寺家莊煤礦15106采煤工作面覆巖裂隙“三帶”規(guī)律研究

余北建

(陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000)

傳統(tǒng)“三帶”理論認(rèn)為[1]，工作面向前推進(jìn)，頂板巖層懸露繼而破壞垮落，在頂板垮落過(guò)程中，上覆巖層可形成垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，三個(gè)巖層移動(dòng)和變形各有特點(diǎn)的空間區(qū)域。煤炭在地下開(kāi)采過(guò)程中，巖體不斷受到擾動(dòng)，應(yīng)力重新分布并引起采場(chǎng)圍巖破斷垮落[2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者就礦山壓力與巖層移動(dòng)開(kāi)展了大量研究工作，提出了“壓力拱假說(shuō)”“自然平衡拱”“懸臂梁假說(shuō)”“預(yù)成裂隙假說(shuō)”“膠接巖塊假說(shuō)”和“傳遞巖梁假說(shuō)”等多種理論假說(shuō)[3-5]。

寺家莊煤礦布置底抽巷抽采上覆煤層瓦斯掩護(hù)巷道掘進(jìn)，回采期間需布置高位瓦斯抽放巷、低位瓦斯抽放巷以治理采空區(qū)與上隅角瓦斯，一個(gè)工作面的回采需要布置6條巷道，致使煤礦現(xiàn)場(chǎng)施工管理?xiàng)l件復(fù)雜、工程量大、采掘銜接異常困難，將底板巖石抽放巷與低位瓦斯抽放巷合二為一，既可用于預(yù)抽本煤層瓦斯掩護(hù)煤巷掘進(jìn)，也可兼顧抽采上隅角與采空區(qū)瓦斯。因此應(yīng)先研究工作面回采過(guò)程中上覆巖層裂隙動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律，分析劃定裂隙發(fā)育帶區(qū)域。寺家莊煤礦15106工作面覆巖破壞規(guī)律的研究手段包括理論分析[6]、數(shù)值模擬[7-9]、相似材料模擬實(shí)驗(yàn)[10-13]，得到覆巖裂隙動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律，劃分“三帶”高度。

1 工程概況

寺家莊煤礦15106綜采工作面主采15#煤層，平均埋深480 m。 15106工作面可采走向長(zhǎng)度1 484 m，采長(zhǎng)286.2 m，共有5條巷道，分別為進(jìn)風(fēng)巷、工作面底板巖石預(yù)抽巷、高抽巷、工作面低位抽放巷、回風(fēng)巷，采用“一進(jìn)兩回”通風(fēng)方式。工作面正常日推進(jìn)度定為6.4 m，15106工作面15#煤層平均厚度為5.4 m，平均傾角4°，賦存穩(wěn)定。15#煤層硬度f(wàn)≤5，礦井為突出礦井，工作面原始瓦斯含量最高達(dá)到11.04 m3/t；預(yù)抽后瓦斯含量小于8 m3/t，突出危險(xiǎn)性較小。工作面瓦斯壓力較小，在0.1～0.5 MPa之間。15106綜采工作面存在2個(gè)地面鉆孔，結(jié)合礦井綜合柱狀圖得到采面覆巖巖性及厚度。

2 覆巖“三帶”理論計(jì)算

“三帶”是指當(dāng)煤層開(kāi)采后，采空區(qū)周?chē)鷰r體便會(huì)產(chǎn)生巖體的移動(dòng)變形，當(dāng)巖體的變形和移動(dòng)超過(guò)圍巖體極限變形時(shí)，巖體便會(huì)發(fā)生破壞。根據(jù)覆巖移動(dòng)破壞程度，可以將上覆巖層移動(dòng)區(qū)域分為“三帶”，即冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。

根據(jù)礦壓控制相關(guān)理論，一般工作面頂板上覆巖層垮落帶最大高度中硬覆巖用式(1)計(jì)算，堅(jiān)硬覆巖用式(2)計(jì)算。

(1)

(2)

式中，M采為煤層采高，取5.4 m。

緊挨煤層上部是較薄的泥巖，上部具有較厚的細(xì)砂巖，再往上是堅(jiān)硬的石灰?guī)r，整體屬于中硬和堅(jiān)硬之間，所以垮落帶高度為14.37～17.25 m。裂隙帶最大高度堅(jiān)硬覆巖計(jì)算見(jiàn)式(3)。

(3)

式中，M裂為裂隙帶高度,m。

由于覆巖具有較多的石灰?guī)r和砂巖，整體屬于堅(jiān)硬巖石，所以裂隙帶高度為54.8～72.6 m。

3 覆巖裂隙UDEC軟件模擬

3.1 數(shù)值模型

通用離散元程序UDEC6.0軟件中，基于15106面上覆巖層巖性及厚度建立500 m×120 m的二維模型，依據(jù)巖性選取Mohr-Coulomb塑性模型對(duì)應(yīng)的巖層參數(shù)，主要研究區(qū)域采用細(xì)網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?，其他研究區(qū)域采用逐漸增大的不等單元網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖1。根據(jù)煤層賦存條件，設(shè)定重力加速度，模型頂部簡(jiǎn)化為均布載荷9.5 MPa，重力梯度設(shè)為24 kPa/m，側(cè)壓系數(shù)設(shè)為1，模型底部和兩側(cè)的垂直方向位移速度設(shè)為零。模型設(shè)計(jì)共計(jì)回采25次，每次8 m，共回采200 m，模型中距離煤層低板分別為0 m、5.4 m、23.4 m、41.4 m、71.4 m處即煤層底板、煤層頂板、k2石灰?guī)r底板、k3石灰?guī)r底板、k4石灰?guī)r底板設(shè)置監(jiān)測(cè)線(xiàn)、監(jiān)測(cè)位移和應(yīng)力。

圖1 網(wǎng)格劃分模型圖

3.2 模擬結(jié)果

模型分別回采40 m、112 m、200 m時(shí)，分別距離煤層底板0 m、41.4 m、71.4 m處監(jiān)測(cè)線(xiàn)垂直應(yīng)力分布見(jiàn)圖2?；夭芍?0 m處，未出現(xiàn)垮落，采空區(qū)兩端呈現(xiàn)垂直應(yīng)力集中，采空區(qū)內(nèi)部在煤層底板處垂直應(yīng)力接近為零，臨近覆巖處垂直應(yīng)力降低?；夭芍?12 m時(shí)頂板已經(jīng)垮落，回采至200 m時(shí)，采空區(qū)中心部分覆巖重新壓實(shí)，垂直應(yīng)力增大，煤層底板和k3石灰?guī)r底板處應(yīng)力變化較大，k4石灰?guī)r底板處應(yīng)力變化較小，受采動(dòng)影響較小。

回采200 m時(shí)的覆巖裂隙分布見(jiàn)圖3。圖3中下方方框區(qū)域巖塊已經(jīng)完全垮落，失去原有形態(tài)，裂隙分布較多。其高度為k2石灰?guī)r底板，距離煤層頂板18 m，即為跨落帶高度。圖3中上方方框區(qū)域，裂隙分布較較為廣泛，不僅有離層裂隙，穿層裂隙也較為均勻分布，其高度位于k4石灰?guī)r底板，距離煤層頂板66 m，為裂隙帶。而66 m以上，采空區(qū)中部巖層近乎沒(méi)有穿層裂隙，這些巖層基本符合整體移動(dòng)，是彎曲下沉帶。

圖2 監(jiān)測(cè)線(xiàn)處垂直應(yīng)力分布

圖3 回采200 m時(shí)裂隙分布圖

4 覆巖裂隙相似模擬實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

相似模擬實(shí)驗(yàn)是為了研究工作面覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律，基于試驗(yàn)臺(tái)尺寸：長(zhǎng)×寬×高為3 000 mm×250 mm×2 000 mm。設(shè)定模型與實(shí)體之間的幾何相似比為200、時(shí)間相似比為14.14、應(yīng)力相似比為320。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭性O(shè)定位移觀測(cè)點(diǎn)，相似材料為沙子、石灰、石膏和水，按照相似比配比模型材料。模型模擬煤巖層范圍：底板以下12.6 m，頂板以上至地表480 m，煤層平均厚5.4 m，共計(jì)模擬煤巖層高度約498 m，采用模擬材料高度約280 m，其余高度才用配重模擬至地表，配重高約218 m。

4.2 回采過(guò)程

模型中每次回采5 cm，然后記錄位移、應(yīng)變、破斷角、垮落距、垮落高、裂隙發(fā)育情況等，其中回采58 cm、120 cm、208 cm時(shí)模型狀態(tài)見(jiàn)圖4。

4.3 覆巖裂隙形態(tài)分析

回采距離稱(chēng)為采距用L表示。直接頂每次破斷長(zhǎng)度、高度稱(chēng)直接頂跨距、跨高。煤層上覆巖層每次的最高破斷長(zhǎng)度、高度稱(chēng)為老頂跨距、跨高?；夭芍懈矌r破斷距及破斷層高見(jiàn)圖5。直接頂垮落層高基本為2 cm，初次破斷距為28 cm，周期破斷距基本穩(wěn)定在7 cm。老頂垮落層高基本穩(wěn)定在9 cm，初次破斷距38 cm，周期破斷距基本穩(wěn)定在15 cm。老頂垮落破斷距大致是直接頂垮落破斷距的二倍?？傻每迓鋷Ц叨葹? cm，實(shí)際為18 m。

圖4 監(jiān)測(cè)線(xiàn)處垂直應(yīng)力分布

圖5 采距與垮落關(guān)系

煤層上覆巖層受煤層回采影響，發(fā)生明顯移動(dòng)的巖層高度稱(chēng)為移動(dòng)層高，用H表示，移動(dòng)層高與上部未發(fā)生移動(dòng)的巖層間空隙的垂距稱(chēng)空隙高，用h表示。采距與移動(dòng)層高、空隙高關(guān)系見(jiàn)圖6。

采距大致為移動(dòng)層高的二倍，隨工作面回采移動(dòng)層高穩(wěn)定一段距離后會(huì)跳躍式升高。隨工作面回采，空隙高在開(kāi)始達(dá)到最大值后逐漸降低，且下降幅值逐漸減小，達(dá)到最小值后，采空區(qū)重新壓實(shí)后，空隙高略有上升，推測(cè)此后空隙高隨移動(dòng)高呈現(xiàn)周期變化，變動(dòng)幅值不大。

覆巖的碎脹性可由移動(dòng)層高的差值與空隙高差值比表征，分別分析回采過(guò)程中累計(jì)及移動(dòng)層高的差值與空隙高差值比，見(jiàn)圖7。煤層回采85 cm時(shí)，移動(dòng)層高為32 cm，煤層回采90 cm時(shí)，移動(dòng)層高為47 cm。分析煤層回采過(guò)程中空隙高差比上移動(dòng)層高差的值與移動(dòng)層高關(guān)系可知，移動(dòng)層高為32 cm時(shí)其值平穩(wěn)較大，移動(dòng)層高達(dá)到47 cm時(shí)其值有較大下降并持續(xù)下降，可以得出覆巖高32 cm時(shí)巖石碎脹性較大，其裂隙也發(fā)育，高出32 cm后覆巖碎脹性較小其裂隙發(fā)育也不充分。由此可以得出裂隙帶上限高為32 cm，實(shí)際為64 m。

圖6 采距與移動(dòng)層高、空隙高關(guān)系

圖7 移動(dòng)層高與比值關(guān)系

4.4 覆巖“三帶”判定

理論分析、數(shù)值模擬和模型實(shí)驗(yàn)得到覆巖“三帶”高度對(duì)比見(jiàn)圖8。以堅(jiān)硬的石灰?guī)r高度為準(zhǔn)，確定垮落帶高18 m，裂隙帶高66 m。

圖8 “三帶”高度對(duì)比示意圖

5 結(jié) 論

理論分析、數(shù)值模擬和模型實(shí)驗(yàn)得到覆巖“三帶”高度基本一致，以堅(jiān)硬的石灰?guī)r高度為準(zhǔn)，確定垮落帶高18 m，裂隙帶高66 m，為高抽巷層位選取提供了一定的理論指導(dǎo)。

1) 根據(jù)礦業(yè)控制理論，結(jié)合覆巖巖性及層厚，得到垮落帶高度為14.37～17.25 m，裂隙帶最大高度為54.8～72.6 m。

2) 基于UDEC軟件程序，模擬得到k2石灰?guī)r底板距離煤層頂板18 m為跨落帶高度，k4石灰?guī)r底板距離煤層頂板66 m為裂隙帶，66 m以上為彎曲下沉帶。

3) 根據(jù)相似模型實(shí)驗(yàn)得到垮落帶高度為18 m，裂隙帶高度為64 m。