采空区充水后覆岩移动规律模拟实验研究

采空区充水后覆岩移动规律模拟实验研究

煤炭是中国的基本能源和重要原料。2019年，中国煤炭年产量为38.5亿元，占世界总面积的47%，占中国一次能源的57.7%。在很长一段时间里，煤炭作为主要能源的地位并没有改变。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4800余处，2017年，内蒙、山西、陕西、贵州、新疆等关闭煤矿近1000处伴随着矿井关闭，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1水平方向测线设置及测量条件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(试验几何相似常数取为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。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600mm,区段煤柱25mm,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。2浸水影响下覆岩下沉变化堆筑模型时，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。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。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。4岩石的水土性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=(上式可写成：=式中，=按Mohr-Coulomb准则，干燥岩体单轴抗压强度=2当岩体内有孔隙压力=由式(3)和式(5)可知，水压作用下岩石内聚力减小了=式(6)表明，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2～4d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5覆水层导水裂缝带内岩体压力变化规律(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