復(fù)合頂板大采高采場(chǎng)覆巖破斷角實(shí)測(cè)及其演化規(guī)律研究

趙 晶，張 禮，3，王栓林

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083)

采空區(qū)覆巖裂隙帶邊界和采空區(qū)邊界的連線與水平線在采空區(qū)一側(cè)的夾角稱為覆巖破斷角[1]。按其所處位置不同可分為采場(chǎng)側(cè)覆巖破斷角、運(yùn)輸巷側(cè)覆巖破斷角、回風(fēng)巷側(cè)覆巖破斷角和切眼側(cè)覆巖破斷角，受煤層賦存及開(kāi)采時(shí)間的影響各破斷角度不盡相同。采用頂板鉆孔(巷道)抽采鄰近層及采空區(qū)瓦斯時(shí)，鉆孔的終孔位置、壓茬距離、卸壓瓦斯富集區(qū)域識(shí)別、采動(dòng)區(qū)瓦斯流動(dòng)三維模擬幾何模型的建立等等，均與采場(chǎng)覆巖破斷角密切相關(guān)[2-4]?，F(xiàn)階段對(duì)采場(chǎng)覆巖破斷角的研究多采用相似材料模擬實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)等手段。因不同礦區(qū)獨(dú)特的地質(zhì)及開(kāi)采條件，覆巖破斷角具有較大差異，不考慮自身?xiàng)l件的生搬硬套大大降低了瓦斯抽采效果。同時(shí)因采空區(qū)覆巖運(yùn)動(dòng)是一動(dòng)態(tài)過(guò)程，破斷角處于動(dòng)態(tài)演化過(guò)程，研究結(jié)果均有其一定的適用范圍[5-10]。

以申南凹煤礦20102工作面為背景，通過(guò)對(duì)頂板走向高位鉆孔抽采數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期觀測(cè)，對(duì)采場(chǎng)側(cè)的覆巖破斷角進(jìn)行了分析；通過(guò)20104運(yùn)輸巷往20102工作面采空區(qū)施工測(cè)試鉆孔，利用雙塞壓水實(shí)驗(yàn)對(duì)20102工作面回風(fēng)巷側(cè)的破斷角進(jìn)行了研究；為由點(diǎn)到面的分析采場(chǎng)覆巖破斷角的演化規(guī)律，利用UDEC模擬軟件分析了覆巖采動(dòng)裂隙及破斷角的演化過(guò)程。研究成果可為下一步研究采空區(qū)卸壓瓦斯的運(yùn)移富集規(guī)律及高位鉆孔布置提供基礎(chǔ)。

1 工作面概況

申南凹煤礦隸屬山西省河?xùn)|煤田鄉(xiāng)寧礦區(qū)，地處呂梁山南端，地貌單元屬中山小起伏區(qū)，可采煤層為山西組中下部的2#煤層，煤層埋深為555～631m。20102工作面是礦井二采區(qū)首采工作面，煤層平均埋深為598m，煤層平均傾角5°，平均厚度為3.84m，硬度為1.4。工作面長(zhǎng)度為180m，推進(jìn)長(zhǎng)度1286m，采用走向長(zhǎng)壁采煤法一次采全高冒落法管理頂板。工作面單巷布置，通風(fēng)方式為U型通風(fēng)。工作面頂板以泥巖、細(xì)砂巖交替分布。底板為泥巖，回采過(guò)程中底鼓現(xiàn)象明顯。

2 頂板巖層物理力學(xué)參數(shù)

為充分弄清20102工作面頂板巖層的巖性及巖層分布特征，從回風(fēng)巷向頂板打4個(gè)深度為25m的取芯鉆孔，每層取3個(gè)巖樣，測(cè)出各巖樣的物理力學(xué)參數(shù)，再取其平均值。頂板巖層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，20102工作面頂板由軟弱相間的中小厚度巖層所組成，為典型的復(fù)合頂板。

表1 煤巖力學(xué)參數(shù)

3 采空區(qū)覆巖破斷角實(shí)測(cè)分析

本次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的破斷角為采場(chǎng)側(cè)覆巖破斷角和回風(fēng)巷側(cè)覆巖破斷角，因本煤層傾角小于8°，忽略工作面傾角產(chǎn)生的影響，運(yùn)輸巷側(cè)覆巖破斷角與回風(fēng)巷側(cè)近似相等。

3.1 覆巖破斷角實(shí)測(cè)方案

3.1.1 采場(chǎng)側(cè)覆巖破斷角

采場(chǎng)側(cè)覆巖破斷角可借助頂板走向高位鉆孔進(jìn)行分析，無(wú)需再打鉆孔。20102回風(fēng)巷內(nèi)每隔30m布置有一組高位鉆場(chǎng)，每組鉆場(chǎng)6個(gè)鉆孔，高位鉆場(chǎng)布置如圖1所示，設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。已有研究表明[11]，頂板充分來(lái)壓后，隨工作面推進(jìn)，巖層破斷以一基本固定的角度往前發(fā)展。瓦斯抽采高位鉆孔先從鉆孔上部起效，然后不斷往下發(fā)展。當(dāng)巖石破斷未發(fā)育到鉆孔時(shí)，鉆孔抽采量近似為零。當(dāng)巖石破斷發(fā)育到此處時(shí)，瓦斯抽采量將會(huì)突然增大。

圖1 高位鉆孔及側(cè)向破斷角觀測(cè)鉆孔平面布置

表2 高位鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

3.1.2 回風(fēng)巷側(cè)覆巖破斷角

在20104工作面運(yùn)輸巷往20102采空區(qū)頂板施工5個(gè)觀測(cè)孔，為方便鉆孔施工，在工作面后方100m和110m處分兩組鉆場(chǎng)施工，鉆孔布置及鉆孔參數(shù)如圖2所示，鉆孔具體參數(shù)見(jiàn)表3。鉆孔施工完畢，通過(guò)雙塞壓水實(shí)驗(yàn)對(duì)裂隙進(jìn)行觀測(cè)。雙塞壓水實(shí)驗(yàn)使用雙端堵水器，注水壓力為0.1MPa，每段測(cè)試長(zhǎng)度為1m，每段進(jìn)行3次測(cè)試，每次時(shí)間為1min，漏失量取3次平均值。

圖2 工作面?zhèn)认蚱茢嘟怯^測(cè)鉆孔剖面

表3 觀測(cè)鉆孔具體參數(shù)

3.2 觀測(cè)結(jié)果分析

3.2.1 采場(chǎng)側(cè)覆巖破斷角

對(duì)10個(gè)鉆場(chǎng)的瓦斯抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4，記錄鉆孔起效時(shí)的時(shí)間、工作面距鉆場(chǎng)的距離和初始流量(表中的初始流量為6個(gè)鉆孔流量的最小值)。在工作面推進(jìn)速度為3.6m/d，鉆場(chǎng)起效時(shí)工作面與鉆場(chǎng)的距離為63～74m，平均維持在68m附近。說(shuō)明巖層破斷位置已經(jīng)運(yùn)動(dòng)到鉆孔終孔位置區(qū)域。表中21、22、24號(hào)鉆場(chǎng)抽采鉆孔直徑為94mm，記為小孔，其他鉆孔抽采鉆孔直徑為153mm，記為大孔。

表4 鉆場(chǎng)起效時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

覆巖破斷角θ的確定方法如圖3所示，覆巖破斷角θ的計(jì)算公式為：

圖3 巖層垮落角確定方法

式中，x為工作面距鉆場(chǎng)的距離，m；α為高位鉆孔傾角，(°)；β為鉆孔夾角，(°)；l為鉆孔長(zhǎng)度，m。

鉆場(chǎng)各鉆孔的傾角為21°±2°，夾角為17°±3°，取α=21°，β=17°，經(jīng)計(jì)算，工作面推進(jìn)速度為3.6m/d時(shí)，20102采場(chǎng)上方的巖層破斷角為59°。

3.2.2 回風(fēng)巷側(cè)覆巖破斷角

5號(hào)鉆孔在施工到42m、1號(hào)鉆孔在施工到56m處時(shí)，孔口不見(jiàn)反水，此時(shí)鉆孔垂高分別為12m、28m，兩鉆孔分別進(jìn)入垮落帶和裂隙帶(計(jì)算得垮落帶高度為13～20m)。將實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為鉆孔漏失統(tǒng)計(jì)圖，如圖4所示。按照孔口不反水計(jì)算覆巖破斷角為39°，按壓水漏失量大于18L/min計(jì)算，破斷角為58°。

圖4 鉆孔漏失量統(tǒng)計(jì)

4 覆巖破斷角演化模擬研究

為了由點(diǎn)到面的去研究覆巖破斷角的演化過(guò)程，根據(jù)地質(zhì)資料通過(guò)UDEC模擬軟件對(duì)平行工作面方向覆巖采動(dòng)裂隙的演化過(guò)程進(jìn)行了模擬分析，因煤層為近水平煤層，沿推進(jìn)方向覆巖破斷角演化過(guò)程與平行工作面方向近似一致。模型尺寸為220m×140m，模型上方為應(yīng)力邊界條件，應(yīng)力值為11.7MPa，模型兩側(cè)和底部采用位移邊界條件。

數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)采空區(qū)覆巖與底板裂隙先后經(jīng)歷，卸荷裂隙擴(kuò)展—應(yīng)力恢復(fù)裂隙閉合—端頭裂隙擴(kuò)展的過(guò)程，如圖5所示。覆巖破斷角隨運(yùn)行步數(shù)的演化過(guò)程如圖6所示。

圖5 不同時(shí)步裂隙演化過(guò)程

圖6 不同時(shí)步破斷角演化過(guò)程

采空區(qū)中部的裂隙閉合伴隨著端頭的裂隙擴(kuò)展，采空區(qū)應(yīng)力恢復(fù)時(shí)覆巖裂隙的閉合速度比底板裂隙的閉合速度要快。覆巖破斷角隨時(shí)間的增長(zhǎng)會(huì)不斷增大，模型運(yùn)行步數(shù)在5813步時(shí)頂板巖體主要以不規(guī)則垮落為主，垮落高度為8m(2倍采高)，覆巖破斷角近似為25°；6213步時(shí)頂板巖體出現(xiàn)規(guī)則破斷，裂隙發(fā)育高度為36m(9倍采高)，此時(shí)破斷角為36°；8313步時(shí)受采空區(qū)應(yīng)力恢復(fù)影響，頂板裂隙大量閉合，端部裂隙開(kāi)始擴(kuò)展，破斷角變?yōu)?1°；至9713步時(shí)，底板裂隙大量閉合，破斷角繼續(xù)增大為72°；至16213步時(shí)，工作面端頭裂隙發(fā)育穩(wěn)定，破斷角為109°，裂隙發(fā)育高度為39m(10倍采高)。

5 結(jié) 論

1)復(fù)合頂板大采高采場(chǎng)條件下，當(dāng)工作面推進(jìn)速度為3.6m/d時(shí)，采場(chǎng)側(cè)的覆巖破斷角為59°，工作面后方100～110m處回風(fēng)側(cè)的覆巖破斷角為58°。

2)采空區(qū)覆巖破斷角是一動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，破斷角由銳角演化為鈍角。兩相鄰采空區(qū)，區(qū)段煤柱的覆巖裂隙存在導(dǎo)通的可能。

3)采空區(qū)覆巖及底板裂隙先后經(jīng)歷卸荷裂隙擴(kuò)展—應(yīng)力恢復(fù)裂隙閉合—端頭裂隙擴(kuò)展的過(guò)程。采空區(qū)中部的裂隙閉合伴隨著端頭的裂隙擴(kuò)展，頂板裂隙閉合速度比底板裂隙閉合速度要快。