老采空区充水影响下覆岩移动规律研究*

祝 琨,白国良

(1.煤炭科学研究总院，北京 100013；2.中煤科工集团北京土地整治与生态修复科技研究院有限公司，北京 100013；3.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

煤炭是我国的基础能源和重要原料，2019年我国煤炭年产量38.5亿t，占世界总产量的47%，占我国一次能源比例约为57.7%，相当长时期内，煤炭作为主体能源地位不会变化[1]。

随着多年的开采，我国东部地区煤炭资源逐步枯竭，开采条件日渐复杂，生产成本不断提高，近些年来，我国煤炭开采业的中心向西部转移。根据煤炭工业发展规划，“十三五”期间化解淘汰过剩落后产能8亿t/a左右，2016年实际已退出煤炭产能或超过3亿t，关闭矿井4 800余处，2017年，内蒙、山西、陕西、贵州、新疆等关闭煤矿近1 000处[2]。

伴随着矿井关闭，矿井涌水停止排泄，地下水水位将逐渐上升，采空区充水后覆岩移动变形规律以及是否会产生二次塌陷是矿区生态修复研究者密切关心的问题，但目前对于采空区充水后覆岩移动变形规律可借鉴的成果较少，相关研究表明采用相似材料模拟采动覆岩移动和变形是可行的[3-4]，本文通过相似材料模拟对采空区充水后覆岩移动规律进行了研究。

1 相似材料物理模型的建立

以淮北煤田某矿地质采矿条件为原型建立相似材料模拟实验模型，模拟采深(H)200 m，采厚(M)5.00 m，采用3 000 mm×2 000 mm的二维相似材料模拟实验台进行。

试验几何相似常数取为αl=200；容重相似常数取为αγ=1.5；应力相似常数ασ=αl×αγ=200×1.5=300；时间相似常数为αt=αl1/2=14。根据研究区钻孔柱状图地层岩性选择实验相似材料的配比[5]，相似材料模型各岩(煤)层厚度及强度指标如表1所示。

表1 各岩(煤)层厚度及强度指标

模型在顶板各岩层布置位移测点，水平方向测线11条，垂向测线29条，共计319个测点，如图1所示。试验中使用三维光学摄影测量系统对模型表面位移进行监测。

图1 模型测点布置

在覆岩内埋设土压力盒，试验中采用YJZ-32A 智能数字应变仪对应力进行监测。模拟开采工作面3个，工作面长度600 mm，区段煤柱25 mm，工作面开采采用一次采空的方式，自左向右依次开挖，采空区位置及土压力盒埋设位置如图2所示。

图2 土压力盒及工作面布置图/mm

2 充水影响下覆岩移动模拟与分析

堆筑模型时，在煤层底部铺设土工布，模型前后两侧预留一定长度的土工布。模拟第一阶段对3个工作面进行常规的开挖，进行光学数据的采集，分析岩层移动规律，当岩层移动稳沉后，向上卷起土工布，沿土工布逐步向采空区内注水，模拟地下水浸入采空区，地下水浸入标高控制在采动煤层范围，浸水后每天进行光学数据的采集与土压力值测记，持续一星期时间。

为了进一步说明浸水对覆岩下沉的影响，将浸水前后的下沉值相减，得到浸水影响下覆岩下沉变化值，根据“三带”理论，受采空区充水的影响，位于导水裂缝带内H行测点下沉值增加情况转化为原型值如图3所示。

图3 充水后H行测点下沉值增加曲线

由图可知，采空区充水后导水裂缝带内覆岩下沉值增加相对明显，这表明采动覆岩在多年自然重力作用下处于相对稳定状态，但采动岩体导水裂缝带内孔裂隙依然存在，在采空区充水后水分向上运移，如图4所示，图中深色部分为注水后相似材料模型浸湿部分，上覆岩体遇水软化，孔裂隙进一步压实，岩体下沉值增加[6-7]。

图4 采空区充水后模型照片

3 覆岩压力变化规律

采空区充水后导水裂缝带内压力盒压力变化如图5所示，由图可知，充水后导水裂缝带内岩体压力不断增加，压力呈周期性变化，振幅逐渐减小。这表明采空区充水后岩体遇水软化，岩体强度降低[8]，在上覆岩层压力的作用下，岩体进一步压实，部分测点压力接近原岩压力[9]，但也有部分测点压力相对较小，这表明在导水裂缝带内由于孔裂隙及离层的存在使岩层压力相对较低。

图5 导水裂缝带岩层压力变化曲线

充水后弯曲带内压力盒压力变化如图6所示，由图可知，采空区充水后弯曲带内压力增加，这表明由于矿井正常排水期间导水裂缝带内的水体已渗入采空区，岩体为干燥状态，当浸水后岩体遇水膨胀，压力增加，但压力并未随采空区充水时间的延长而增加，这也表明当矿井关闭后地下水位回升，导水裂缝带内覆岩会出现压力增加的现象。

图6 弯曲下沉带岩层压力变化曲线

充水后第四系土层内压力盒压力变化如图7所示，由图可知，第四系土层内压力变化并不明显，导水裂缝带岩体的膨胀变形仅使弯曲带内离层裂隙进一步闭合，但并未反应至地表。

图7 第四系土层压力变化曲线

4 水对岩体的软化作用研究

水对岩体的抗压强度起着明显的影响。当水侵入岩体时，水就顺着裂隙孔隙进入，润湿岩体全部自由面上的每个矿物颗粒。由于水分子的侵入改变了岩体物理状态，削弱了粒间联系，使强度降低。其降低程度取决于孔隙和裂隙的状况、组成岩石的矿物成分的亲水性和水分含量、水的物理化学性质等。因此，岩石受水饱和状态试件的抗压强度(湿抗压强度)和干燥状态试件的抗压强度是不同的[10]。

水对岩体强度的降低也可以通过静水压力对岩体产生的有效应力进行解释。根据Mohr-Coulomb强度准则，当岩体孔隙及裂隙上作用有水压力时，其有效正应力为σe=σ-αp，则此时岩体强度公式表示为[11-12]：

τ=(σ-αp)tgφ+C=σtgφ+(C-αptgφ)

(1)

上式可写成：

τ=σtgφ+Cw

(2)

式中，Cw为水影响后岩体的内聚力。

Cw=C-αptgφ

(3)

按Mohr-Coulomb准则，干燥岩体单轴抗压强度Rd与内聚力C、内摩擦角φ有如下关系：

Rd=2Ccosφ/(1-sinφ)

(4)

当岩体内有孔隙压力p时，经按有效应力推导，其单轴湿抗压强度Rw为：

Rw=Rd-2psinφ/(1-sinφ)

(5)

由式(3)和式(5)可知，水压作用下岩石内聚力减小了αptgφ，抗压强度减小了2psinφ/(1-sinφ)。当p不为0时，岩体湿抗压强度恒小于岩体干抗压强度。软化系数λs为：

λs=Rw/Rd=1-(p/C)tanφ

(6)

式(6)表明，C必须大于ptanφ，否则λs为负值；孔隙压力愈大，软化系数愈小，当p=0时，λs=1。因此，采空区充水后，水压作用下岩体内聚力和抗压强度减小，充水压力越大岩体强度越低。

岩样的抗压强度随浸水时间变化的实测结果也表明，岩石浸水后强度明显降低，但在浸水2～4 d后岩石强度趋于稳定，这表明随着水分的浸入，矿物颗粒之间的毛细管力、表面张力降低，使得岩石内部黏结力降低，宏观上则体现为岩石发生软化[13]。不同的岩性其降低幅度是不一样的，砂岩、泥页岩抗压强度降低30%～40%，泥岩抗压强度降低50%～60%，这对工程实际具有指导意义。

5 结 论

(1)采空区充水后，水压力作用下岩体内聚力和抗压强度减小，充水压力越大岩体强度越低。

(2)采空区充水后水分向上运移，导水裂缝带的岩体遇水软化，孔裂隙进一步压实，岩体下沉值增加；在开采区域外岩层出现了显现的上升现象。

(3)采空区充水后导水裂缝带内岩体压力不断增加，压力变化呈周期性变化，振幅逐渐减小。

(4)采空区充水对第四系或地表的影响并不明显，不会出现地表下沉值大幅增加或突然塌陷等地质灾害现象。