綜放工作面垮落帶高度測(cè)定方法研究

張 峰，車禹恒，題正義，秦洪巖，李佳臻

(1.山西工程技術(shù)學(xué)院 采礦工程系，山西 陽(yáng)泉 045000； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037；3.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000； 4.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 101601)

當(dāng)綜放工作面煤層開(kāi)采后頂板巖層變形超限時(shí)，巖體會(huì)出現(xiàn)斷裂、垮落、片幫和局部冒頂?shù)痊F(xiàn)象，給工作面安全生產(chǎn)帶來(lái)諸多的困難和影響，因此準(zhǔn)確判斷垮落巖體的發(fā)育高度和發(fā)育范圍，提前采取支護(hù)措施，能保證工作面的順利開(kāi)采，降低開(kāi)采過(guò)程中的危險(xiǎn)系數(shù)；同時(shí)，也能為高瓦斯煤層中瓦斯抽采鉆孔精確位置的確定提供依據(jù)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多專家學(xué)者對(duì)垮落帶發(fā)育高度進(jìn)行了大量的研究[1-5]。李煥[6]、王兆豐[7]等采用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算設(shè)計(jì)了高位鉆孔的施工參數(shù)；方前程等[8]采用鉆孔返水計(jì)量法對(duì)相鄰工作面垮落帶高度進(jìn)行測(cè)定，并通過(guò)Matlab軟件對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行線性回歸處理，得到垮落帶高度的計(jì)算公式；王亞楠[9]采用數(shù)值模擬方法對(duì)工作面的垮落帶高度進(jìn)行研究，為工作面周期來(lái)壓、頂板含水層位安全性分析及礦井防沖提供了指導(dǎo)；田靈濤[10]利用彩色鉆孔電視研究了垮落帶發(fā)育高度及范圍，對(duì)礦井瓦斯抽采具有技術(shù)指導(dǎo)意義。現(xiàn)常用的垮落帶高度測(cè)定方法主要有理論計(jì)算、灌水試驗(yàn)和鉆孔電視等，但現(xiàn)場(chǎng)采動(dòng)條件復(fù)雜多變，這些測(cè)定方法常常受到影響，觀測(cè)精度難以保證，而且鉆孔電視的費(fèi)用較高，經(jīng)濟(jì)實(shí)用性較差。因此，尋求一種經(jīng)濟(jì)成本低、精度高的垮落帶測(cè)定方法和測(cè)定裝置，對(duì)煤礦開(kāi)采過(guò)程中的頂板控制和瓦斯抽采設(shè)計(jì)具有重要意義。

筆者依據(jù)工作面采動(dòng)后頂板巖層破斷垮落、彎曲下沉對(duì)采空區(qū)煤層底板施加壓力的情況，結(jié)合采空區(qū)上覆各巖層的厚度和密度，提出了垮落帶發(fā)育高度的測(cè)定方法及計(jì)算公式，并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，以期為類似條件下垮落帶高度的測(cè)定提供參考。

1 測(cè)定方法

1.1 采空區(qū)巖層的破壞規(guī)律

煤層開(kāi)采后采空區(qū)上覆頂板巖層經(jīng)歷了基本頂破斷前的垮落、基本頂破斷回轉(zhuǎn)壓縮垮落巖體、基本頂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)趨于穩(wěn)定3個(gè)階段[11-12]，如圖1所示。

圖1 采空區(qū)煤層底板受到的壓力變化過(guò)程示意圖

第一階段是基本頂破斷前階段，煤層直接頂隨工作面回采而垮落，垮落后的巖石在自重作用下，發(fā)生翻轉(zhuǎn)、堆積，隨著垮落巖體上覆自由空間的減小，巖體垮落的程度和強(qiáng)度都會(huì)降低，由于此階段待垮落巖層的自由下沉空間最大，巖體達(dá)到破斷、垮落的條件最優(yōu)越，所以巖體垮落的速度最快，垮落巖體對(duì)煤層底板的壓力變化速率最大。

第二階段是基本頂破斷回轉(zhuǎn)壓縮采空區(qū)垮落巖體階段，隨著垮落巖體上覆自由空間的減小，當(dāng)基本頂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)觸及垮落的巖體時(shí)，會(huì)對(duì)下部垮落的巖體產(chǎn)生壓縮作用力，使垮落巖體的體積減小，且垮落巖體上覆的自由空間增大，回轉(zhuǎn)部分的巖體也隨之滑移、下落，并充滿采空區(qū)。此時(shí)基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)移動(dòng)會(huì)使煤層底板受力緩慢增大，由于此階段待垮落巖層受到自由下沉空間的限制，回轉(zhuǎn)部分巖體滑移、下落的運(yùn)動(dòng)過(guò)程較為緩慢，使得此階段煤層底板的壓力變化速率較第一階段有所減小。

第三階段是基本頂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)趨于穩(wěn)定的階段，垮落巖體上覆的自由空間較小，上覆巖體不能破斷、垮落，只能出現(xiàn)彎曲下沉，擠壓下部采空區(qū)垮落的巖體，使垮落的巖體在自重和上覆載荷的共同作用下，緩慢壓縮變形，直至垮落的巖體達(dá)到最小殘余碎脹程度，不再發(fā)生變形、移動(dòng)，上覆巖層至地表的移動(dòng)變形達(dá)到充分狀態(tài)，煤層底板的受力也達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，由于上覆巖層彎曲下沉過(guò)程最為緩慢，因此其對(duì)煤層底板的壓力變化速率較前兩個(gè)階段最小，最終的變化速率為0。

1.2 測(cè)定原理

根據(jù)采空區(qū)上覆頂板巖層垮落特征，按照垮落巖體的壓力強(qiáng)度等于垮落帶各巖層厚度與其密度的乘積，能夠反推頂板巖層垮落帶的高度變化過(guò)程，即：

p=γHm

(1)

式中：p為垮落巖體的壓力強(qiáng)度，MPa；γ為垮落巖體上覆巖層密度，kg/m3；Hm為垮落帶高度，m。

垮落帶高度的反演需要依據(jù)垮落巖體的厚度和密度。由于垮落巖體的密度已知，因此只需要測(cè)定垮落巖層的層位即可推算出垮落帶發(fā)育高度。

假設(shè)此時(shí)各巖層垮落巖體的密度為γi(i=1，2，3，…，n)(巖層自下而上)，對(duì)應(yīng)各垮落巖體的巖層厚度為si(i=1，2，3，…，n)。采空區(qū)頂板巖層結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 采空區(qū)頂板巖層結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 垮落帶發(fā)育高度測(cè)定流程圖

垮落帶的計(jì)算公式如下：

(2)

2 測(cè)定裝置

垮落帶高度測(cè)定裝置由信號(hào)接收裝置、信號(hào)線、壓力監(jiān)測(cè)片和外部保護(hù)裝置等部分構(gòu)成，如圖4 所示。

1—信號(hào)接收器；2—輸出信號(hào)線；3—保護(hù)殼；4—壓力盒；5—彈簧；6—鐵板。

壓力監(jiān)測(cè)片將測(cè)定的煤層底板壓力轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率信號(hào)，經(jīng)信號(hào)線傳輸?shù)叫盘?hào)接收裝置，信號(hào)接收裝置將接收的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫χ?，直接顯現(xiàn)在儀器終端顯示器上，根據(jù)壓力值的變化反演采空區(qū)上覆巖層的垮落高度和范圍。

采用GSJ-2A型便攜式多功能電腦監(jiān)測(cè)儀作為信號(hào)傳輸、終端接收裝置，GH45型振弦式壓力盒[13-14]測(cè)試壓力，放置壓力盒的裝置是自制的可伸縮壓縮裝置，此裝置上下采用0.1 cm的鐵板制作，四角位置布設(shè)可伸縮的彈簧(WL20-20)，能夠使鐵板在受力的情況下靈敏下移，將鐵板上覆施加的作用力傳遞至壓力盒上，將壓力盒承受采空區(qū)垮落巖石的垂直作用力轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，通過(guò)電纜傳輸?shù)紾SJ-2A電腦監(jiān)測(cè)儀上，電腦監(jiān)測(cè)儀利用其內(nèi)部的數(shù)學(xué)計(jì)算模型將頻率信號(hào)反演為壓力值，直接顯示壓力盒受到的實(shí)時(shí)壓力值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面采空區(qū)垮落帶發(fā)育高度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

設(shè)置外部保護(hù)裝置可增大壓力盒的受力面積，提高監(jiān)測(cè)結(jié)果的精度；保護(hù)壓力盒不被垮落巖體砸壞。

根據(jù)監(jiān)測(cè)的壓力值、垮落巖層厚度、密度和壓力盒鋼弦表面積之間的關(guān)系式，計(jì)算出上覆巖層垮落巖體的厚度。壓力盒的壓力強(qiáng)度p與壓力值F的關(guān)系如下：

(3)

式中：F為壓力盒監(jiān)測(cè)的壓力值，kN；A為壓力盒鋼弦的表面積，m2。

根據(jù)式(1)、式(2)的關(guān)系，將式(3)代入式(2)，得到測(cè)定裝置的垮落帶高度計(jì)算公式：

(4)

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

以大平礦N1S2綜放工作面為例，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析采動(dòng)過(guò)程中采空區(qū)覆巖垮落帶高度及特征。

3.1 測(cè)試點(diǎn)布置

N1S2綜放工作面采用長(zhǎng)壁后退式綜采放頂煤回采工藝，工作面推進(jìn)長(zhǎng)度1 392 m，工作面長(zhǎng)度 227 m，采高14.74 m，煤層傾角5°～9°(平均7°)，埋深430 m。在N1S2工作面共布置2個(gè)測(cè)試點(diǎn)，1#測(cè)試點(diǎn)設(shè)置在距終采線53 m、距運(yùn)輸巷外幫20 m處；2#測(cè)試點(diǎn)設(shè)置在距終采線58 m、距運(yùn)輸巷外幫80 m處；2個(gè)測(cè)試點(diǎn)位置設(shè)備安裝運(yùn)行調(diào)試完成時(shí)工作面的運(yùn)輸巷距終采線50 m，回風(fēng)巷距終采線66 m，工作面從此位置推進(jìn)至終采線用時(shí)30 d，共計(jì)觀測(cè)36 d。N1S2工作面覆巖壓力變化監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。

N1S2工作面的綜合柱狀圖如圖6所示。

3.2 測(cè)試結(jié)果與分析

對(duì)N1S2綜放工作面采動(dòng)過(guò)程中各測(cè)試點(diǎn)的壓力值進(jìn)行觀測(cè)、記錄，根據(jù)各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的壓力值觀測(cè)結(jié)果，將其換算為垮落帶高度，結(jié)果見(jiàn)表1～2。

表1 1#測(cè)試點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

表2 2#測(cè)試點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

3.2.1 1#壓力測(cè)試點(diǎn)結(jié)果分析

由表1中1#測(cè)試點(diǎn)處垮落帶高度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出：在測(cè)試點(diǎn)安設(shè)后第1 d(03-31)，監(jiān)測(cè)壓力盒的壓力值即達(dá)到80 kN，垮落巖體的高度為3.26 m，說(shuō)明煤層開(kāi)采后壓力盒上覆的偽頂立即出現(xiàn)了垮落。

第2 d觀測(cè)時(shí)壓力盒的壓力值增大至440 kN，垮落巖體的高度達(dá)到18.01 m，說(shuō)明壓力盒上覆巖體受采動(dòng)影響和采空區(qū)較大面積懸頂導(dǎo)致頂板破碎、巖體垮落現(xiàn)象明顯，結(jié)合圖6可知頂板上覆的油頁(yè)巖層段基本垮落完畢。

第3 d至第20 d觀測(cè)期間，監(jiān)測(cè)壓力盒上的壓力值由440 kN增大到1 554 kN，上覆垮落巖體的高度上升至63.65 m，說(shuō)明未垮落巖層受臨界載荷、自由下沉空間高度和采動(dòng)影響，導(dǎo)致上覆巖體逐步垮落，充填至采空區(qū)。

直到第30 d時(shí)垮落巖體的高度都未再發(fā)生變化,表明隨著采空區(qū)上覆巖體垮落，采空區(qū)逐漸被垮落的巖體充滿，垮落巖體上覆的自由下沉空間高度和巖層的臨界載荷未滿足巖層垮落的要求，垮落巖體上覆的巖層沒(méi)有再發(fā)生垮落，也沒(méi)有與已垮落的巖體接觸。

第31 d至第36 d觀測(cè)期間，發(fā)現(xiàn)壓力盒上的壓力值繼續(xù)增大，但增大趨勢(shì)較之前偏小，說(shuō)明壓力盒上垮落巖體上覆的巖層受采動(dòng)影響、自由下沉空間高度限制和臨界載荷限制沒(méi)有發(fā)生破斷、垮落現(xiàn)象，僅出現(xiàn)整體下沉，向垮落的巖體擠壓，使壓力盒上的壓力值出現(xiàn)持續(xù)增大現(xiàn)象。由此可認(rèn)為壓力盒上覆巖體垮落的高度為63.65 m。

由于該壓力測(cè)試點(diǎn)距運(yùn)輸巷外幫僅有20 m，受運(yùn)輸巷邊界處隔離煤柱影響，壓力盒上垮落巖體上覆巖層的彎曲下沉類似于懸臂梁結(jié)構(gòu)，致使壓力盒上測(cè)得的垮落巖體高度比垮落帶實(shí)際高度小。

3.2.2 2#壓力測(cè)試點(diǎn)結(jié)果分析

由表2中2#測(cè)試點(diǎn)處垮落帶高度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合1#測(cè)試點(diǎn)的分析過(guò)程可知：測(cè)試點(diǎn)在安設(shè)后第 20 d 壓力盒上覆垮落巖體的高度增大至88.65 m后，直到第30 d時(shí)垮落巖體的高度都未再發(fā)生變化。表明隨著采空區(qū)上覆巖體垮落，采空區(qū)逐漸被垮落的巖體充滿，垮落巖體上覆的自由下沉空間高度和臨界載荷未滿足巖層垮落的要求，垮落巖體上覆的巖層沒(méi)有再發(fā)生垮落，也沒(méi)有與已垮落的巖體接觸。第31 d至第36 d觀測(cè)壓力盒上的壓力值繼續(xù)增大，但增大趨勢(shì)較之前偏小，說(shuō)明壓力盒上垮落巖體上覆的巖層受采動(dòng)影響、自由下沉空間高度限制和臨界載荷限制沒(méi)有發(fā)生破斷、垮落現(xiàn)象，僅出現(xiàn)彎曲下沉，向垮落的巖體擠壓，使壓力盒上的壓力值出現(xiàn)持續(xù)增大現(xiàn)象。由此可認(rèn)為壓力盒上覆巖體垮落的高度為88.65 m。

根據(jù)垮落帶高度的特征，綜合2個(gè)測(cè)試點(diǎn)的垮落巖體發(fā)育高度的大小和變化規(guī)律，確定N1S2工作面采空區(qū)最大垮落帶高度為88.65 m。

4 鉆孔沖洗液法測(cè)量垮落帶高度

為了驗(yàn)證上述測(cè)定方法的準(zhǔn)確度，采用鉆孔沖洗液耗失量法觀測(cè)覆巖破壞情況[15-17]，確定垮落帶發(fā)育高度。N1S2綜放工作面觀測(cè)鉆孔布設(shè)如圖7所示，鉆孔施工參數(shù)如表3所示。

圖7 N1S2綜放工作面觀測(cè)鉆孔布置圖

表3 鉆孔施工參數(shù)

1)巖層采動(dòng)離層

當(dāng)鉆進(jìn)至離層、破碎巖層時(shí)，鉆孔沖洗液出現(xiàn)了短時(shí)性漏失量大，水位下降，以及卡、掉鉆等現(xiàn)象。1#孔鉆至深度180.35～182.85 m、2#孔鉆至深度171.45～178.65 m、3#孔鉆至深度185.03～189.25 m時(shí)，遇到厚層砂礫巖下的離層、破碎巖層。

2)采動(dòng)斷裂巖層

當(dāng)鉆進(jìn)至該區(qū)域破壞巖層時(shí)，鉆孔沖洗液會(huì)持續(xù)流失，耗失量大增，水位居高不下。1#、2#、3#孔分別鉆進(jìn)至223.92、210.80、231.51 m深度時(shí)，均出現(xiàn)了這一現(xiàn)象，判定鉆孔進(jìn)入導(dǎo)水?dāng)嗔褞А?/p>

3)采動(dòng)垮落巖層

巖層破壞垮落后，其完整性喪失?？迓淦茐牡膸r塊間出現(xiàn)大量的孔隙，既導(dǎo)水，又蓄水。當(dāng)鉆進(jìn)至該區(qū)域時(shí)，鉆孔沖洗液不僅耗失量大、水位高，還有明顯的卡鉆等現(xiàn)象，甚至可聽(tīng)到蜂鳴聲。1#、2#、3#孔分別鉆進(jìn)至368.02、341.80、374.21 m深度時(shí)，出現(xiàn)了這一現(xiàn)象，分析判斷鉆孔已進(jìn)入了垮落帶。由此，結(jié)合垮落巖體拱形發(fā)育特征和煤層埋深，可以計(jì)算出垮落帶高度為88.20 m。

鉆孔沖洗液測(cè)得的垮落帶高度(88.20 m)與前述測(cè)定方法測(cè)得的垮落帶高度(88.65 m)的絕對(duì)誤差為0.45 m，相對(duì)誤差僅為0.51%，誤差較小，說(shuō)明使用該方法測(cè)定垮落帶高度具有較高的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

5 結(jié)論

1)依據(jù)工作面采動(dòng)后頂板巖層破斷垮落、彎曲下沉對(duì)采空區(qū)煤層底板施加應(yīng)力的情況，結(jié)合采空區(qū)上覆各巖層的厚度和密度，提出了垮落帶發(fā)育高度的測(cè)定方法及計(jì)算公式，并設(shè)計(jì)了測(cè)定裝置。

2)利用所提出的測(cè)定方法測(cè)得的垮落帶高度為 88.65 m，鉆孔沖洗液法測(cè)得的垮落帶高度為88.20 m，二者絕對(duì)誤差為0.45 m，相對(duì)誤差僅為0.51%，誤差較小，表明采用該測(cè)定方法推測(cè)的垮落帶高度具有較高的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。