煤礦綜放開采裂高采厚比范圍的確定

題正義，董強強，秦洪巖

(遼寧工程技術(shù)大學 礦業(yè)學院，遼寧 阜新123000)

確定裂隙帶高度是實現(xiàn)水體下安全開采和瓦斯抽采的一個重要技術(shù)，裂隙帶高度在我國的煤炭工作者的多年研究中已經(jīng)取得了很大的進展［1-2］。研究結(jié)果表明裂隙帶的發(fā)育高度主要與采厚、采深、頂板巖性和工作面跨度等因素有關(guān)［3］。由于厚煤層綜放開采裂隙帶高度的研究成果相對來說較少，《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中也沒有給出綜放開采的裂隙帶發(fā)育高度的計算公式［4-5］。規(guī)程中的裂隙帶計算公式是劉天泉院士根據(jù)20 世紀80 年代我國華北地區(qū)的煤礦實測數(shù)據(jù)，應用多元統(tǒng)計分析整理所得，收集的實測數(shù)據(jù)都是一次采全厚的裂隙帶高度［6-8］。本文從理論類比計算和數(shù)值模擬得出工作面的裂采比和裂隙帶高度，通過試采工作面現(xiàn)場實測進行檢驗，最終確定綜放開采頂板裂采比。

1 工程概況

某井田3 號煤層呈層狀產(chǎn)于延安組第三段上旋回的頂部，層位穩(wěn)定，分布廣泛，厚度在7.55 ～10.36 m之間，平均9.06 m，是區(qū)內(nèi)主要可采煤層。井田礦井擬采用大采高綜放開采，采3.8 m 放5.26 m。井田3 號煤層覆巖破壞高度研究屬于堅硬巖性條件下厚煤層綜放開采覆巖破壞高度研究。

2 裂隙帶高度理論預計

井田礦井屬于新建礦井，無實際的覆巖破壞觀測資料，只能借鑒全國其他類似地質(zhì)條件的煤礦開采經(jīng)驗。因此，我們采用類比分析法來分析3 號煤層綜放開采的覆巖破壞規(guī)律［9-14］。類似于礦井3 號煤層水體下綜放開采的實例有:陜西省彬縣煤炭責任有限公司下溝煤礦涇河下厚煤層綜放開采與神東公司榆樹灣煤礦3 號煤層綜采分層開采，對井田3 號煤層綜放開采具有重要的借鑒意義。

①下溝礦涇河下綜放開采

下溝煤礦地處彬長煤田邊緣，井田面積11 km2，可采儲量為0.91 億t，涇河下壓煤0.41 億t，約占礦井地質(zhì)儲量的21%。下溝煤礦主采3 號煤層，煤層在涇河下的厚度為8 ～14 m，上覆煤巖柱為軟弱偏中硬類型。2005 年9 月至2006 年5 月在涇河下的一個面進行了綜放試采。工作面南北長約1 060 m，東西寬93.4 m，設(shè)計采高8.5 m。試采過程中在試采工作面的合適位置設(shè)計并施工了兩個覆巖破壞觀測孔對綜放開采的“兩帶”高度進行了觀測研究;利用鉆孔采取巖心實驗測定的巖石力學參數(shù)，采用變形分析法分析計算涇河下3 號煤層綜放開采的裂隙帶高度。通過理論計算再與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比分析，最終確定了涇河下試采工作面綜放開采覆巖破壞裂采比為12.71。

②榆樹灣煤礦綜采分層開采

榆樹灣煤礦位于陜北侏羅紀煤田榆神礦區(qū)的東南部，鄰近雙山礦，井田地質(zhì)構(gòu)造簡單，主采煤層為3 號煤層。目前榆樹灣煤礦已開采一個工作面，綜采分層開采，初分層采高為5 m。工作面覆蓋層厚度為203 ～295 m，其中基巖厚度在120 ～150 m，表土層厚為103 ～145 m，隨著工作面的開采覆蓋層厚度逐步增加，基巖層屬于堅硬類型。榆樹灣煤礦的水文地質(zhì)條件與井田礦井類似，第四系含水層組強弱皆有分布，基巖承壓含水層組富水性弱，第四系含水層組與基巖承壓含水層組之間有穩(wěn)定的紅土隔水層，兩者未形成統(tǒng)一含水體。綜采初分層開采期間工作面最大涌水量為25 m3/h，判斷綜采初分層裂隙帶未波及到第四系含水層組，但根據(jù)其涌水量出水規(guī)律判斷其裂隙帶已發(fā)育至風化帶，裂采比應該在15 ～20 倍之間。后經(jīng)煤炭科學研究總院西安分院綜合分析，得出榆樹灣煤礦綜采初分層開采裂高采厚比為18 倍。

③井田綜放開采裂隙帶高度預計

綜合上述兩個實例分析，下溝礦綜放開采厚度與井田相近，但井田3 號煤層上覆煤巖柱屬于堅硬類型，而下溝礦8 號煤層上覆基巖柱屬于軟弱偏中硬類型，因此井田礦井綜放開采的裂采比應該大于下溝礦的12.71;榆樹灣煤礦與井田礦井覆巖結(jié)構(gòu)及水文地質(zhì)條件類似，但榆樹灣煤礦屬于綜采初分層開采，相當于綜采一次采全高，其裂采比應高于綜放開采，因此井田礦井綜放開采裂采比應小于榆樹灣煤礦，則井田礦井的裂采比應在12.71 ～18 之間。

3 裂隙帶高度數(shù)值模擬

FLAC 數(shù)值模擬軟件廣泛應用于巖土工程和采礦工程等領(lǐng)域。該軟件基于巖石力學相關(guān)理論，采用拉格朗日元算法進行計算。軟件內(nèi)含11 個彈、塑性材料本構(gòu)模型，并可以針對特殊情況，利用FISH自定義分析，進行深入而準確的計算和分析［15-17］。

3.1 數(shù)值模型的建立

井田礦井首采面1303 工作面設(shè)計長度185 m，推進距離約1 409 m。經(jīng)鄰近鉆孔M103、M503、M305揭示上覆巖層主要有:第四系上更新統(tǒng)Q3，主要為薩拉烏蘇組Q13s;第四系中更新統(tǒng)Q2，主要為離石組Q21;新近系上新統(tǒng)N2，主要為靜樂組N2j;侏羅系中統(tǒng)J2，包括延安組第四段J2y4 及延安組第三段J2y3，本礦主采煤層3 煤位于J2y3 上部。

基于FLAC 建模原理，應用FLAC 軟件，根據(jù)M103、M305、M503 鉆孔，建立1303 工作面煤巖層分析模型，模型長1 100 m，高200 m，共劃分為10 340 個單元，21 658 個節(jié)點。模型四周施加水平約束使邊界水平位移為零，底部為固定邊界，頂部為自由邊界。

為簡化建模，根據(jù)鉆孔M103、M305、M503 所得巖層分布，考慮具有相似力學性質(zhì)巖層的組合特征并將其劃為一組，將研究區(qū)內(nèi)煤巖層共劃分為13 個層組，其中3 號煤層的埋深為191 m，煤厚為9.06 m。通過實驗室測定獲得煤巖層的力學參數(shù)，部分無法測定的取統(tǒng)計數(shù)據(jù)的平均值。模型頂端施加等效載荷，即自重應力，上覆巖層的體積力按25 kN/m3計算。各煤巖層的物理力學參數(shù)見表1。

表1 煤巖層物理力學參數(shù)Tab.1 Physical and mechanics parameters of rock and coal

3.2 覆巖破壞高度的確定原則

模擬巖體采用的彈塑性本構(gòu)模型是莫爾-庫侖型，其屈服準則描述如下:

式中:σ1為最大主應力，MPa;σ3為最小主應力，MPa;C 為粘結(jié)力，MPa;φ 為內(nèi)摩擦角，(°)。

當fs＞0 時，巖層發(fā)生剪切破壞。隨著工作面回采，頂板上覆巖層相繼出現(xiàn)不同的破壞。自下而上可以分為:垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。其中垮落帶又分拉張破壞區(qū)和局部破壞區(qū)，拉張破壞區(qū)指巖層由于雙向拉應力的作用被拉斷、垮落的區(qū)域。彎曲下沉帶指彈性區(qū)和剪切破壞區(qū)。裂隙帶指巖體由于某一方向上大于其抗拉強度的拉應力作用而產(chǎn)生一定方向的張裂隙，不同大小和貫通狀況的裂隙對巖體的滲透性和破壞程度不同。彎曲下沉帶的下限定義為裂隙帶上限，將垮落帶上限定義為裂隙帶下限。

巖石一般具有較高的抗壓強度和較低的抗拉強度。對于一次采放厚度較大的綜放工作面而言，低抗拉特性在覆巖整體應力重新分布中表現(xiàn)更為突出。因此可根據(jù)抗拉強度準則，即3 倍的抗拉強度來判斷巖體是否產(chǎn)生拉伸破壞。

3.3 模擬結(jié)果的分析

為研究裂隙帶高度隨著工作面推進距離的增加，分別模擬了工作面推進距離為100 m、200 m、400 m、800 m 四種方案情況下覆巖破壞程度，工作面推進800 m 時的破壞場分布如圖1 所示。由破壞場的分布圖(見圖1)可以看到，自工作面開切眼回采開始，工作面頂?shù)装寮懊罕谇胺胶凸ぷ髅婧蠓骄饾u產(chǎn)生明顯的破壞區(qū)域，隨著工作面的不斷回采，破壞范圍逐漸呈現(xiàn)出明顯的“馬鞍”型。工作面不同推進長度時的裂隙帶發(fā)育范圍和高度，詳見表2。

圖1 工作面推進800 m 破壞場Fig.1 Damage fields while working face forward 800 m

表2 工作面推進不同階段裂隙帶的發(fā)育高度Tab.2 Fissure and collapse field's height while working face in various positions

通過表2 可以發(fā)現(xiàn)，工作面回采前期，裂隙帶的發(fā)育范圍和高度較小，且隨著工作面的推進均不斷增加;當工作面推進到400 m 之后，裂隙帶的范圍僅沿工作面推進的水平方向上不斷擴大，而最大發(fā)育高度在132 m 左右不再增加，數(shù)值模擬的最大裂隙帶高度為132 m，則裂采比小于14.57。

4 試采工作面裂隙帶高度實測

對試采工作面的頂板裂隙發(fā)育情況打鉆孔實測，一共打孔6 個，打孔時距工作面的距離是8 m至14 m 范圍，六個鉆孔的角度分布如圖2 所示。

1 ～6 號鉆孔分別對應的裂隙帶的發(fā)育高度是121 m、118 m、120 m、122 m、117 m 和113 m，4 號鉆孔測得的裂隙帶發(fā)育高度最大為122 m。圖3 為4 號鉆孔的觀測過程截圖，從圖3 中可以看出:鉆孔深度71 m 時有縱向裂隙，深度為98 m 時有橫向裂隙，當深度大于126 m 之后就再也沒有裂隙的存在，根據(jù)4 號孔的角度可以得出工作面的裂隙帶的高度為122 m，現(xiàn)場實測的裂采比為13.47。

圖2 鉆孔角度及位置示意圖Fig.2 Schematic plot of borehole angle and location

圖3 鉆孔觀測過程截圖Fig.3 The screenshot of observation process

采用類比法分析得到工作面裂采比范圍是12.71 ～18，通過數(shù)值模擬得出裂采比小于14.57，現(xiàn)場實測為13.47，由此可見，類比法分析和數(shù)值模擬的結(jié)果是可靠的。通過三種方法確定綜放工作面的裂采比既充分利用了已有經(jīng)驗，又緊密結(jié)合了礦井實際情況，準確確定了工作面裂采比，為礦井防水提供可靠的理論依據(jù)。

5 結(jié) 論

①通過理論分析得出3 號煤層的裂采比是12.71 至18，通過數(shù)值模擬實驗和現(xiàn)場實驗得出裂采比的范圍是13.47 至14.57，理論分析和實驗結(jié)果一致，相互得到了驗證，使得結(jié)果更加可靠;

②由以上的理論分析、數(shù)值模擬實驗和現(xiàn)場測試，得出當采厚相等條件下綜放開采的裂采比小于綜采分層開采的裂采比;

③綜合分析得出類比法在該礦井的裂隙帶高度預計過程中是可以應用的，而且方法準確可靠，能滿足礦井的生產(chǎn)安全。

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