復(fù)合關(guān)鍵層頂板導(dǎo)高分析及防水煤巖柱尺寸的確定

付寶杰　涂敏　張平松

摘要：為分析松散含水層下復(fù)合關(guān)鍵層頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，以期合理確定采區(qū)開采上限標(biāo)高，本文通過物理模擬實(shí)驗(yàn)，研究了該巖性賦存特征頂板覆巖破壞規(guī)律及導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，結(jié)果表明：近距離賦存的兩關(guān)鍵硬巖層呈現(xiàn)非同步破斷，距離煤層較近的關(guān)鍵層對(duì)采場(chǎng)礦壓起主要控制作用；隨工作面向前推進(jìn)，下部關(guān)鍵層形成周期性破斷，采場(chǎng)充分開采時(shí)上部關(guān)鍵層出現(xiàn)斷裂，進(jìn)而達(dá)到采場(chǎng)頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大高度49.7m，為平均采高的12.7倍。該買驗(yàn)結(jié)果與工程實(shí)踐中采用并行電法進(jìn)行導(dǎo)高測(cè)試結(jié)果相互印證，為該采區(qū)留設(shè)防水煤巖柱尺寸提供指導(dǎo)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：復(fù)合關(guān)鍵層；導(dǎo)水裂隙帶；物理模擬；電法探測(cè)

中圖分類號(hào)：TD325

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-1098（2016）04-0010-06

煤層開采后，上覆巖層中具有明顯的分帶特征。越靠近煤層頂板，受采動(dòng)影響越強(qiáng)烈，巖層垮冒并不規(guī)則堆積在采空區(qū)中，形成冒落帶；未垮落巖層，受拉、壓及剪切作用產(chǎn)生明顯的變形、破壞，形成大量順層裂隙及層間裂隙，這些裂隙與采場(chǎng)貫通成為流體滲流通道，形成導(dǎo)水裂隙帶。針對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做出了大量研究工作，文獻(xiàn)[5]根據(jù)“四帶”理論，推導(dǎo)出關(guān)于面長(zhǎng)及煤巖體強(qiáng)度的導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算公式。文獻(xiàn)[6～7]結(jié)合導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度受覆巖關(guān)鍵層層位的影響規(guī)律，提出了預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂隙帶高度的新方法。文獻(xiàn)[8]等分析了導(dǎo)裂高度發(fā)育的因素及過程，得出了計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的經(jīng)驗(yàn)公式。文獻(xiàn)[9]對(duì)覆巖采動(dòng)導(dǎo)水裂隙分布特征進(jìn)行理論分析，提出了破斷裂隙貫通度的概念和計(jì)算公式。

文獻(xiàn)[10]對(duì)影響綜采（放）”兩帶”發(fā)育高度的煤厚、頂板巖性、巖層組合、采深、工作面斜長(zhǎng)、推進(jìn)速度等多種因素進(jìn)行研究，得到綜采（放）導(dǎo)水裂隙帶高度與主要指標(biāo)之間的多元回歸統(tǒng)計(jì)關(guān)系式。綜上表明，已有的研究成果都是在特有的地質(zhì)條件下取得的。采煤及頂板管理方法、開采強(qiáng)度、覆巖力學(xué)性質(zhì)及結(jié)構(gòu)特征、重復(fù)采動(dòng)、構(gòu)造應(yīng)力以及時(shí)間等因素均可影響導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。因此，特定地質(zhì)條件下的導(dǎo)高應(yīng)具體分析，并通過實(shí)踐驗(yàn)證，才能更好的指導(dǎo)生產(chǎn)及相關(guān)設(shè)計(jì)。

為合理設(shè)計(jì)淮南潘三礦西三采區(qū)13-1煤層開采上限，對(duì)該煤層第二區(qū)段1622（3）工作面導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析及電法實(shí)測(cè)，用以指導(dǎo)設(shè)計(jì) 第一區(qū)段1612（3）工作面防水煤巖柱的留設(shè)尺寸。

1.地質(zhì)條件

潘三礦1622（3）綜采工作面為該礦井西三采區(qū)首采面。工作面標(biāo)高-560

-598m，距基巖面高度96.2～125.4m，如圖1所示。該面主采13-l煤層，煤厚3.1-5.0m，平均厚度3.9m，屬近水平煤層，平均傾角8°，賦存穩(wěn)定。工作面斜長(zhǎng)240m，走向長(zhǎng)1115m。通過地面鉆孔揭露1622（3）工作面頂板巖性，如圖示2所示，直接頂為6.8m厚的復(fù)合頂板，由泥巖、砂質(zhì)泥巖及煤組成，老頂為11.3m細(xì)砂巖，抗壓強(qiáng)度93.22MPa，其上部間隔18.4m厚砂質(zhì)泥巖又賦存一層13.2m厚細(xì)砂巖，抗壓強(qiáng)度92.85MPa。

當(dāng)兩關(guān)鍵層距離較近時(shí)，無(wú)論上部或下部堅(jiān)硬巖層都將對(duì)下部或上部堅(jiān)硬巖層的采動(dòng)變形和破斷產(chǎn)生影響，也即對(duì)采動(dòng)覆巖變形、破斷、移動(dòng)全過程產(chǎn)生影響，從而形成關(guān)鍵層的復(fù)合效應(yīng)。圖2所示，采場(chǎng)覆巖中兩層相臨的硬質(zhì)砂巖層組成了復(fù)合關(guān)鍵層，控制采場(chǎng)上覆巖層運(yùn)動(dòng)。

2.復(fù)合關(guān)鍵層頂板結(jié)構(gòu)特征相似試驗(yàn)

2.1相似模型的建立

相似模型以砂子為骨料，石膏、石灰（碳酸鈣）為黏結(jié)材料，并摻人適量的水，根據(jù)鉆孔柱狀和現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，按照相似模擬實(shí)驗(yàn)基本原理和相似系數(shù)計(jì)算模型各分層的材料配比，分層填裝鋪設(shè)，在層與層之間撒云母片做巖層的層面并隨機(jī)劃出節(jié)理。

在試驗(yàn)前準(zhǔn)備階段，將模型表面粉刷成白色，并畫上5cm×5cm（橫向×縱向）的網(wǎng)格，以利于觀察模型的變形破壞。在模型養(yǎng)護(hù)達(dá)到要求并且加載及測(cè)試系統(tǒng)就緒后，即可進(jìn)行模擬開采。

開切眼位于模型右側(cè)距離模型邊界50cm處，每次開挖5cm，每隔2h開挖一次，相當(dāng)于實(shí)際工作面推進(jìn)5m，停采線距模型左邊界50cm（見圖3）。

2.2覆巖破壞空間結(jié)構(gòu)特征

工作面從切眼位置開始向前推進(jìn)，采過15cm時(shí)，部分直接頂開始垮落，未完全垮落的頁(yè)巖、泥巖相繼出現(xiàn)離層。再向前推進(jìn)5cm，6.8cm厚復(fù)合頂板整體垮落，形成直接頂初次整體垮落。繼續(xù)向前推進(jìn)，整個(gè)復(fù)合頂板以6～8cm破斷距呈現(xiàn)周期性垮落，直至工作面推進(jìn)60cm，采場(chǎng)頂板礦壓顯現(xiàn)以直接頂周期破斷為主，但此時(shí)11.3cm厚細(xì)砂巖層彎曲變形，具體如圖4a。垂直位移數(shù)字圖像反映出，該開采階段煤層直接頂?shù)V壓顯現(xiàn)較劇烈，而其上部老頂變形不明顯，如圖4b所示。

當(dāng)工作面推進(jìn)65cm時(shí)，11.3m厚老頂破斷，形成老頂初次來壓。由圖5a可以看出，老頂破斷后形成三鉸拱，該拱結(jié)構(gòu)上部與其上位巖層分離，下部承載于直接頂垮落的矸石。老頂初次破斷巖塊長(zhǎng)度約為40cm，在煤壁處頂板破斷角約為58°在開切眼處頂板破斷角約為47°。由圖5b可以看出，老頂初次破斷時(shí)，盡管與其上部巖層未能同步破斷，但自下而上也產(chǎn)生不同程度的下沉變形。此時(shí)，采場(chǎng)裂隙帶發(fā)育高度達(dá)到第一層堅(jiān)硬細(xì)砂巖。

工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，11.3m厚老頂呈現(xiàn)周期性垮落，垮落步距8～14cm，平均9.6cm。隨老頂?shù)目迓洌渖喜?8.4cm厚砂質(zhì)泥巖及13.2cm厚細(xì)砂巖下沉變形不斷增大，當(dāng)達(dá)到停采線位置時(shí)，即工作面推進(jìn)200cm，這第二層厚巖層在兩側(cè)邊界位置出現(xiàn)斷裂，在煤壁處頂板破斷角約為64°，在開切眼處頂板破斷角約為58°。此時(shí)，采場(chǎng)裂隙帶發(fā)育高度達(dá)到49.7cm，具體如圖6a所示。

綜上所述，工作面直接頂初次垮落約在20cm，老頂初次來壓約在65cm，周期來壓步距約為8～14cm。在整個(gè)回采過程中，上覆巖層逐層破斷、垮落，直接頂先冒落，在采空區(qū)中不規(guī)則堆積，老頂巖梁在推進(jìn)方向逐步斷裂，并相互擠壓，形成暫時(shí)鉸接平衡結(jié)構(gòu)，隨著工作面不斷推進(jìn)，鉸接巖塊回轉(zhuǎn)過程中，局部受拉而使咬合處破壞造成巖塊回轉(zhuǎn)進(jìn)一步加劇，從而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，呈現(xiàn)“穩(wěn)定一失穩(wěn)一穩(wěn)定”周期性變化。與煤層最近的一層關(guān)鍵層對(duì)采場(chǎng)礦壓起主要控制作用，其周期性破斷引起采礦周期來壓，當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)到約200m時(shí)，第二層關(guān)鍵層出現(xiàn)破斷，但其整體下沉量不大。采空區(qū)的裂隙經(jīng)歷了不發(fā)育、發(fā)育、部分壓實(shí)三個(gè)階段，裂隙高度不斷向上發(fā)展，最終形成采場(chǎng)裂隙發(fā)育最大高度49.7cm。

3.覆巖結(jié)構(gòu)特征電法測(cè)試

3.1鉆孔布置

在1622（3）工作面6#瓦斯鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)施工2個(gè)電法監(jiān)測(cè)鉆孔，傾角分別是35°、12°，鉆孔長(zhǎng)度分別為120m、80m，實(shí)際控制高度68.8m、16.6m?？變?nèi)各布置64個(gè)電極，采用并行電法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，根據(jù)電極電流比值，探明頂板覆巖破壞規(guī)律。鉆孔布置如圖7所示。

3.2測(cè)試結(jié)果

通過鉆孔電極電流比值成像結(jié)果，可以分析該工作面覆巖破壞規(guī)律。從圖8～圖1l探測(cè)結(jié)果可知，覆巖受采動(dòng)破壞分成四個(gè)階段：未受采動(dòng)影響階段，受超前應(yīng)力影響階段，覆巖破壞發(fā)育階段，圍巖應(yīng)力穩(wěn)定階段。

（1）工作面距孔口位置由114.6m到103.5m，為未受采動(dòng)影響階段，該回采范圍對(duì)鉆孔控制范圍內(nèi)的巖層影響不明顯，電流比值多為1左右，僅厚層砂巖頂?shù)捉缑娓浇娏鞅戎涤幸欢ㄗ兓唧w如圖8所示。

（2）工作面距孔口位置由87.3m到82.3m，為超前應(yīng)力影響階段，這段時(shí)間探測(cè)的電流比值變化緩慢，表現(xiàn)為厚層砂巖上下界面附近，電流比值略小于1或略大于1，為超前應(yīng)力作用階段，具體如圖9所示。

（3）工作面距孔口位置由75.8m到59.3m，為覆巖破壞發(fā)育階段，探測(cè)范圍電流比值顯著下降，表明裂隙帶發(fā)育已達(dá)到鉆孔位置，具體如圖10所示。

（4）工作面距孔口位置由54.4m到9.8m，為圍巖應(yīng)力穩(wěn)定階段，探測(cè)范圍電流比值顯著較低，且有些區(qū)域比值已經(jīng)為負(fù)值，表明裂隙帶發(fā)育趨于穩(wěn)定，且可明顯區(qū)分出垮落帶高度約10m，導(dǎo)水裂隙帶高度約50m，如圖11所示。 以上探測(cè)結(jié)果可見，頂板順層方向電流比值極小范圍在垂直高度約10-12m處，可以反映垮落帶高度；煤層頂板垂直高度約50m以下，電流比值明顯低于0.5（后期明顯低于0.1），反映為裂隙發(fā)育區(qū)；煤層頂板垂直高度約50m以上，電流比值基本在0.5以上（后期比值大于0.1），隨采動(dòng)無(wú)明顯的變化，為彎曲下沉帶范圍，這與物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。

由以上研究結(jié)果，確定該巖性條件下工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度50m，據(jù)此，設(shè)計(jì)采區(qū)開采上限標(biāo)高-535m，留設(shè)防水煤巖柱高度70m，1612（3）工作面面長(zhǎng)200m。該面回采過程中未發(fā)生頂板突水事故。

4.結(jié)論

（1）物理試驗(yàn)表明，復(fù)合關(guān)鍵層頂板呈現(xiàn)非同步破斷特征，當(dāng)工作面推進(jìn)達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)，上部關(guān)鍵層出現(xiàn)斷裂，形成采場(chǎng)頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大高度49.7m；利用電法測(cè)試技術(shù)電性解釋了覆巖破壞動(dòng)態(tài)演化規(guī)律，得出采場(chǎng)覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度50m，與物理模擬研究結(jié)果相互印證，確定該巖性特征條件下，采場(chǎng)導(dǎo)水裂隙發(fā)育最大高度50m；

（2）通過確定采區(qū)第二區(qū)段工作面導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度，指導(dǎo)該采區(qū)第一區(qū)段工作面開采參數(shù)及防水煤巖柱留設(shè)尺寸，更能體現(xiàn)采場(chǎng)設(shè)計(jì)的科學(xué)合理性。