“兩軟一硬”不穩(wěn)定煤層工作面覆巖“兩帶”發(fā)育高度研究

王振廣，李飛龍，白志永，朱術(shù)云

(1.河南永錦能源有限公司云蓋山煤礦二礦，河南 禹州 461670；2.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

長壁工作面開采引起覆巖垮落帶和導(dǎo)水?dāng)嗔褞?簡稱“兩帶”)發(fā)育的高度對煤礦安全開采意義重大，眾多學(xué)者已對不同地質(zhì)及開采條件下的工作面開展了“兩帶”高度研究[1-12]。陳佩佩等系統(tǒng)整理了我國煤礦頂板突水預(yù)警系統(tǒng)現(xiàn)狀，分析了頂板突水主要受控于4個(gè)因素，提出了頂板突水預(yù)警機(jī)制的研究趨勢[1]；譚毅等研究了非充分采動條件下淺埋煤層堅(jiān)硬頂板“兩帶”高度問題[2]；孫慶先等對紅柳煤礦大采高綜采覆巖“兩帶”高度進(jìn)行了綜合研究[3]；劉世奇等對近距離多煤層重復(fù)采動條件下覆巖“兩帶”高度預(yù)計(jì)方法進(jìn)行了系統(tǒng)研究[6]。研究“兩帶”發(fā)展規(guī)律及其發(fā)育高度不僅有助于預(yù)防頂板突水，而且對于采掘巷道頂板支護(hù)亦非常重要[7-9]?？傮w來說，準(zhǔn)確計(jì)算采動覆巖“兩帶”高度，可為“三下”安全采煤設(shè)計(jì)、防水煤柱留設(shè)、老空水及覆巖離層充填技術(shù)研究，以及開采沉陷等研究提供重要的量化依據(jù)，也是礦井頂板突涌水水量預(yù)測與防治的基礎(chǔ)[10-12]。

近年來，我國不少學(xué)者對薄基巖條件下煤層開采“兩帶”高度的研究較多[11-15]，但針對“兩軟一硬”不穩(wěn)定煤層“兩帶”發(fā)育高度相關(guān)研究較少。因此，筆者以河南永錦能源有限公司云蓋山煤礦二礦(簡稱“云煤二礦”)23301采煤工作面為例，通過現(xiàn)場鉆孔成像測試獲得不充分采動條件下的“兩帶”高度，然后采用經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)值模擬綜合分析該工作面“兩帶”發(fā)育高度。研究成果為該工作面頂板支護(hù)和類似條件下頂板水害預(yù)測與防治提供了參考依據(jù)。

1 研究區(qū)基本概況

研究區(qū)為云煤二礦23301采煤工作面，其位于23采區(qū)西翼，北部為23300工作面采空區(qū)，南部為23303工作面實(shí)體煤(未掘)，東部至23301工作面設(shè)計(jì)終采線，西部為薄煤帶。工作面地面標(biāo)高+322～+423 m，工作面標(biāo)高+2.1～+99.0 m。工作面走向長約1 126 m，傾向長約133 m，面積約149 710 m2。煤(巖)層產(chǎn)狀走向NE35°～42°，傾向SE55°～48°，傾角11°～30°，平均傾角17°。工作面內(nèi)小構(gòu)造較發(fā)育，共發(fā)育有斷層11條，斷層落差最小1.2 m、最大7.8 m，落差大于5.0 m的斷層1條，落差3～5 m的斷層3條，落差小于3.0 m的斷層7條。根據(jù)鉆孔資料作圖可得研究區(qū)主采的二1煤層厚度從西南向東北有逐漸增厚的趨勢，最薄0.78 m，由西南的502鉆孔揭露；最厚8.53 m，由東北的807鉆孔揭露，如圖1所示。在這不大的范圍內(nèi)厚度相差十幾倍，可見該煤層厚度具有典型的不穩(wěn)定性。

單位：m

2 現(xiàn)場實(shí)測研究

為了準(zhǔn)確獲得23301采煤工作面覆巖“兩帶”高度，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際條件，在巷道內(nèi)沿著工作面回采方向設(shè)計(jì)施工鉆孔，如圖2所示。

圖2 23301采煤工作面測試鉆孔布設(shè)示意圖

采用V8-3188DK型井下仰孔電視成像技術(shù)進(jìn)行工作面推進(jìn)過程中不同時(shí)期的鉆孔成像監(jiān)測。該設(shè)備成像后能在液晶顯示屏幕上顯示鉆孔圍巖裂隙特征，通過對比分析可獲得垮落帶和導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度。觀測孔設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)見表1。在工作面內(nèi)布置測試鉆孔，從頂板開始通過鉆孔成像對覆巖破壞高度進(jìn)行監(jiān)測。

表1 23301工作面“兩帶”觀測鉆孔設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)

由于現(xiàn)場條件的限制，在研究過程中分別于2018年10月8日、11月8日和12月30日進(jìn)行了3次頂板覆巖鉆孔“兩帶”高度的現(xiàn)場實(shí)測，工作面距離孔口的水平距離分別為120、80、5 m。3次不同時(shí)間和不同工作面推進(jìn)距離，對相同深度孔壁圍巖鉆孔成像，從孔口到終孔每隔0.2 m進(jìn)行1次截圖對比，可得到不同深度相關(guān)孔壁巖性變形破壞特征。部分鉆孔成像測試截圖如圖3所示。

(a)垮落帶高度(距離孔口9.4 m，對應(yīng)垂高7.2 m)

(b)斷裂帶高度(距離孔口50.0 m，對應(yīng)垂高38.3 m)

由圖3(a)可得，在工作面距離施工鉆孔孔口約5.0 m時(shí)，通過3次不同深度孔壁圖像變形對比，發(fā)現(xiàn)沿著鉆孔方向在距離孔口約9.4 m位置出現(xiàn)了與前面2次明顯的垮落變形差異，第3次在該位置有非常明顯的孔壁圍巖垮落現(xiàn)象，產(chǎn)生了明顯的垮落裂縫，而前2次均沒有出現(xiàn)；另外，在該位置前9.2 m和其后的9.6 m位置處的3次成像結(jié)果也能明顯反映出3次不同時(shí)間的圖像差異。由此判斷在這種條件下垮落帶高度沿孔壁發(fā)育到9.4 m，根據(jù)鉆孔角度可初步獲得垂向上垮落帶高度約為7.2 m。

由圖3(b)可得，在工作面距離施工鉆孔孔口約5.0 m時(shí)，通過3次不同深度孔壁圖像變形對比，發(fā)現(xiàn)沿著鉆孔方向在距離孔口約50.0 m位置出現(xiàn)了明顯的裂隙變形差異性，第3次在該位置有非常明顯的孔壁圍巖裂隙和剝落痕跡，產(chǎn)生了明顯的裂縫，而前2次均沒有出現(xiàn)；另外，在該位置前49.8 m和后50.2 m位置的3次成像結(jié)果也能明顯反映出3次不同時(shí)間的成像差異，過了50.2 m以后，3次成像基本完全一樣。由此判斷在這種條件下斷裂帶高度沿孔壁發(fā)育到50.0 m，根據(jù)鉆孔角度可初步獲得垂向上斷裂帶高度約為38.3 m。

由于現(xiàn)場條件的限制，測試鉆孔是在23301工作面回風(fēng)巷中間設(shè)置的，故無法得出工作面推過以后的實(shí)測結(jié)果。從理論上分析，該實(shí)測結(jié)果應(yīng)屬于不充分垮落條件下的“兩帶”發(fā)育高度，要小于工作面開采完畢后充分垮落的“兩帶”高度。

3 經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)

為進(jìn)行對比驗(yàn)證，在云煤二礦研究區(qū)范圍內(nèi)，根據(jù)鉆孔揭露地層信息，進(jìn)行導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨扔?jì)算。根據(jù)文獻(xiàn)[16]中附表4，按中硬頂板考慮，運(yùn)用公式(1)和(2)計(jì)算圖1中各個(gè)鉆孔的導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨?，運(yùn)用公式(3)計(jì)算各個(gè)鉆孔的垮落帶高度，計(jì)算結(jié)果見表2。

(1)

(2)

(3)

式中：Hli為導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨?，m；Hk為垮落帶高度，m；∑M為累計(jì)采厚，m。

表2 研究區(qū)主要鉆孔位置“兩帶”高度計(jì)算 單位：m

將本次鉆孔成像實(shí)測的“兩帶”高度與經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)根據(jù)鉆孔成像技術(shù)實(shí)測的“兩帶”高度都比文獻(xiàn)[16]中相關(guān)公式計(jì)算的范圍小。這也進(jìn)一步說明了現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果是在非充分垮落條件下獲得的。研究區(qū)觀測孔位置導(dǎo)水?dāng)嗔褞ё畲蟾叨葹?0.0 m，垮落帶高度為12.8 m。

4 采動頂板“兩帶”高度數(shù)值模擬

4.1 工程地質(zhì)模型

為進(jìn)一步增加對比性和可靠性，根據(jù)煤層開采情況，結(jié)合鉆孔資料，將研究區(qū)內(nèi)巖層按巖性和完整性劃分為灰?guī)r、泥巖、泥灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、炭質(zhì)泥巖、二1煤、中粒砂巖、細(xì)粒砂巖和粗粒砂巖共10個(gè)工程地質(zhì)巖組，從下到上劃分為23層地層，實(shí)測“兩帶”測試鉆孔位置處的二1煤層厚度為4.0 m左右，沿走向方向建立頂?shù)装逯饕绊憥r層的工程地質(zhì)模型，如圖4所示。

圖4 實(shí)測位置附近采動頂板工程地質(zhì)模型

以煤層底板基點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O，以煤層底面為xOy平面，傾斜水平投影方向?yàn)閤正方向，煤層走向?yàn)閤方向，垂直向上為z軸正方向建立三維坐標(biāo)系統(tǒng)。模型空間范圍取包含測試鉆孔在內(nèi)的200 m×120 m的區(qū)塊，高93 m，煤層厚度4 m，頂板厚度取72 m，底板厚度取17 m。

4.2 邊界條件和物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)二1煤層開采的技術(shù)條件，在盡可能反映原始地質(zhì)條件的前提下，對模型地質(zhì)條件采取一定的假設(shè)和簡化：

1)模型上覆巖層的自重壓力用補(bǔ)償荷載代替；

2)巖層在巖組內(nèi)為均勻連續(xù)介質(zhì)；

3)原始應(yīng)力場考慮為自重應(yīng)力場，不考慮構(gòu)造應(yīng)力場的作用。

模型邊界條件和初始條件如圖5所示，模型前后、左右側(cè)面采用水平方向固定，垂直方向自由邊界；底面采用垂直和水平方向均固定的約束方式；模型頂部補(bǔ)償荷載按230 m厚度上覆巖土體自重壓力(0.025 MPa/m)施加，約為5.75 MPa。走向兩側(cè)留設(shè)40 m的保護(hù)煤柱，傾向兩側(cè)留設(shè)30 m的保護(hù)煤柱，開采長度120 m、寬度60 m，每步10 m，共計(jì) 12步開采完畢。

圖5 模型邊界與初始條件示意圖

數(shù)值模擬采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，材料選項(xiàng)中需要輸入密度ρ、體積模量K、切變模量G、黏聚力C、內(nèi)摩擦角φ，以及抗拉強(qiáng)度σt等參數(shù)值?？紤]到?jīng)]有取得體積模量K和切變模量G的實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算時(shí)根據(jù)試驗(yàn)取得的彈性模量E和泊松比ν換算確定，具體參數(shù)見表3。

表3 計(jì)算模型中工作面頂?shù)装宓貙游锢砹W(xué)參數(shù)

4.3 結(jié)果分析

為了更好地和實(shí)測結(jié)果、經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，模擬不同巖組的三維形態(tài)及煤層底板的破壞深度，根據(jù)研究區(qū)的地質(zhì)測繪成果，在FLAC3D軟件平臺上構(gòu)建地質(zhì)體數(shù)值模型。模型共劃分出 50 400個(gè)單元，54 653個(gè)節(jié)點(diǎn)。

該軟件一般可通過塑性區(qū)分布特征來判斷破壞問題，研究區(qū)數(shù)值模擬塑性區(qū)分布云圖見圖6。

(a)長度方向切片

(b)寬度方向切片

由圖6可以看出，完全開采后，不論沿開采長度方向還是寬度方向，工作面在開采煤層頂?shù)装搴兔罕谇胺骄a(chǎn)生明顯的破壞。具體表現(xiàn)為在工作面兩側(cè)以剪切屈服為主，在采空區(qū)中部頂板以拉張屈服為主，整個(gè)上覆巖層的屈服破壞區(qū)域呈現(xiàn)出一個(gè)不太規(guī)則的“馬鞍”形狀，在工作面開切眼上部和終采線上部覆巖破壞高度最大。煤層開采后，在煤層頂板以上14.4 m區(qū)域內(nèi)，煤層頂板呈面狀破壞，采空區(qū)中部為拉張破壞，四周為剪切破壞，且破壞較為嚴(yán)重。隨著頂板高度增加至14.4 m之后，頂板破壞范圍及形式逐漸發(fā)生變化，采空區(qū)上方的拉張破壞消失，破壞開始以剪切破壞為主，根據(jù)模型尺寸，直至頂板以上49.0 m處破壞消失。結(jié)合模型尺寸并通過對不同深度塑性區(qū)變化特征分析，可以判斷頂板垮落帶高度約為14.4 m，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨燃s為 49.0 m。

為了進(jìn)一步探討數(shù)值模擬“兩帶”高度的可靠性，對開采上方不同位置沿著覆巖方向?qū)Υ怪睉?yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見圖7。

圖7 工作面覆巖采動上方垂直應(yīng)力分布特征示意圖

對1—1、1—2、1—3、1—4和1—5共5處位置(見圖5)進(jìn)行了從采空區(qū)頂板向上沿高度方向的垂直應(yīng)力對比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在覆巖上方近15 m左右高度不同位置均出現(xiàn)了比較明顯的應(yīng)力下降現(xiàn)象，認(rèn)為是模型在該位置處于應(yīng)力釋放區(qū)，應(yīng)屬于垮落帶上限高度。隨著高度的增加，垂直應(yīng)力呈明顯的上升趨勢，但在距離煤層頂板50 m左右高度，垂直應(yīng)力增加的速度開始變緩，初步認(rèn)為是逐漸恢復(fù)到地應(yīng)力狀態(tài)，是斷裂帶高度發(fā)育位置處。由此，通過采空區(qū)上方垂直應(yīng)力的分布變化特征也可初步判斷采動上覆“兩帶”發(fā)育高度，且與根據(jù)塑性區(qū)分布特征研判的結(jié)果基本一致。

5 結(jié)論

1)采用鉆孔成像技術(shù)對云煤二礦23301工作面頂板進(jìn)行了3次現(xiàn)場實(shí)測，通過不同時(shí)間、相同位置的孔壁成像對比分析，確定了在工作面距離測試鉆孔 5 m 位置時(shí)采動覆巖上方垮落帶和導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度和變化特征，計(jì)算得出垮落帶高度約為7.2 m，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨燃s為38.3 m。

2)對比分析了23301工作面上覆巖性，按中硬頂板考慮，采用經(jīng)驗(yàn)公式類比分析了該工作面“兩帶”觀測孔的垮落帶和導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨确秶?，垮落帶最大高度?2.8 m，導(dǎo)水?dāng)嗔褞ё畲蟾叨葹?0.0 m。

3)根據(jù)23301工作面地質(zhì)和開采條件，建立了具有針對性的工程地質(zhì)數(shù)值模型，通過對比數(shù)值模擬煤層覆巖的塑性區(qū)和垂直應(yīng)力分布特征，發(fā)現(xiàn)該工作面垮落帶高度約為14.4 m，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨燃s為49.0 m。

4)通過對3種方法的綜合比較發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場測試的垮落帶高度和導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨染?，這也證明了測試時(shí)采動頂板沒有充分垮落，而經(jīng)驗(yàn)公式類比和數(shù)值模擬方法均可有效彌補(bǔ)由于現(xiàn)場條件限制導(dǎo)致在不能充分垮落的條件下進(jìn)行實(shí)測的不足，三者結(jié)合使用，能夠?yàn)檠芯繀^(qū)煤層上覆“兩帶”高度的確定提供更加合理的依據(jù)。綜合考慮安全因素，最終確定23301工作面垮落帶最大高度為14.4 m，導(dǎo)水?dāng)嗔褞ё畲蟾叨葹?0.0 m。