綜采工作面覆巖裂隙動態(tài)演化特征研究

尹嘉帝，張華磊，涂 敏

(1.安徽理工大學 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學 能源與安全學院，安徽 淮南 232001)

采動裂隙演化規(guī)律的研究，對煤炭綠色安全高效生產(chǎn)具有重要的意義，關于裂隙帶發(fā)育、演化過程的深入分析，對瓦斯抽采工程設計、礦井突水災害防控、保護水資源開采具有重要作用[1]。國內(nèi)外學者在采場覆巖結構和覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律等方面開展了大量的研究，文獻[2-5]總結了大量煤礦實測資料，得到裂隙帶發(fā)育高度的經(jīng)驗公式；許家林等[6，7]采用理論分析、工程探測和模擬實驗等手段，指出上覆巖層中主關鍵層位置會對導水裂隙帶高度產(chǎn)生重大的影響，并初步確定了關鍵層破斷裂縫貫通的臨界高度可以按7～10倍采厚來進行估算；柴華彬等[8]基于GA-SVR建立了的導水裂隙帶高度預測模型；伍永平等[9]采用試驗的方法研究了覆巖裂隙的動態(tài)分布特征；陳長華等[10]通過對神東礦區(qū)的現(xiàn)場實測，研究了采場覆巖的破壞類型以及覆巖裂隙的發(fā)育高度；殷帥峰等[11]運用數(shù)值模擬研究了裂隙發(fā)育規(guī)律，提出了有效的抽采瓦斯方案；徐智敏等[12]研究了覆巖裂隙滲透性演化規(guī)律，分析了干旱礦區(qū)保水采煤的重要意義。

綜上所述，國內(nèi)外學者采用不同的理論和方法對覆巖裂隙的發(fā)育規(guī)律進行了研究，取得了豐富的成果。目前，關于采場覆巖裂隙分布特征的研究較少，基于此，在前人研究的基礎上，采用了物理相似模擬試驗、離散元方法(DEM)以及理論分析相結合的方法，研究了采動影響下覆巖裂隙的動態(tài)演化規(guī)律、空間分布特征以及導水裂隙帶發(fā)育高度。導水裂隙帶發(fā)育高度的判定，采用相似模擬試驗、數(shù)值計算分析并與理論經(jīng)驗公式多種研究方法，對所得結果進行綜合的對比分析，克服了單一方法的局限性，為研究相似礦井覆巖裂隙的演化規(guī)律提供參考。

1 工程地質(zhì)概況

以潘二礦18111工作面為具體工程背景，該工作面上覆巖層地質(zhì)條件復雜，煤層開采受到上方厚松散層和承壓含水層的影響；煤層埋深約450m，平均煤層厚度4m，煤層傾角8～12°，平均10°，巖層柱狀如圖1所示；開采采用一次采全高綜采技術，頂板采用全部垮落法管理。

2 相似模擬試驗

2.1 試驗概況

根據(jù)工作面地質(zhì)條件、模型架尺寸、相似原理及量綱分析，選定模擬試驗幾何相似比為1∶100，容重相似比為3∶5，應力相似比為1∶150，時間相似比為1∶10，巖層相關力學參數(shù)和材料配比見表1。

圖1 巖層柱狀圖

表1 各巖層物理模型力學參數(shù)表

2.2 試驗結果分析

采動過程中覆巖裂隙動態(tài)演化過程如圖2所示。隨著工作面向前推進，后方采空區(qū)的空間不斷增大，靠近采空區(qū)上覆頂板受到了應力集中和采動的影響，巖層中靜止的微裂隙再次激活，沿著裂隙尖端開始發(fā)育。如圖2(a)所示，當工作面推進至25m時，上方巖層中的裂隙已經(jīng)貫通形成了橫向約11cm(實際長度11m)的裂隙，在裂隙末端從亦形成了縱向裂隙，此時上覆巖層未發(fā)生垮落，裂隙發(fā)育高度約為2～3m，仍保持完整性。

圖2 采動覆巖裂隙發(fā)育過程

圖2(a)中所示當工作面推進至25m時上覆巖層垮落及裂隙分布特征圖，隨著采空區(qū)跨度進一步增大，上覆巖層裂隙進一步發(fā)育，直接頂發(fā)生垮落。受直接頂垮落的影響，直接頂上方約3cm處產(chǎn)生了橫向裂隙，工作面推進至32m時，基本頂發(fā)生垮落，工作面出現(xiàn)了初次來壓。圖2(b)為工作面推進至35m時，上覆巖層垮落及裂隙分布特征圖，由于采空區(qū)空間大，垮落巖層難以填充采空區(qū)導致上方形成大的裂隙空間；此時距煤層7m左右，形成了2條可見的裂隙，呈現(xiàn)出拱形形態(tài)，其局部詳圖如(c)所示。圖2(d)為當工作面推進65m時，上覆巖層垮落及裂隙分布特征圖，隨著工作面進一步推進，上覆巖層出現(xiàn)周期性破斷垮落，呈現(xiàn)出了不規(guī)則梯形狀，且在工作面前端與開切眼處形成了貫通的主裂隙。隨著工作面進一步推進，整個上覆巖層破斷與裂隙發(fā)育如圖3所示。

圖3 裂隙演化遷移圖

當工作面基本頂初次來壓時，工作面上部形成了“階梯型”貫通裂隙，工作面繼續(xù)向前推進出現(xiàn)周期來壓時，工作面上部亦形成“階梯型”貫通裂隙，與前一個周期相比，工作面上部貫通裂隙進一步向上覆巖層發(fā)育，整個工作面前端上部裂隙隨著工作面推進向前遷移發(fā)展(圖3所示1→2→3→4)，前期產(chǎn)生的覆巖裂隙將會被壓實閉合，發(fā)育過程將會被終止。當工作面推進至150m時，裂隙發(fā)育基本趨于穩(wěn)定，裂隙發(fā)育高度達到54m左右。

為了更加精確直觀描述采動后覆巖裂隙發(fā)育狀況，采用裂隙密度作為反映分析裂隙發(fā)育特征的指標，得出了覆巖推進過程中裂隙密度分布特征曲線，如圖4所示。由圖4可知，在工作面推進工程中，受采動影響，覆巖垮落產(chǎn)生裂隙，并且隨著工作面推進裂隙數(shù)量呈增多趨勢，上覆巖層的存在將會使采空區(qū)被壓實，導致裂隙數(shù)量降低，最終形成了交替往復周期現(xiàn)象。受采動影響工作面煤壁上方處于一種應力釋放狀態(tài)，工作面前方煤壁處裂隙數(shù)量與切眼處相比處于高位，整個上覆巖層裂隙密度呈現(xiàn)非對稱“馬鞍形”。

圖4 覆巖裂隙密度分布特征圖

3 離散元數(shù)值計算分析

3.1 模型建立

為了直觀清晰反映上覆巖層斷裂與裂隙的發(fā)育情況，并與相似模擬試驗對比，本次數(shù)值模擬選用PFC2D(DEM顆粒流程序)進行建模、分析、計算，根據(jù)潘二礦18111工作面地質(zhì)條件，沿工作面走向方向建立2D模型，模型長200m，高為100m。計算時采用了平行粘結模型，左右和下邊界施加了固定約束，上表面為自由約束，分析上覆巖層裂隙發(fā)育狀況。

3.2 結果分析

根據(jù)潘二礦18111工作面相關資料，建立如圖5(a)所示的數(shù)值模型，為了區(qū)分不同巖層，將各巖層標記為不同顏色，煤層厚度為4m，模擬時每次開挖5m計算一次平衡，與相似模擬試驗一致工作面推進150m。

當工作面推進150m時，上覆巖層破斷及裂隙發(fā)育如圖5(b)所示，在工作面開切眼處和工作面煤壁上方形成兩條貫通的主裂隙，發(fā)育高度接近58m，可以觀察到工作面推進過程中煤壁上部裂隙逐漸向前遷移，離工作面煤壁較遠未發(fā)育完全的裂隙，逐漸被垮落帶上部的巖層荷載所壓實，裂隙逐漸閉合，只有距離工作面煤壁較近處存在裂隙如圖5(c)所示，并且對裂隙的方位角進行了監(jiān)測統(tǒng)計，巖層裂隙方位角統(tǒng)計結果見表2。

圖5 上覆巖層裂隙發(fā)育數(shù)值模型

表2 巖層裂隙方位角統(tǒng)計表

覆巖裂隙的發(fā)育角度與各巖層的厚度、巖性、節(jié)理面分布、地質(zhì)構造、煤層采動影響等因素有關，具有復雜性和隨機性，但從整體來看，裂隙發(fā)育角度又具有一定的統(tǒng)計特征，角度的分布呈現(xiàn)出區(qū)域性的特點。

根據(jù)對數(shù)值模擬裂隙發(fā)育角度的統(tǒng)計分析，并結合相似模擬試驗結果，可將上覆巖層按裂隙角度大小分為如圖5(c)所示的三個區(qū)域：小角度裂隙區(qū)、中角度裂隙區(qū)、大角度裂隙區(qū)，各區(qū)域裂隙的整體分布特征具有顯著的差異性。

小角度裂隙區(qū)主要分布在彎曲下沉帶和裂隙發(fā)育上限之間，裂隙發(fā)育角度0°～30°為主，形成的主要原因是各巖層在向下彎曲變形的過程中，由于巖層間巖性不同，變形撓度不一致，而導致各相鄰巖層間出現(xiàn)了分層現(xiàn)象。中角度裂隙區(qū)主要分布在裂隙帶和冒落帶內(nèi)，該區(qū)域內(nèi)的裂隙主要由大角度裂隙的垮落巖體或散落巖塊堆積而形成，由于受到上覆垮落巖體自重、工作面推進過程中的周期來壓及礦山構造應力等因素的影響，使得巖體的裂隙發(fā)育角度降低，裂隙發(fā)育角度多集中在30°～60°。大角度裂隙區(qū)主要分布在工作面兩端附近，該區(qū)域的裂隙分布密集，多表現(xiàn)為高角度的穿層裂隙，隨工作面的推進，從開切眼處上方保持持續(xù)向高位擴展的趨勢，裂隙發(fā)育角度主要為60°～90°。

由相似模擬試驗和數(shù)值模擬的結果可知，在工作面兩端裂隙發(fā)育密集且發(fā)育高度高、角度大，根據(jù)裂隙角度統(tǒng)計結果，角度大于60°的裂隙占了裂隙總數(shù)量的44%左右，表明上覆巖層在采動影響下裂隙場的發(fā)育多以大角度為主。

對數(shù)值模擬裂隙發(fā)育高度進行了監(jiān)測，其裂隙發(fā)育高度與工作面推進距離之間關系大致呈現(xiàn)斜“S”型，如圖5(d)所示。

裂隙帶高度發(fā)育如圖6所示，由圖6可知，工作面推進至20m左右時，頂板上方由于應力集中和采動影響開始出現(xiàn)裂隙，并且逐漸向上發(fā)育；當工作面推進至60m時，上方關鍵層開始出現(xiàn)了裂隙，裂隙發(fā)育高度迅速增長；當工作面推進至100m左右時，采空區(qū)逐漸被壓實，上方巖層下沉量減少，處于高位的巖層形成了穩(wěn)定的鉸接梁結構，遏制了裂隙繼續(xù)向上發(fā)育，最終裂隙發(fā)育高度穩(wěn)定在58m左右。

圖6 裂隙帶高度發(fā)育圖

4 導水裂隙帶發(fā)育高度預計與分析

4.1 關鍵層判別計算法

根據(jù)關鍵層位置對導水裂隙帶發(fā)育高度的影響規(guī)律，采用基于關鍵層位置來預計導水裂隙帶高度的方法來推測18111工作面導水裂隙帶的發(fā)育高度。

由潘二礦的地質(zhì)資料，依據(jù)錢鳴高、許家林的關鍵層判別方法[13，14]，確定18111工作面有1個主關鍵層和1個亞關鍵層，主關鍵層為距煤層頂端15m、厚12m的細砂巖；亞關鍵層為煤層上方厚5.5m 的砂質(zhì)泥巖，關鍵層的具體位置如圖1所示。

由圖1可知，煤層的開采厚度為4m，計算可得到10M為40m，主關鍵層位置距煤層的高度為15m小于40m，因此導水裂隙帶發(fā)育高度按照基巖厚度來計算，可以得到導水裂隙帶高度為56m。

4.2 導水裂隙帶經(jīng)驗公式預計

根據(jù)18111 工作面的地質(zhì)條件，煤層上覆巖層主要是砂巖和砂質(zhì)泥巖，屬于中硬巖層。按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》[15]，中硬巖層導水裂隙帶的高度計算公式為：

式中，Hf為導水裂隙帶發(fā)育最大高度，m；∑M為累計開采厚度，m。

根據(jù)18111工作面的煤層地質(zhì)條件，煤層取平均厚度4m，代入式(1)可計算得到裂隙帶發(fā)育高度為(40±5.6)m。

4.3 經(jīng)驗類比計算法

涂敏[6]通過對潘謝礦區(qū)3個大采高綜采工作面的垮落鉆孔進行實測，得到了煤層開采后上覆巖層裂隙發(fā)育高度的實測數(shù)據(jù)。利用最小二乘法進行擬合計算，得出潘謝礦區(qū)采動裂隙發(fā)育高度經(jīng)驗公式：

式中，H為上覆巖層裂隙帶發(fā)育高度，m；M為煤層開采厚度，m。

煤層的平均厚度為4m，代入式(2)可計算得到裂隙帶發(fā)育高度為(58.8±2)m。

4.4 導水裂隙帶預計高度綜合分析

將上述各種方法得到的導水裂隙帶發(fā)育高度預計結果見表3。根據(jù)以上3種手段得到導水裂隙帶的發(fā)育高度為34.4～60.8m。由表3可知，“三下規(guī)程”與其它幾種方法所得結果差距較大，文獻[8，16]指出，規(guī)程中的公式得到的預測結果一般適用于開采方式為炮采與普通機采，且當煤層分層采厚大于3.0m時，規(guī)程中的統(tǒng)計經(jīng)驗公式與實測結果存在較大的差異。而運用相似模擬實驗、數(shù)值模擬、經(jīng)驗類比和關鍵層理論所得到的結果均比較接近，因此，可根據(jù)計算結果預測導水裂隙帶的發(fā)育高度為54～60.8m。

表3 導水裂隙帶發(fā)育高度預計結果

5 結 論

1)隨著工作面的不斷推進，工作面前端裂隙出現(xiàn)遷移現(xiàn)象，前期采空區(qū)產(chǎn)生的裂隙將會被壓實閉合，導致裂隙數(shù)量降低，最終呈現(xiàn)出交替的周期現(xiàn)象。

2)工作面兩端裂隙發(fā)育密集且以大角度發(fā)育為主，裂隙發(fā)育角度的整體空間分布呈現(xiàn)區(qū)域性的特點，上覆巖層裂隙發(fā)育多以大角度為主，該研究方法對復雜地質(zhì)條件下的煤層瓦斯抽采以及礦井突水的防控具有重要的參考價值。

3)隨著工作面的不斷推進，采空區(qū)逐漸被壓實，巖層的下沉量減少，上部巖層逐漸形成了穩(wěn)定的鉸接梁結構，遏制了裂隙繼續(xù)向上發(fā)育，導水裂隙的發(fā)育高度趨于穩(wěn)定。運用多種方法對導水裂隙發(fā)育高度進行分析，綜合所得結果可預測導水裂隙的發(fā)育高度為54～60.8m。