斜溝煤礦采場(chǎng)上覆巖層采動(dòng)裂隙演化規(guī)律研究

袁天明，梁忠秋

(1. 山西西山晉興能源有限責(zé)任公司 斜溝煤礦，山西 呂梁 033602； 2. 煤科集團(tuán) 沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122)

工作面開采后，采動(dòng)覆巖發(fā)生斷裂、垮落、下沉，形成垮落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶。其中，垮落帶、斷裂帶(以下簡(jiǎn)稱“兩帶”)高度始終是煤礦安全生產(chǎn)重點(diǎn)關(guān)注的問題，及時(shí)準(zhǔn)確獲得“兩帶”高度，能夠?yàn)榇_定高位鉆孔終孔位置、高抽巷布置層位、開采上限，防止頂板突水等提供良好的依據(jù)[1-2].

因此，我國(guó)科研工作者對(duì)覆巖“兩帶”高度開展大量的研究工作，李輝[3]在許疃礦3234工作面采用網(wǎng)絡(luò)并行電法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，準(zhǔn)確劃分了“兩帶”高度；楊道華等[4]分析野川煤礦3#煤綜放開采條件下的覆巖裂隙演化規(guī)律，對(duì)比分析理論計(jì)算、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，采用《“三下”采煤規(guī)范》的公式可準(zhǔn)確計(jì)算綜放開采覆巖“兩帶”高度，而通過經(jīng)驗(yàn)公式得到的高度值更符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。李國(guó)輝、畢建乙等[5]在23107工作面上方施工觀測(cè)孔，通過CXK6礦用本安型鉆孔成像儀觀測(cè)各鉆孔采前和采后的巖層裂隙發(fā)育情況，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到“三帶”的高度，實(shí)測(cè)結(jié)果與RFPA模擬結(jié)果基本吻合。

本文以斜溝煤礦18104大采高工作面為研究對(duì)象，通過理論計(jì)算和數(shù)值模擬[6]，借助孔巷三維測(cè)試技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)覆巖“兩帶”發(fā)育高度，最終得到18104大采高工作面覆巖“兩帶”的高度[7]，為礦井安全生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)[8-9].

1 18104工作面概況

斜溝煤礦位于山西省呂梁市興縣縣城北直距20 km處，行政區(qū)劃隸屬于興縣魏家灘鎮(zhèn)和保德縣南河溝鎮(zhèn)管轄，該區(qū)位于河?xùn)|煤田北部的中南部，地面標(biāo)高為+1 003～+1 186 m. 主采煤層為8#、13#煤，井田南北長(zhǎng)約22 km，東西寬約4.5 km，面積為88.6 km2.8#煤層厚度為3.00～7.50 m，平均厚度為4.7 m，傾角為6.9°～10.9°，平均9.4°. 8#煤為自燃煤層，煤塵具有爆炸性。頂板主要為粗中細(xì)粒砂巖和泥巖，底板主要為泥巖和中細(xì)粒砂巖，煤層頂板情況見表1.

18104工作面位于11采區(qū)措施巷南側(cè)，西側(cè)為18102工作面采空區(qū)，南側(cè)、東側(cè)均為實(shí)煤區(qū)。工作面標(biāo)高為+765～+822 m，埋深為238～364 m，可采走向長(zhǎng)度為3 338 m，傾斜長(zhǎng)為283 m，采用綜合機(jī)械化采煤工藝進(jìn)行回采，長(zhǎng)壁后退式一次采全高采煤方法，全部垮落法管理頂板。

表1 煤層頂板情況表

2 18104工作面覆巖破壞規(guī)程計(jì)算

根據(jù)斜溝煤礦18104大采高工作面所采煤層與覆巖特征，查閱相關(guān)資料[10-11]選取垮落帶和斷裂帶最大高度的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算18104工作面冒落帶和斷裂帶的高度。

垮落帶最大高度hΙ計(jì)算如下：

(1)

斷裂帶最大高度計(jì)算如下：

hⅡ=(2～3)hΙ

(2)

式中：

M—工作面的采高，m；

ks—覆巖的碎脹系數(shù)；

α—所采煤層傾角，(°).

18104工作面煤厚平均為4.7 m，一次采全高，頂板巖性為泥巖，屬于中硬型頂板類型。因此，巖石碎脹系數(shù)ks可取1.35(對(duì)于煤厚4.7 m煤層，砂巖ks為1.5～1.6)，煤層平均傾角為9.4°，則垮落帶高度為9.53 m，斷裂帶高度為19.06～28.59 m. 即理論冒高/采厚比約為2.03，裂高/采厚比為4.06～6.08.

3 頂板“兩帶”現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

3.1 鉆孔布置及數(shù)據(jù)采集

設(shè)計(jì)模擬探測(cè)孔的角度小于90°，為仰角孔，分析研究18104工作面沿著傾向和走向“兩帶”的高度。使用孔巷三維測(cè)試方法，在1#孔布置52個(gè)電極，電極間距為2.4 m，從1#孔向工作面方向沿著皮帶巷道頂板共布置18個(gè)電極，電極間距為3 m，2#鉆孔共布置52個(gè)電極，電極間距為1.6 m，從2#孔鉆孔向工作面方向沿著皮帶巷道頂板布置18個(gè)電極，電極間距為2.8 m. 鉆孔施工參數(shù)見表2，鉆孔剖面和電極布置見圖1，圖2.

對(duì)1#孔和2#孔每天指派專人收集2組以上的數(shù)據(jù)，以更加充分地驗(yàn)證數(shù)據(jù)的有效性。采集數(shù)據(jù)過程中發(fā)現(xiàn)電阻率變化較大的階段，選取比較穩(wěn)定的一組數(shù)據(jù)開展反演與解釋工作，其他兩組數(shù)據(jù)作為對(duì)比參考。對(duì)1#孔監(jiān)測(cè)監(jiān)控32天，共采集有效的物理數(shù)據(jù)點(diǎn)29 013個(gè)；對(duì)2#孔監(jiān)測(cè)監(jiān)控50天，得到有效物理數(shù)據(jù)點(diǎn)201 634個(gè)。

表2 鉆孔現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)參數(shù)表

圖1 1#孔電極布置圖

圖2 2#孔電極布置圖

3.2 結(jié)果分析

以每個(gè)電極不同時(shí)間電流變化情況為對(duì)象，尋找各個(gè)孔64個(gè)電極測(cè)試時(shí)供電電流隨時(shí)間變化的曲線，結(jié)果見圖3，圖4.根據(jù)2#走向監(jiān)測(cè)鉆孔64個(gè)電極電流在時(shí)間上的變化規(guī)律，找出煤層開采過程中上覆巖體變形破壞動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律。1#走向監(jiān)測(cè)鉆測(cè)試時(shí)供電電流隨時(shí)間變化的曲線結(jié)果見圖3，2#傾向監(jiān)測(cè)鉆測(cè)試時(shí)供電電流隨時(shí)間變化的曲線結(jié)果見圖4.

圖3 1#孔(沿走向)電極電流與時(shí)間的變化曲線圖

圖4 2#孔(沿傾向)電極電流與時(shí)間的變化曲線圖

通過研究分析電流值的變化規(guī)律輔助判定“兩帶”的高度。不同電極電流的變化情況見表3.

從表3得到，垮落帶高度8.6～9.5 m；斷裂帶高度為27.8～34.7 m.

表3 不同電極電流變化情況表

4 覆巖裂隙演化數(shù)值模擬

4.1 模擬材料及其屈服準(zhǔn)則

采用莫爾-庫侖塑性模型研究18104工作面本構(gòu)模型，采用Mohr-Coulomb判別準(zhǔn)則[9-11]，且均不考慮塑性流動(dòng)(不考慮剪脹)對(duì)其的影響，即：

(3)

ft=σ3-σt

式中：

σ1，σ3—最大和最小主應(yīng)力，MPa；

C—覆巖體的黏結(jié)力，MPa；

φ—覆巖體的內(nèi)摩擦角，(°)；

當(dāng)fs=0時(shí)，材料將發(fā)生剪切破壞；當(dāng)ft=0時(shí)，材料產(chǎn)生拉伸破壞。

4.2 模型的建立

借助FLAC3D數(shù)值模擬18104工作面兩帶發(fā)育規(guī)律，依據(jù)18104工作面實(shí)際情況構(gòu)建模型，見圖5. 模型尺寸為長(zhǎng)400 m×寬264 m×高208 m，共有79 987個(gè)節(jié)點(diǎn)，80 013個(gè)單元，采用零單元模擬采空區(qū)。設(shè)置開挖步距為12 m，共開挖100 m. 18104工作面巖層的力學(xué)參數(shù)見表4.

圖5 18104工作面數(shù)值模型圖

4.3 邊界條件

模型的邊界條件如下：

1) 應(yīng)力邊界：在模型的上部施加垂直方向的載荷(P=γH)；模型周圍施加水平等效地應(yīng)力。

表4 計(jì)算模型參數(shù)表

2) 位移邊界：采用x、y方向固定模型的周邊；在模型頂部設(shè)置自由邊界條件，在z方向底部采用全約束邊界條件。

3) 將等效荷載(自重應(yīng)力和側(cè)向應(yīng)力)施加在模型頂端，自重應(yīng)力計(jì)算如下：

σv=γH

(4)

式中：

γ—覆巖的重力密度，kg/m3；

H—模型所處深度，m.

側(cè)向應(yīng)力計(jì)算如下：

(5)

式中：ν—覆巖的泊松比。

4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

4.4.1塑性破壞區(qū)模擬結(jié)果分析

隨著工作面的開采，覆巖開始發(fā)生剪切破壞，覆巖裂隙開始發(fā)育，逐步演化為拉伸破壞，最后產(chǎn)生破裂冒落，因此工作面頂板的冒落是拉伸破壞。受采動(dòng)影響，覆巖裂隙逐步發(fā)育成“兩帶”，隨著模型開挖步距不斷變大，覆巖垮落區(qū)域也在不斷擴(kuò)大。向前開采80 m時(shí)，工作面沿走向和傾向的塑性破壞見圖6. 從圖6得到，覆巖破壞類型主要以剪切與拉伸破壞為主，處于覆巖塑性破壞的區(qū)域最大，呈現(xiàn)代表性的“凸”型破壞特征。

圖6 18104工作面推進(jìn)80 m時(shí)塑性破壞圖

4.4.2應(yīng)力模擬結(jié)果分析

18104工作面沿走向和傾向的垂直應(yīng)力分布情況見圖7. 從圖7發(fā)現(xiàn)，垂直應(yīng)力集中分布在工作面上覆巖層處，此區(qū)域存在數(shù)條“拋物線”型應(yīng)力帶，工作面后方和煤壁也產(chǎn)生應(yīng)力集中，工作面中間部位產(chǎn)生了地應(yīng)力分布帶。隨著工作面的持續(xù)開采，18104工作面采空區(qū)逐漸被壓實(shí)，煤壁前方產(chǎn)生超前支撐壓力。

圖7 18104工作面推進(jìn)80 m時(shí)應(yīng)力分布圖

4.4.3應(yīng)變模擬結(jié)果分析

18104工作面向前開采80 m時(shí)沿走向和傾向的應(yīng)變分布場(chǎng)見圖8. 從圖8可知，工作面上覆巖層的各點(diǎn)位移量從上到下逐漸變大，表明覆巖發(fā)育成彎曲下沉帶、斷裂帶、垮落帶，工作面底板位移量由上到下逐漸減小，兩側(cè)煤柱上方覆巖移近量較小，且隨遠(yuǎn)離工作面推進(jìn)方向逐漸變小最終無移近量。

圖8 18104工作面回采80 m時(shí)應(yīng)變分布圖

根據(jù)模擬結(jié)果得到：18104工作面垮落帶高度為9.4 m，是采高的2倍；斷裂帶高度是35.9 m，是采高的8倍。

5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與模擬結(jié)果對(duì)比分析

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論計(jì)算和數(shù)值模擬，18104工作面垮落帶和斷裂帶結(jié)果對(duì)比見表5. 從表5得到，18104工作面垮落帶高度是8.6～9.5 m，斷裂帶高度是27.8～34.7 m，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致；同時(shí)驗(yàn)證了FLAC3D模擬方法是采動(dòng)覆巖“兩帶”高度研究的有效手段。

6 結(jié) 論

1) 利用FLAC3D數(shù)值模擬得到斜溝煤礦18104工作面垮落帶和斷裂帶的高度，模擬結(jié)果證明：覆巖破壞具有代表性的“凸”型破壞特征，兩側(cè)煤柱和采空區(qū)應(yīng)力比較集中。

表5 18104工作面不同方法獲得的“兩帶”高度值統(tǒng)計(jì)表

2) 通過理論計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬，得到斜溝煤礦18104工作面垮落帶高度是9.5 m，斷裂帶高度是34.7 m，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致；驗(yàn)證了FLAC3D模擬方法是采動(dòng)覆巖“兩帶”高度研究的有效手段。