巨厚煤層綜放工作面覆巖“三帶”演化特征

孟祥軍，林海飛，王 超，趙鵬翔，王緒友，寧廷州，邱春亮，安學(xué)東，楊俊生，孫紅星

（1.兗礦集團(tuán)有限公司，山東 鄒城273500；2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710054）

隨著我國煤礦開采深度的不斷加深，覆巖應(yīng)力逐漸增強(qiáng)，并伴隨著沖擊地壓、瓦斯災(zāi)害的頻繁發(fā)生，給礦井的安全生產(chǎn)帶來了巨大的威脅。由于我國中西部煤層瓦斯賦存均具有“三高三低”的特征，地面抽采以及井下瓦斯預(yù)抽效果并不理想。而采動(dòng)影響下覆巖裂隙形成瓦斯運(yùn)移通道，在瓦斯運(yùn)移通道中可以提高瓦斯的抽采效率。因此研究煤層采動(dòng)后覆巖裂隙發(fā)育形態(tài)及分布范圍十分有必要[1-2]。許多學(xué)者對(duì)采動(dòng)覆巖裂隙演化開展了大量研究。錢鳴高[3-4]提出了采場(chǎng)上覆巖層中基本頂巖層破斷的“砌體梁”結(jié)構(gòu)力學(xué)模型和“關(guān)鍵層”理論。宋振騏[5]通過對(duì)采場(chǎng)圍巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律和壓力的研究，提出了“傳遞巖梁”理論。袁亮[6-8]與林柏泉[9]等提出了“頂板環(huán)形裂隙圈”與“回”形圈分布特征。劉天泉[10-11]提出“橫三區(qū)”、“豎三帶”理論。李樹剛[12-14]提出覆巖采動(dòng)裂隙在空間上的分布是1個(gè)“橢拋帶”形態(tài)。黃慶享[15]提出采空區(qū)上覆巖層的“四帶”：“垮落帶、塊體鉸接帶、似連續(xù)帶和彎曲下沉帶”。Bai M[16]、Palchik V[17]等將采動(dòng)覆巖分為3個(gè)區(qū)域：垮落帶、斷裂帶、連續(xù)變形帶。林海飛[18-19]提出采場(chǎng)覆巖裂隙發(fā)育演化規(guī)律及其形態(tài)可用“采動(dòng)裂隙圓矩梯臺(tái)帶”的工程簡化模型來表征。劉洪永[20]、趙鵬翔[21]等通過模擬試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，基于采動(dòng)裂隙橢拋帶理論，構(gòu)建了采動(dòng)優(yōu)勢(shì)瓦斯通道帶的時(shí)空形態(tài)理論模型。由于采動(dòng)覆巖裂隙受眾多因素影響，難以運(yùn)用1種規(guī)律進(jìn)行描述；且以往的研究大多是以中、厚煤層為研究對(duì)象，而對(duì)巨厚煤層研究較少，因此以硫磺溝（9-15）06工作面為背景，通過二維物理相似試驗(yàn)探究巨厚煤層綜放工作面覆巖裂隙演化特征。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)與制作

1.1 試驗(yàn)原型

《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定8 m以上的煤層稱為特厚煤層，然而隨著煤炭資源勘查力度的增大，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于8 m以上的厚煤層，因此，煤層的厚度定義應(yīng)根據(jù)實(shí)際煤層厚度及現(xiàn)有開采技術(shù)能力而有所調(diào)整。許猛堂確定煤厚超過20 m以上的煤層為巨厚煤層，試驗(yàn)?zāi)M西山窯組下段下部的9-15號(hào)煤層，9-15號(hào)煤層是井田唯一巨厚煤層，且為穩(wěn)定煤層，頂板以粉砂巖、泥巖為主；底板以泥巖、粉砂巖為主，煤厚23.3～25.6 m，平均25.4 m。

1.2 相似參數(shù)的確定

在研究采動(dòng)覆巖演化規(guī)律的物理相似模擬試驗(yàn)中，要實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)現(xiàn)象與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)象的相似必須滿足幾何相似、動(dòng)力相似和運(yùn)動(dòng)相似這3個(gè)條件，為了更好的提高模型與原型匹配度，根據(jù)試驗(yàn)要求，計(jì)算得到相似常數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)?zāi)M相似常數(shù)Table 1 Test simulation sim ilarity constants

1.3 模型制作

選擇合適的實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行物理相似模擬試驗(yàn)，是試驗(yàn)成功的基礎(chǔ)。選擇沙子作為骨料，石膏和淀粉作為膠結(jié)材料，因?yàn)槭?、淀粉和沙子在混合攪拌后所呈現(xiàn)出的硬化特性為制作得到的模型巖層強(qiáng)度提供了一定的保證，云母作為模型分層材料。模型材料如圖1。

圖1 模型材料Fig.1 M odelmaterials

試驗(yàn)過程如下：

1）模型搭建。用不同配比下的煤、沙子、石膏和淀粉進(jìn)行配制來模擬巖層，進(jìn)行模型搭建。

2）模型干燥。將搭建完成的模型進(jìn)行晾干，并布置相應(yīng)的位移測(cè)點(diǎn)與加載相應(yīng)的配重。測(cè)線布置圖如圖2。

圖2 測(cè)線布置圖Fig.2 Layout of the survey line

3）模型開采。工作面開采時(shí)記錄每次來壓后位移測(cè)點(diǎn)的位移量與離層、破斷裂隙等物理量。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 覆巖垮落形態(tài)

隨著工作面的推進(jìn)，上覆巖層受采動(dòng)影響，會(huì)形成“三帶”：垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶。垮落帶位置處于工作面附近，基本直接接觸煤層，處于這一范圍內(nèi)的巖層由于煤層采高問題，隨著工作面推進(jìn)掉落下來時(shí)易碎，且分布雜亂，垮落帶上方是裂隙帶，這一范圍內(nèi)的巖層，較于垮落帶巖層分布規(guī)則，且?guī)r層內(nèi)部存在許多裂隙，但是巖層有其原本的連續(xù)性。裂隙帶上方是彎曲下沉帶，其只有工作面推進(jìn)距足夠長時(shí)才會(huì)顯現(xiàn)，相較于裂隙帶此范圍內(nèi)巖層裂隙發(fā)育一般，且會(huì)有離層現(xiàn)象。覆巖“三帶”各自范圍內(nèi)巖層特性影響著采煤工作面的礦壓顯現(xiàn)特征。

本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛶缀蜗嗨票葹?∶200，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，巨厚煤層綜放采煤工作面模型實(shí)驗(yàn)，模擬煤層25 m，工作面共推進(jìn)210 m，周期來壓9次，各個(gè)周期來壓覆巖形態(tài)如圖3。

圖3 各個(gè)周期來壓覆巖形態(tài)Fig.3 Pressing each cycle

根據(jù)各個(gè)周期來壓所對(duì)應(yīng)的推進(jìn)距離對(duì)（9-15）06工作面采空區(qū)覆巖裂隙分布形態(tài)進(jìn)行劃分，采空區(qū)覆巖裂隙形態(tài)如圖4，由于煤厚與試驗(yàn)自身局限性，本次試驗(yàn)可以觀察到完整的垮落帶形態(tài)。

圖4 采空區(qū)覆巖裂隙形態(tài)Fig.4 The shape of overlying cracks in goaf

2.2 下沉量變化特征

上覆巖層受采動(dòng)影響，其受到應(yīng)力作用發(fā)生彎曲變形，隨著工作面的不斷推進(jìn)，上覆巖層會(huì)垮落進(jìn)而產(chǎn)生豎直方向的位移，上覆巖層各測(cè)點(diǎn)的下沉值如圖5。由圖5得到，第2排測(cè)線與第3排測(cè)線間距較大，由此可以推斷得出：第3排測(cè)線下方為垮落帶，進(jìn)而得到（9-15）06工作面巨厚煤層覆巖垮落帶模型試驗(yàn)高度為60 m。

300余名汽車后市場(chǎng)專家人士出席了本次活動(dòng)，中國汽車維修行業(yè)協(xié)會(huì)常務(wù)副秘書長王逢鈴、廣東省道路運(yùn)輸協(xié)會(huì)機(jī)動(dòng)車檢測(cè)分會(huì)會(huì)長羅少澤、迪威歐亞董事長劉曉冰分別為會(huì)議致辭。會(huì)上眾多行業(yè)領(lǐng)軍人物針對(duì)維修連鎖、汽車配件供應(yīng)鏈等話題發(fā)表演講。放心聯(lián)合認(rèn)證中心董事長底彥彬發(fā)表以中國汽車維修連鎖產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析為主題演講；北京新汽聯(lián)科技有限公司CEO張科發(fā)表了以中國汽車配件產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈發(fā)展機(jī)遇為主題的演講隨后，駟惠科技董事長項(xiàng)展洲介紹了CAASA軟件聯(lián)盟。進(jìn)入圓桌論壇環(huán)節(jié)，CAASA成員單位代表圍繞“汽車技術(shù)企業(yè)發(fā)展趨勢(shì)及行業(yè)責(zé)任”展開深入探討。汽車照明協(xié)會(huì)會(huì)長秦立慶以維修與供應(yīng)鏈場(chǎng)景下的科技創(chuàng)新為題發(fā)表演講。

圖5 覆巖彎曲下沉量曲線Fig.5 Overlying rock bending and sinking

3 討論

3.1 采動(dòng)覆巖破斷裂隙分布規(guī)律

通過對(duì)在不同推進(jìn)距離下裂隙密度的變化來描述采動(dòng)覆巖裂隙的演化過程。根據(jù)物理相似模擬試驗(yàn)中記錄的數(shù)據(jù)：不同推進(jìn)距離與其所對(duì)應(yīng)的破斷裂隙條數(shù)，得到各個(gè)水平方向上的裂隙密度。

3.1.1 覆巖水平破斷裂隙密度分布特征

水平裂隙密度分布圖如圖6，當(dāng)工作面距煤柱100 m左右時(shí)，裂隙密度最大，但是伴隨著工作面的再次向前推進(jìn)，裂隙密度緩慢下降。這是因?yàn)殡S著工作面的不斷推進(jìn)，垮落帶不斷發(fā)育，破斷裂隙不斷向上發(fā)育，裂隙密度也會(huì)隨之升高。當(dāng)工作面再次向前推進(jìn)時(shí)，垮落帶發(fā)育至最大高度，覆巖向上進(jìn)入裂隙帶，相較于之前破斷裂隙發(fā)育緩慢，裂隙密度也隨之下降。綜上所述，裂隙密度在采空區(qū)中部達(dá)到最大，并且覆巖破斷裂隙密度在水平上分布表現(xiàn)為一個(gè)拋物線。

圖6 水平裂隙密度分布圖Fig.6 Horizontal crack density distribution

3.1.2 覆巖垂直破斷裂隙密度分布特征

工作面推進(jìn)至210 m時(shí)，根據(jù)所收集到的垮落巖層和各巖層破斷裂隙數(shù)據(jù)，繪制的距煤層底板不同距離時(shí)的裂隙密度如圖7。從圖7可知，隨著距煤層底板距離的升高，破斷裂隙密度不斷減小，當(dāng)距離底板60 m時(shí)裂隙密度的下降趨勢(shì)趨于平緩。造成以上現(xiàn)象的原因距煤層底板60 m范圍內(nèi)的垮落巖層位于垮落帶中，裂隙密度較大，當(dāng)距煤層底板距離超過60 m時(shí)，垮落巖層高度超過垮落帶的最大高度，裂隙密度明顯降低，并且變化趨于平穩(wěn)。

圖7 推進(jìn)至210 m垂直裂隙密度分布圖Fig.7 Vertical crack density distribution

3.2 離層量分布規(guī)律

根據(jù)工作面采動(dòng)后各巖層間的豎向位移計(jì)算得到采空區(qū)覆巖離層量分布，根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到采空區(qū)離層量分布呈內(nèi)低外高，離層量如圖8。

圖8 離層量圖Fig.8 Amount of delam ination

由圖8可以看出，隨著工作面距煤柱距離的增大，離層量分布特征可以劃分為3個(gè)區(qū)域。

1）第1個(gè)區(qū)域。第1個(gè)區(qū)域在距煤柱20 m到60 m之間，在此區(qū)域范圍內(nèi)，從切眼側(cè)開始由于附近的巖層可以受到煤柱的支撐作用，進(jìn)而使巖層垮落、彎曲程度變小，導(dǎo)致巖層離層量數(shù)值較小，隨著工作面推進(jìn)，其距離切眼的距離增大，上覆巖層由于空洞、煤厚且在應(yīng)力的多重作用下開始出現(xiàn)大幅度彎曲變形及大量垮落，導(dǎo)致垮落巖層的平均離層量開始逐漸增大，隨著距離增大離層量增加到一定程度，由于采空區(qū)下部已垮落巖層受周期來壓作用進(jìn)一步被壓實(shí)，進(jìn)而導(dǎo)致新生離層裂隙數(shù)量也隨之減小，當(dāng)新生裂隙數(shù)值小于被壓實(shí)的離層裂隙數(shù)量時(shí)，離層量便又隨之逐漸減小，第1個(gè)區(qū)域就是采空區(qū)已垮落巖層的裂隙區(qū)。

2）第2個(gè)區(qū)域。因?yàn)殡S著工作面距離煤柱的距離增大，下部垮落巖層大量被壓實(shí)，上覆巖層垮落的空洞高度開始逐漸減小，上覆巖層由于受到下部垮落巖層的作用，導(dǎo)致其彎曲下降程度逐漸減小，剩余離層裂隙之間間隔開始減小，因此離層量處于較小的一個(gè)水平，并且離層量隨著距切眼距離的增大整體有較小程度的上下浮動(dòng)變化，此區(qū)域主要是采空區(qū)已垮落巖層的壓實(shí)區(qū)。

3.3 采動(dòng)覆巖“三帶”高度計(jì)算公式優(yōu)化

3.3.1 覆巖碎脹系數(shù)計(jì)算

工作面采動(dòng)后，上覆巖層受其影響出現(xiàn)破裂，且已垮落巖塊間接觸面存在空隙，導(dǎo)致受破裂影響后的巖體體積大于未受影響前的巖體體積。為定理描述此變化特征，計(jì)算得覆巖碎脹系數(shù)Kp為1.39。

式中：V′為破裂后的巖體體積；V為未破壞狀態(tài)下的巖體體積；M為開采高度，25 m；hn第n排測(cè)線與煤層頂板變形前距離，m；△Wn為第n排測(cè)線測(cè)點(diǎn)下沉值，m。

3.3.2 垮落帶高度計(jì)算

根據(jù)覆巖性質(zhì)的不同，采空區(qū)垮落帶最大高度一般采用經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式[22]，但覆巖受彎曲下沉、破裂變形等影響，垮落帶的理論計(jì)算值往往偏高，且隨煤層厚度此因素表現(xiàn)更加明顯，因此對(duì)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式進(jìn)行優(yōu)化，得式（2），以減少巨厚煤層計(jì)算誤差。

式中：Hm為垮落帶高度，m；M為工作面開采煤厚，試驗(yàn)取25 m；Kp為巖層垮落的碎脹系數(shù)，取1.39；Kmax=1.4；α為煤層傾角，試驗(yàn)工作面煤層傾角取0°。

將以上參數(shù)代入式（2），得工作面垮落帶高度為63.29 m，試驗(yàn)?zāi)Ｐ透叨葹?0 m。因此說明式（2）用于計(jì)算垮落帶高度有一定的準(zhǔn)確性。

4結(jié)論

1）采空區(qū)巖層形成垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶“三帶”，通過對(duì)覆巖下沉量及覆巖形態(tài)分析得到硫磺溝（9-15）06工作面巨厚煤層覆巖垮落帶高度為60 m，并對(duì)巨厚煤層垮落帶最大高度計(jì)算公式進(jìn)行優(yōu)化。

2）工作面覆巖水平裂隙密度隨推進(jìn)距增加呈現(xiàn)1個(gè)拋物線分布，采空區(qū)覆巖垂直裂隙密度隨巖層距煤層底板距離增大，不斷下降，但當(dāng)其距離超過垮落帶最大高度，其密度會(huì)驟降且趨于穩(wěn)定。

3）采空區(qū)離層量由于受“橫三區(qū)”巖層分布特點(diǎn)影響，總體分布呈現(xiàn)“兩側(cè)高中間低”。