩底部突然发生断裂（矿井产生强烈冲击地压），同时地表（表土2～4m）逐渐产生宽2～3m，长数百米，深50～80m的斑裂纹。

3　覆岩沉陷移动的离层特征
　　采动覆岩沉陷运动过程中沿岩层层面产生分离的现象称为离层，这种离层可以在垮落带、裂缝带及弯曲带中产生，但垮落带、裂缝带中离层发育的时间较短且其空隙会逐渐被压实闭合，而弯曲带中一般离层范围较大、发育发展时间较长，并随岩层移动，有时残余离层空隙会永久存在。由于弯曲带岩体各岩层沉陷运动的不协调性，离层裂缝可以在数个层位发生，所以覆岩沉陷研究中离层空隙带应是弯曲带中较为集中的离层裂缝的统称。之所以把弯曲带中动态发展变化的离层空隙作为覆岩的一个分带特征来研究，是因为随井下开采岩层移动动态变化，覆岩的离层性及离层规律是影响覆岩及地表沉陷运动及其大小的重要因素。通过对华丰煤矿数年的地表移动变形观测得到：
　　a　覆岩离层的产生与发展使地表的移动变形出现了明显的“集中”与“滞缓”现象，下沉速度变化较大，但是实行离层注浆充填的区域，改变了离层空隙的运动状态，这种“集中”与“滞缓”现象又变得不明显，地表下沉速度明显降低（最大下沉速度降低42％）。
　　b　移动变形的“集中”与“滞缓”现象，以井下工作面每推进260～320m为周期交替出现，反应了砾岩底部离层空隙在此尺寸范围内的发展与断裂闭合运动，图5为观测到的离层变化曲线。在离层发育发展过程中，离层层面上下岩层产生了下沉运动的不协调性，即下位岩层（红层）下沉量（下沉速度）较大，由于上位岩层（巨厚坚硬砾岩）的支托作用，其下沉运动较为迟缓，砾岩层底部与煤系地层之间产生大范围的离层空隙。而当离层空隙发展到一定尺寸以后，砾岩底部发生了大面积的垮断，相应覆岩沉陷活动突然加剧，这也在矿井煤层顶板强烈冲击地压现象和地表沉陷观测的实际情况中得到了证实。

图5　最大离层点离层随工作面推采变化曲线

　　裂缝带上部离层空隙的产生与发展，使得我们原来称之为“弯曲带”中的岩体，有可能产生垮断冒落，这对地表的沉陷运动影响较大。在一定地质采矿条件下，由于覆岩沉陷运动不协调性导致裂缝带上部岩体中产生大范围的离层空隙，而使岩层悬露垮断的现象，应引起我们在覆岩沉陷研究及损害治理工作中的重视。

作者简介：郭惟嘉，男，41岁，博士，教授，1982年毕业于山东矿业学院采矿系。现任山东矿业学院特殊开采研究所所长，曾获省、部级科技进步奖多项，出版“覆岩沉陷离层及工程控制”等著作三部，发表论文50余篇。