趙各莊礦深部大傾角綜放工作面裂隙場的相似模擬研究

原 偉

（1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024；2.山西三元煤業(yè)股份有限公司，山西 長治 046000）

多年來，科技工作者從三方面研究采動條件下煤巖裂隙發(fā)育狀況：一是深入現(xiàn)場進行實地觀測；二是在實驗室進行相似材料模擬試驗[1]；三是理論研究，通過力學(xué)解析分析法、數(shù)值分析和近代數(shù)學(xué)、力學(xué)和計算科學(xué)方法。本文以開灤煤業(yè)集團趙各莊礦3237工作面為例，研究深部開采條件下大傾角綜放工作面裂隙場演化規(guī)律。

1 工作面的概況

趙各莊礦3237綜采放頂煤工作面是典型的多災(zāi)害并存的工作面，位于十三水平西翼1石門12煤層，沿底板布置，受地質(zhì)構(gòu)造影響；3237西上面走向長度較短，不利于綜采優(yōu)勢的發(fā)揮；3137西中面（底分層）走向較長，準備時間長，兩個工作面銜接較緊張。因此，3237西上面擬跨越3239上山向東連續(xù)回采3137西中面（底分層），以達到延長工作面的走向長度、減少巷道掘進量及工作面搬家倒面次數(shù)，提高煤炭回采率，緩解綜采工作面采掘銜接緊張局面的目的。該工作面所采煤層是高瓦斯煤層，開采中有自燃發(fā)火危險，CO濃度40～60 ppm，個別達到100 ppm，盡管也采取了相應(yīng)措施（如：粉煤灰灌漿、瓦斯抽放、松動爆破等），但是并沒有解決問題，是煤礦安全生產(chǎn)的威脅。

趙各莊礦煤層傾角從東向西由下向上逐漸增大，由 24°～35°、平均 28°，煤層走向 290°左右，煤層厚度9.12～14.27 m、平均10.69 m，距上覆9號煤層28～40 m、平均32 m。該工作面地質(zhì)條件較復(fù)雜，處于傾斜向急傾斜過渡區(qū)，煤質(zhì)松軟易碎，易抽冒，尤其在斷層附近，施工中應(yīng)采取安全技術(shù)措施，掘進中共揭露三條斷層。F6斷層在十三西3石門所揭露，F(xiàn)7斷層在3237西上面老邊眼揭露。該工作面為大傾角厚煤層，采用綜采放頂煤采煤法，工作面沿底板布置，見圖1。3237西上面瓦斯涌出量參照3237東下面正?；夭蓵r風(fēng)排瓦斯及抽放瓦斯量核定。東下面相對瓦斯涌出量11.64 m3/t，平均瓦斯抽放率64.5%；煤層自燃發(fā)火期6～8個月；煤塵有爆炸危險，爆炸指數(shù)47.4%。該工作面跨越3239上山連續(xù)開采，主要面臨防治自燃發(fā)火、瓦斯、動壓等問題。

圖1 3237（3137）工作面巷道布置及通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

2 深部大傾角綜放工作面裂隙場演化特征的相似模擬實驗

1）實驗設(shè)計：工作面參數(shù)的實驗室模擬，主要參照趙各莊礦煤田西翼煤層賦存狀況表和3237工作面的煤巖綜合柱狀圖。3237回采工作面模擬圖及位移測點布置：模擬回采方向從進風(fēng)巷側(cè)，到回風(fēng)巷側(cè)。右邊預(yù)留煤柱0.4 m，12號煤層為采動煤層，在其上部20 m左右的11號煤，布置壓力傳感器一層共四個（Ⅰ～Ⅳ壓力傳感器）。置位移傳感器測定豎直方向位移，共三排12個，標號①～12○。為觀察水平方向的滑移，在11號煤層①④⑦⑩和9號煤層②⑤⑧11○測點處布置兩組共8個位移傳感器測量水平位移，標號分別為 11 號煤層的13○14○15○16○和 9 號煤層的17○18○19○20○（圖上未標出）。位移計的布置位置見圖 2。

圖2 回采工作面實驗室模型圖

2）上覆巖層垮落后的裂隙帶分布：據(jù)圖分析上覆巖層裂隙縱向分布規(guī)律：上覆巖層0～25 m為冒落帶，25～70 m為裂隙帶，約為采高的10倍，11號煤層位于冒落帶，9號煤層處于裂隙帶。上覆巖層70 m以上為彎曲下沉帶。

3 實驗結(jié)果分析

1）采場上覆巖層位移規(guī)律分析:隨著工作面的推進，采空區(qū)的上覆及周圍巖層均遭破壞，其間的應(yīng)力關(guān)系及位置關(guān)系都有變化。位置位移的變化與工作面的推進距離相關(guān)，上覆巖層的裂隙和破壞程度則是自下而上的發(fā)展。為了分析方便，把布置在同一豎直線上的位移計所測位移的變化量與工作面推進距離的關(guān)系曲線繪制在同一坐標系（橫坐標為推進距離，單位m；縱坐標為頂板下沉量，單位mm）。以位移計①②③為例的關(guān)系圖見圖3。這一豎直線上的位移計所測位移變化量，主要是隨著不斷推進，上覆巖層將承受拉應(yīng)力，巖層垮落之后拉應(yīng)力變化加快、并不斷向上傳遞，測點從下到上依次產(chǎn)生裂隙并逐漸發(fā)育。表現(xiàn)在圖中所示曲線上的所測位移量先是近似直線緩慢增加，但是增幅很小而且很緩慢，直到裂隙充分發(fā)育。例圖中所測變化量測點①最大，測點③最?。粶y點①距離煤層頂板最近，而測點③最遠；在剛開始階段，測點①由于采動影響引起的應(yīng)力變化明顯，但是采動引起的應(yīng)力變化還沒有完全影響到③測點。由于位移計①②③所在監(jiān)測線位于開切眼右方煤柱上方，監(jiān)測點處所產(chǎn)生的裂隙都經(jīng)受拉應(yīng)力作用起裂、裂隙發(fā)展的過程。隨著不斷向前推進，采空區(qū)逐漸擴大，支撐應(yīng)力逐漸向進回風(fēng)巷兩端轉(zhuǎn)移，此監(jiān)測線所在覆巖所受壓應(yīng)力會逐漸增加，應(yīng)力出現(xiàn)集中，從而導(dǎo)致覆巖裂隙受壓逐漸萎縮、變小、吻合，最后被壓實閉合[2]。在圖中表現(xiàn)為在推進50m以后，靠近煤層頂板的測點①的下沉量最小，而離頂板最遠的測點③下沉量最大。離頂板越遠的位移計下沉量越大，下沉量的差值也在增加，說明位移計之下巖層受壓越厲害。實驗過程中，在推進50 m時，初次來壓，垮落高度達18m，可見測點③支撐力加劇是在推進50 m，發(fā)生初次來壓時才開始的。發(fā)生初次來壓后，采空區(qū)上方的冒落帶和裂隙帶將會成為瓦斯大量聚集區(qū)域[3]，也是解決采空區(qū)瓦斯問題的關(guān)鍵區(qū)域。

圖3 ①②③測點位移變化曲線

圖4 測點Ⅰ應(yīng)力變化曲線

2）采場圍巖應(yīng)力分布規(guī)律研究：（1）煤層頂板內(nèi)應(yīng)力是研究頂板內(nèi)、巷道卸壓瓦斯運移與儲集等問題的基礎(chǔ)。相似試驗?zāi)Ｐ椭校诰嚯x12號煤層上方11號煤層處，布置4個壓力傳感器。分析時的橫坐標為距離煤層開采處的相對距離，縱坐標為壓應(yīng)力變化量。圖4是測點Ⅰ的應(yīng)力變化曲線，測點Ⅰ位于進刀處后方5 m處。測時位于停采線后5 m處。測點1在進刀處向前推進時距離進刀處越來越遠，而在距離進刀處約30 m和70 m范圍附近時，是兩個斜率較大的變化過程，分析其主要原因分別為應(yīng)力集中和上覆巖層垮落。70 m范圍的斜率增幅較小，主要是因為這時冒落的矸石也承受了一部分壓力。測點隨著煤層進刀的行進，壓應(yīng)力會先出現(xiàn)平緩的逐漸增大的過程，當(dāng)距離開采處20左右時出現(xiàn)一個峰值，出現(xiàn)應(yīng)力集中，隨著開采的推進，應(yīng)力集中向煤柱深部轉(zhuǎn)移，測點應(yīng)力開始降低。（2）經(jīng)對上覆巖層應(yīng)力變化的分析，可以得出大傾角工作面上覆巖層的應(yīng)力分布特征。由于煤層傾角大，使得采空區(qū)兩側(cè)形成的增壓區(qū)壓力不均衡，采空區(qū)下側(cè)承受支承壓力較大，采空區(qū)上側(cè)承受壓力較小。在采空區(qū)頂、底板巖層內(nèi)形成了減壓區(qū)，減壓的結(jié)果在頂板巖層內(nèi)出現(xiàn)了離層。當(dāng)巖層穩(wěn)定后，采空區(qū)中部上方的區(qū)域還有著充分的裂隙，而在采空區(qū)進回風(fēng)巷兩側(cè)以外的一定區(qū)域內(nèi)，則是上覆巖層承壓的區(qū)域，在這塊區(qū)域的縱向有著壓縮變形，橫向則有著拉伸變形。

4 結(jié)論

1）通過實驗室相似模擬和計算機數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)隨著煤層的采出，煤層上巖層的裂隙會增大，形成大量的瓦斯聚集空間，隨著煤層上方巖層垮落，采空區(qū)冒落范圍的擴大，上覆巖層的裂隙會逐漸壓實甚至閉合，但由于巖層變得松動，堅固性系數(shù)下降，所以仍會有大量瓦斯賦存在裂隙中。趙各莊礦大傾角煤層上覆巖層裂隙縱向分布規(guī)律為：上覆巖層0～25 m為冒落帶，25～70 m為裂隙帶，70 m以上為彎曲下沉帶。11號煤層位于冒落帶，9號煤層位于裂隙帶，7號煤層在彎曲下沉帶。2）隨著工作面的不斷推進，遠離工作面的采空區(qū)上覆巖層所受壓應(yīng)力會逐漸趨于穩(wěn)定。3）通過研究趙各莊12號煤層3237工作面在回采過程中，頂板的冒落及裂隙場分布演化規(guī)律，可尋找瓦斯富集區(qū)和利用相關(guān)工程技術(shù)方法改變瓦斯運移通道提供理論依據(jù)。4）為探尋采空區(qū)自燃發(fā)火規(guī)律與裂隙場分布之間的關(guān)系提供基礎(chǔ)支持。

[1] 孫鑫，林傳兵，林柏泉.深部大傾角綜放工作面上覆煤巖裂隙演化規(guī)律研究[J].煤礦安全，2008(4):21-24.

[2] 張勝，田利軍，肖鵬.綜放采場支承壓力對覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律的影響機理研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2011，38(6)：12-14.

[3] 袁亮，郭華，沈?qū)毺?，?低透氣性煤層群煤與瓦斯共采中的高位環(huán)形裂隙體[J].煤炭學(xué)報，2011，36(3):357-365.

[4] 齊慶新，彭永偉，汪有剛，等.基于煤體采動裂隙場分區(qū)的瓦斯流動數(shù)值分析[J].煤礦開采，2010，15(5):8-11.