大采高工作面兩帶高度分析研究

施先盛

（西山煤電股份有限公司 馬蘭礦，山西 古交 030205）

煤層采出后，采空區(qū)周圍原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，導(dǎo)致應(yīng)力重新分布，從而引起巖層的變形、破壞和移動(dòng)。開采過程中，受采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)影響的煤層上覆巖體，稱為采動(dòng)覆巖［1］，采動(dòng)覆巖的移動(dòng)破壞規(guī)律的研究是礦業(yè)工程領(lǐng)域中一個(gè)重要的研究方面［2］.文獻(xiàn)［3～7］對(duì)煤層開采后的覆巖移動(dòng)、破壞及裂隙演化規(guī)律進(jìn)行了研究，取得了一些成果。

本文基于山西某煤礦15#煤層實(shí)際工程地質(zhì)條件，運(yùn)用通用離散元軟件（UDEC）進(jìn)行數(shù)值分析，模擬大采高工作面上覆巖層斷裂移動(dòng)以及采動(dòng)裂隙發(fā)育演化過程，分析研究15#煤層上覆巖層斷裂、移動(dòng)變形規(guī)律、采動(dòng)裂隙分布特征等現(xiàn)象。

1 工作面煤層賦存條件

該礦150403工作面為大采高綜放工作面，工作面斜長(zhǎng)170m，其所采15#煤層平均厚度為4.81m，最大厚度為5.7m，煤層質(zhì)地均一，煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。煤層傾角為2°～15°，平均傾角8.5°.煤層直接頂為泥巖，厚度為1.3m，上方為細(xì)砂巖，厚度為3.39m，直接底為厚4.38m的泥巖。

2 大采高覆巖斷裂演化模擬

本次模擬采用UDEC進(jìn)行模擬計(jì)算，以該礦主采煤層15#煤賦的地質(zhì)條件為依據(jù)，由于不同的模擬邊界會(huì)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生不同的影響［8］，因此，模型走向長(zhǎng)度為300m，兩邊各留60m煤柱，垂直方向?yàn)?08 m，采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則，上邊界載荷按采深270m計(jì)算，固定下邊界，即y方向速度為0，固定左右邊界，x方向速度為0.建立的數(shù)值模擬力學(xué)圖型見圖1，各巖層塊體的力學(xué)參數(shù)和各巖層接觸面的力學(xué)參數(shù)見表1，表2.

圖1 數(shù)值模擬力學(xué)圖型

表1 模型中各巖層物理力學(xué)參數(shù)表

表2 模型中各巖層接觸面力學(xué)參數(shù)表

3 模擬結(jié)果分析

3.1 直接頂斷裂垮落演化過程

從開切眼開始，隨著工作面的不斷推進(jìn)，直接頂懸露面積越來越大，直接頂?shù)目迓溥^程見圖2，當(dāng)工作面推進(jìn)到16m時(shí)直接頂由于重力作用產(chǎn)生彎矩，使巖層彎曲下沉，直接頂?shù)谝环謱优c第二分層開始出現(xiàn)離層；推進(jìn)到20m時(shí)直接頂開始呈“拱”形冒落，直接頂?shù)诙謱优c第三分層出現(xiàn)離層；推進(jìn)到26m時(shí)直接頂?shù)谝?、第二分層全部垮落，冒落矸石充填采空區(qū)，冒落高度為4～6m，最大自由空間達(dá)到2m；工作面推進(jìn)到30m時(shí)直接頂全部垮落，采空區(qū)被直接頂冒落的巖石所充填，冒落高度6～8m.

圖2 直接頂垮落過程示意圖

3.2 基本頂初次垮落過程

直接頂全部垮落后，隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，基本頂開始出現(xiàn)離層現(xiàn)象，工作面推進(jìn)至26m時(shí)，基本頂?shù)谝?、第二分層開始出現(xiàn)離層現(xiàn)象，工作面推進(jìn)到30m時(shí)，基本頂?shù)谝?、第二分層由于上覆載荷及自身重力的作用從中間斷裂，斷落后的巖石相互鉸接；工作面推進(jìn)到40m時(shí)，基本頂?shù)诙謱优c第三分層離層，第一分層已全部垮落；推進(jìn)到50m時(shí)，基本頂三分層全部垮落，上覆巖層隨著全部垮落，工作面初次來壓，來壓步距50m左右。基本頂垮落過程見圖3.

圖3 基本頂垮落過程示意圖

3.3 上覆巖層移動(dòng)下沉規(guī)律

模擬過程中，在上覆巖層中沿走向方向布置6條測(cè)線，隨著工作面的不斷推進(jìn)，上覆巖層分組或分層發(fā)生移動(dòng)下沉，布置在巖層中的測(cè)點(diǎn)也隨之移動(dòng)。選取距離切眼10m，位于同一垂直線上不同高度的1號(hào)、4號(hào)、9號(hào)、16號(hào)測(cè)點(diǎn)的位移變化來分析不同位置的巖層移動(dòng)下沉規(guī)律。各測(cè)點(diǎn)的累計(jì)下沉量與工作面推進(jìn)距離的關(guān)系見圖4.

1號(hào)測(cè)點(diǎn)位于直接頂下部，工作面推進(jìn)到測(cè)點(diǎn)下方，1測(cè)點(diǎn)開始緩慢的下沉，推進(jìn)至23m時(shí)，直接頂?shù)谝环謱娱_始離層，下沉高度達(dá)到1.1m；推進(jìn)至26 m時(shí)4號(hào)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)離層現(xiàn)象，1號(hào)測(cè)點(diǎn)下沉高度為4.1m；工作面推進(jìn)至30m，直接頂全部垮落。9號(hào)測(cè)點(diǎn)位于基本頂上部，工作面推進(jìn)至32m時(shí)，9號(hào)測(cè)點(diǎn)開始出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，下沉量較??；當(dāng)工作面推進(jìn)至45 m時(shí)，9號(hào)測(cè)點(diǎn)的下沉量劇烈增加，表明直接頂完全斷裂，1號(hào)、4號(hào)測(cè)點(diǎn)的下沉量緩慢增加，但趨于穩(wěn)定，高度在4.7m左右。16號(hào)測(cè)點(diǎn)位于基本頂上部，距離煤層53m，工作面推進(jìn)至48m時(shí)，下沉量為0.3 m，工作面初次來壓之后，其下沉量隨著工作面的推進(jìn)急劇增加；工作面推進(jìn)為60m時(shí)，下沉量為2.3 m，推進(jìn)到85m，下沉量達(dá)3.5m，隨后直到模擬結(jié)束，其下沉高度變化很小，基本維持在3.5m.

圖4 頂板累計(jì)下沉量與工作面推進(jìn)距離關(guān)系圖

通過上述分析可知，直接頂在工作面推進(jìn)后，有與基本頂出現(xiàn)離層的趨勢(shì)，并隨著工作面的不斷推進(jìn)，自行的發(fā)生冒落?；卷斢捎趶?qiáng)度較大，一般在工作面推進(jìn)過后，開始出現(xiàn)緩慢下沉，直到強(qiáng)度不足以支撐上覆巖層壓力時(shí)發(fā)生斷裂，這時(shí)老頂開始來壓。直接頂上的巖層基本是隨著基本頂?shù)拿奥涠l(fā)生冒落，變形與基本頂一致，但距離較遠(yuǎn)的上覆巖層卻出現(xiàn)冒落滯后的現(xiàn)象。

3.4 “兩帶”高度的確定

由多次模擬試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)［9-10］，采動(dòng)裂隙高度與工作面開采時(shí)的初次來壓步距和周期來壓步距有密切關(guān)系。工作面從開切眼，到不斷推進(jìn)的過程，頂板裂隙不斷地發(fā)育，工作面推進(jìn)20m、26m、30m時(shí)頂板垮落情況見圖2，工作面推進(jìn)40m，50m時(shí)上覆巖層破斷和運(yùn)動(dòng)情況見圖3，工作面推進(jìn)70m、110 m、140m、170m時(shí)的覆巖運(yùn)動(dòng)狀態(tài)見圖5.從工作面推進(jìn)不同距離的覆巖運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可以得知，工作面推進(jìn)30m時(shí)，冒落帶高度在12m左右，裂隙帶高度約15m，裂隙主要以水平裂隙為主，垂直裂隙主要發(fā)育在冒落帶內(nèi)。工作面推進(jìn)到50m時(shí)，冒落帶高度約15m，裂隙帶高度有所增加，高度在25m左右，裂隙帶內(nèi)主要還是以水平裂隙為主。工作面推進(jìn)至80m時(shí)，冒落帶高度約18m，裂隙帶高度在32m左右。工作面推進(jìn)到140m、170m時(shí)，冒落帶高度穩(wěn)定在20m左右，裂隙帶高度約為30m.

圖5 不同推進(jìn)距離覆巖運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖

4 工程實(shí)例分析

在該礦150403工作面進(jìn)行了鉆孔瓦斯抽采試驗(yàn)，在工作面回風(fēng)巷沿走向方向每隔50m布置一個(gè)瓦斯抽采鉆場(chǎng)，共布置8個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)沿走向順著采空區(qū)方向布置4～6個(gè)抽采鉆孔。抽采鉆孔盡量布置在采空區(qū)裂隙帶里面，鉆場(chǎng)及鉆孔布置見圖6.鉆孔施工及封孔完畢后，將抽采管連接至高負(fù)壓抽采系統(tǒng)中，抽采負(fù)壓在23.2～32kPa.為考察鉆孔抽采效果，鉆孔設(shè)計(jì)時(shí)采用較大的傾角，便于確定抽采最為有效的鉆孔終孔的空間位置。高位抽采鉆孔距離煤層頂板6～14m 時(shí)，抽采量較大，抽采濃度在10%～16%，純瓦斯抽采量在2.1～3m3／min；高位抽采鉆孔距離煤層頂板14～22m時(shí)，抽采量較鉆孔高度在6～14m時(shí)有所降低，瓦斯抽采濃度有所提高，濃度在30%～45%，純瓦斯抽采量在4～5m3／min；高位抽采鉆孔距離煤層頂板26～30m時(shí)，瓦斯抽采濃度在60%～80%，純瓦斯抽采量在6.3m3／min左右；高位抽采鉆孔距離煤層頂板32～42m時(shí)，瓦斯抽采濃度約80%，純瓦斯抽采量急劇降低，從6m3／min降到2 m3／min.實(shí)測(cè)鉆孔純瓦斯抽采量與鉆孔至頂板距離見圖7.據(jù)此判斷采空區(qū)上覆巖層中頂板裂隙發(fā)育最為豐富的高度約為30m，為沿走向采空區(qū)方向抽采鉆孔的最佳層位，這與前面數(shù)值模擬結(jié)果一致。

通過高位抽采鉆孔，并把終孔高度位置布置在離煤層頂板30m位置，瓦斯抽采率達(dá)48%，有效地解決了工作面上隅角瓦斯超限的問題，為礦井的安全高效生產(chǎn)創(chuàng)造了良好條件，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。

圖6 鉆孔布置示意圖

圖7 高位鉆場(chǎng)鉆孔抽放純量示意圖

5 總 結(jié)

1）根據(jù)模擬結(jié)果，隨著工作面不斷推進(jìn)，直接頂各分層先離層，后垮落，由于采高的增加，直接頂垮落的矸石并不能完全的充填采空區(qū)，導(dǎo)致直接頂向上延伸，厚度增加。

2）采空區(qū)上覆巖層的下沉具有滯后性，基本頂下沉明顯滯后于直接頂，基本頂上的巖層基本隨著基本頂下沉而下沉，卻也有明顯的滯后性。

3）通過對(duì)該煤礦15#煤層的上覆巖層的斷裂移動(dòng)及裂隙演化的模擬研究，綜合判斷得出，15#煤層的冒落帶，裂隙帶高度分別為20m，30m.

4）通過分析研究并對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)抽采鉆孔瓦斯抽采結(jié)果，建議高位鉆場(chǎng)終孔的設(shè)計(jì)高度在30m左右。

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