煤層傾角對(duì)仰斜工作面覆巖壓實(shí)區(qū)裂隙演化規(guī)律的影響

趙鵬翔，劉李東，李樹(shù)剛,2，徐培耘，李 剛，魏宗勇,2，賈永勇

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.新疆維吾爾自治區(qū)煤炭科學(xué)研究所，新疆 烏魯木齊 830091)

0 引 言

我國(guó)煤層賦存條件差異大、整體透氣性差，瓦斯直接抽采效果不佳，因此卸壓瓦斯抽采顯得十分重要[1-3]。而采動(dòng)覆巖壓實(shí)區(qū)對(duì)卸壓瓦斯抽采系統(tǒng)的各項(xiàng)布置參數(shù)具有重要的影響，掌握其相關(guān)規(guī)律有助于提高抽采系統(tǒng)的瓦斯治理效果。目前，圍繞采后巖層變化特征及其最終形態(tài)，李樹(shù)剛等[4-6]通過(guò)物理相似模擬及數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，煤層開(kāi)采之后采動(dòng)覆巖裂隙空間形態(tài)可以用橢拋帶表征。伍永平等[7-9]、來(lái)興平等[10-12]、羅生虎等[13-14]建立了大傾角煤層走向長(zhǎng)壁開(kāi)采巖體結(jié)構(gòu)空間模型，對(duì)非對(duì)稱(chēng)煤巖的滑落失穩(wěn)，進(jìn)而誘發(fā)動(dòng)力學(xué)災(zāi)害的機(jī)理進(jìn)行了深入分析，并確定了維持大傾角工作面穩(wěn)定性的區(qū)段煤柱合理尺寸。徐玉勝等[15]結(jié)合卸荷巖體力學(xué)與損傷力學(xué)分析研究了采高對(duì)采空區(qū)頂板卸荷及瓦斯通道演化的影響，得到了不同采高下瓦斯通道的卸荷損傷范圍。劉洪永等[16]結(jié)合數(shù)值仿真對(duì)不同推進(jìn)速度下的優(yōu)勢(shì)瓦斯通道的誘導(dǎo)與控制作用進(jìn)行研究，建立了采動(dòng)優(yōu)勢(shì)瓦斯通道帶的時(shí)空形態(tài)理論模型?；陉P(guān)鍵層理論，吳仁倫等[17]就工作面寬度對(duì)煤層群開(kāi)采瓦斯卸壓運(yùn)移“三帶”范圍的影響進(jìn)行了深入研究，提出不同的工作面寬度將極大地影響覆巖關(guān)鍵層的移動(dòng)、破壞形態(tài)，進(jìn)而進(jìn)一步影響瓦斯卸壓運(yùn)移“三帶”范圍。張春雷等[18]結(jié)合UDEC數(shù)值模擬對(duì)近距離煤層群開(kāi)采不同層間巖層結(jié)構(gòu)下圍巖裂隙演化規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)亞關(guān)鍵層的層數(shù)、位置會(huì)影響覆巖裂隙的發(fā)育和分布，但不會(huì)影響裂隙的發(fā)展高度。7目前從上覆巖層的厚度[19-20]、強(qiáng)度[21-23]以及關(guān)鍵層層位[24]、工作面的采高[25-26]、推進(jìn)速度[27]、推進(jìn)距離[28]等方面對(duì)采動(dòng)覆巖裂隙的演化規(guī)律及機(jī)理的研究較多，但煤層傾角這一對(duì)覆巖垮落形態(tài)及規(guī)律的重要影響因素開(kāi)展研究較少。以山西和順某高瓦斯煤礦主采工作面為試驗(yàn)原型，研究在不同煤層傾角條件下仰斜綜采工作面覆巖裂隙網(wǎng)絡(luò)壓實(shí)區(qū)的演化規(guī)律，并結(jié)合采動(dòng)覆巖裂隙橢拋帶理論，構(gòu)建考慮煤層傾角的采動(dòng)覆巖裂隙演化模型，為仰斜綜采工作面卸壓瓦斯富集區(qū)精準(zhǔn)探測(cè)提供一定的基礎(chǔ)。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)依據(jù)

試驗(yàn)以山西和順某高瓦斯煤礦主采工作面為原型，開(kāi)采水平為+1 150 m，平均埋深410 m，煤層平均厚度5.1 m，工作面采用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化一次采全高采煤法。直接頂為泥巖，局部含有砂質(zhì)；基本頂為中砂巖。試驗(yàn)采用平面走向模型，煤巖層物理力學(xué)參數(shù)及上覆巖層高度見(jiàn)表1、表2。

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical-mechanical parameters of coal and rock

表2 上覆巖層模擬高度Table 2 Simulation height of overlying strata

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)利用自主研發(fā)的變化自角物理相似模擬試驗(yàn)臺(tái)(圖1)，搭建相似比例為1∶100的物理模型。首先，在試驗(yàn)臺(tái)底部均勻鋪設(shè)適宜的應(yīng)力傳感器，然后，按試驗(yàn)具體要求將模型搭建在其上方，待模型自然風(fēng)干后，再布置相應(yīng)的位移測(cè)點(diǎn)及頂部配重。根據(jù)物理相似模擬的特點(diǎn)，模型需滿(mǎn)足幾何、容重、應(yīng)力、時(shí)間、強(qiáng)度以及泊松比相似的條件，見(jiàn)表3。

表3 模型相似常數(shù)Table 3 Similarity constant of model

圖1 物理相似模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.1 Physically similar simulation test model

通過(guò)調(diào)整試驗(yàn)平臺(tái)的角度(0°、15°、30°)，搭建3個(gè)只有傾角不同的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。在模擬工作面推進(jìn)時(shí)，兩側(cè)先各留寬10 cm煤柱，然后分別按2、3 cm依次循環(huán)推進(jìn)的形式沿煤層走向方向仰斜回采。每次開(kāi)采完成后，待巖層活動(dòng)穩(wěn)定之后拍照記錄，并測(cè)量各位移測(cè)點(diǎn)的下沉量以及巖層的離層量。同時(shí)，通過(guò)預(yù)先埋設(shè)的應(yīng)力傳感器采集煤層底板應(yīng)力。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 上覆巖層來(lái)壓規(guī)律

工作面回采過(guò)程中，采空區(qū)上覆巖層內(nèi)的原始應(yīng)力遭到破壞，當(dāng)工作面推進(jìn)到一定距離時(shí)，高層位巖層逐漸產(chǎn)生彎曲斷裂，加大了低水平巖層的豎向受力。同時(shí)下方懸臂梁隨工作面的推進(jìn)不斷變長(zhǎng)，導(dǎo)致下部巖層無(wú)法承受上部巖層的應(yīng)力作用而產(chǎn)生周期性垮落，如圖2所示。

圖2 來(lái)壓分布Fig.2 Distribution of periodic pressure

不同煤層傾角條件下周期來(lái)壓顯現(xiàn)時(shí)的推進(jìn)距離不同，0°的平均來(lái)壓步距為12.5 m，分別是15°以及30°的1.08、1.20倍。壓實(shí)區(qū)是采空區(qū)上覆巖層受采動(dòng)影響垮落堆積后，其中瓦斯?jié)B透、運(yùn)移明顯更困難的局部區(qū)域，一般在1～2次周期來(lái)壓后初步形成。煤層傾角越大，周期來(lái)壓到來(lái)所需推進(jìn)距離越短，因此，壓實(shí)區(qū)的發(fā)育周期不斷變短，為之后的緩慢充分的發(fā)育提供了更為充足的時(shí)間。

2.2 覆巖離層量分布規(guī)律

覆巖離層量即相鄰巖層間的裂隙寬度，是定量描述采動(dòng)過(guò)程中覆巖離層的動(dòng)態(tài)變化的重要指標(biāo)。覆巖離層量分布如圖3所示，在受采動(dòng)影響的采空區(qū)邊緣，覆巖的離層量較大，而采空區(qū)中部因高層位的巖層破斷及垮落，擠壓低層位的巖層，迫使離層裂隙壓縮變窄，甚至閉合，從而離層量較小。根據(jù)文獻(xiàn)[6]中對(duì)壓實(shí)區(qū)的判定準(zhǔn)則，即壓實(shí)區(qū)采動(dòng)覆巖離層量相對(duì)于兩側(cè)邊界較小且在采空區(qū)底板會(huì)形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，兩者結(jié)合可判定壓實(shí)區(qū)邊界。因此，結(jié)合圖3，可大致判定中部的壓實(shí)區(qū)和邊界的裂隙區(qū)所在區(qū)域。

圖3 覆巖離層量分布Fig.3 Abscission layer distribution of rock

由于裂隙區(qū)的離層量普遍大于壓實(shí)區(qū)，故在二者交界區(qū)域離層量的大小會(huì)有較明顯的變化。隨著煤層傾角的增加，中部壓實(shí)區(qū)和兩側(cè)裂隙區(qū)所對(duì)應(yīng)的離層量也逐漸增加，但受巖層自身硬度、厚度以及層位的影響，最大離層量的增加值在減小。而在壓實(shí)區(qū)中，受采動(dòng)影響后不同層位的巖層垮落形成的堆砌狀態(tài)以及所受到的外力大小及方向都存在一定差別，因此，壓實(shí)區(qū)覆巖離層量的數(shù)值會(huì)有一定的波動(dòng)。

2.3 工作面底板應(yīng)力分布特征

通過(guò)分析模型底板處應(yīng)力傳感器監(jiān)測(cè)到的回采期間的應(yīng)力數(shù)據(jù)，如圖4所示，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)底板的應(yīng)力相較于回采前明顯變小，且應(yīng)力集中系數(shù)在0.05～0.45波動(dòng)。由于中部的壓實(shí)區(qū)直接受到上位巖層向下的重力，而兩側(cè)的裂隙區(qū)得益于垮落時(shí)形成的鉸接結(jié)構(gòu)的支撐作用，中部的壓實(shí)區(qū)應(yīng)力集中系數(shù)要比兩側(cè)裂隙區(qū)的大一些，在3個(gè)區(qū)域的交界處，其應(yīng)力集中系數(shù)會(huì)有較為明顯的變化，如圖4中的局部放大的區(qū)域所示。同時(shí)，結(jié)合覆巖離層量的分布規(guī)律可知，不同煤層傾角壓實(shí)區(qū)的寬度擴(kuò)展5～7 m。

圖4 工作面底板應(yīng)力分布Fig.4 Stresses distribution of bottom plater

2.4 壓實(shí)區(qū)的空間演化規(guī)律

根據(jù)文獻(xiàn)[6]中對(duì)壓實(shí)區(qū)的判定準(zhǔn)則，再結(jié)合模擬試驗(yàn)中周期來(lái)壓具體時(shí)段、覆巖裂隙發(fā)育情況、以及底板應(yīng)力分布規(guī)律，繪制不同煤層傾角的壓實(shí)區(qū)演化形態(tài)(圖5)。

圖5 不同煤層傾角壓實(shí)區(qū)演化形態(tài)Fig.5 Different mining angle of evolution form of compacted area

由圖5可知，隨著回采工作面的不斷推進(jìn)，壓實(shí)區(qū)也不斷的擴(kuò)展。周期來(lái)壓依次顯現(xiàn)時(shí)，壓實(shí)區(qū)明顯在沿工作面方向擴(kuò)展，同時(shí)也在向更高層位發(fā)展。在壓實(shí)區(qū)向更高層位發(fā)展時(shí)，覆巖會(huì)形成一定的垮落角，且垮落角在逐漸地減小，使得壓實(shí)區(qū)的左右邊界呈橢圓拋物線狀。不同煤層傾角條件下所表現(xiàn)出的壓實(shí)區(qū)形態(tài)有著明顯的差異，主要體現(xiàn)在高度、垮落角以及寬度這3個(gè)方面。

3 討 論

3.1 壓實(shí)區(qū)高度的傾角效應(yīng)分析

如圖6所示，壓實(shí)區(qū)的高度隨著工作面的推進(jìn)持續(xù)增大，同一推進(jìn)距離下，煤層傾角越大，壓實(shí)區(qū)的高度越高。壓實(shí)區(qū)高度擬合直線斜率初期較小，這是由于壓實(shí)區(qū)在形成初期，受采動(dòng)影響的覆巖范圍較小，壓實(shí)區(qū)整體規(guī)模相差不大，即不同煤層傾角下的壓實(shí)區(qū)的高度在采煤初期差值不大。當(dāng)工作面推進(jìn)至一定距離時(shí)(55～65 m)，擬合直線斜率劇增，如圖6中陰影區(qū)域所示，這是由于受煤層傾角影響，平均來(lái)壓步距減小，煤層傾角較大的工作面發(fā)生周期來(lái)壓的次數(shù)更多，壓實(shí)區(qū)發(fā)育更為充分，導(dǎo)致其高度明顯增大。當(dāng)工作面推進(jìn)距離達(dá)到80 m后，斜率又趨于穩(wěn)定，不同煤層傾角下的壓實(shí)區(qū)的高度其差變化不再明顯，受推進(jìn)距離的影響減小。

圖6 不同煤層傾角壓實(shí)區(qū)高度擬合直線斜率變化趨勢(shì)Fig.6 Change trend of height slope in compacted zone of different coal seam inclination angle

由于壓實(shí)區(qū)的高度受到工作面推進(jìn)距離和煤層傾角的共同影響，為了能定量化描述壓實(shí)區(qū)高度與煤層傾角及工作面推進(jìn)距離之間的關(guān)系，將三者進(jìn)行多元擬合，得到擬合關(guān)系：

H=25.812ln(L-10.057)+0.178θ-69.216，R2=0.949

(1)

式中：H為壓實(shí)區(qū)高度，m；L為工作面推進(jìn)距離，m；θ為煤層傾角，(°);R2為決定系數(shù)。

3.2 壓實(shí)區(qū)垮落角的傾角效應(yīng)分析

如圖7所示，隨著煤層傾角的增大，開(kāi)切眼側(cè)垮落角α逐漸減小，工作面?zhèn)瓤迓浣铅轮饾u增大，但隨工作面推進(jìn)距離的增加，兩側(cè)垮落角都在逐漸減小。煤層傾角越大，下滑作用越強(qiáng)，受采動(dòng)影響的上覆巖層破斷及垮落后沿煤層底板向下滑動(dòng)或滾落填充下部采空區(qū)，且煤層傾角越大，填充下部采空區(qū)的巖塊堆砌的高度越高，導(dǎo)致開(kāi)切眼側(cè)的上覆巖層垮落空間相對(duì)減少，并且受到下部填充巖塊的支撐，使得巖層間形成較大的離層卻未發(fā)生垮落，而以覆巖離層量為判定依據(jù)的開(kāi)切眼側(cè)壓實(shí)區(qū)邊界則向工作面?zhèn)冗M(jìn)一步彎曲傾斜。因此，對(duì)于開(kāi)切眼側(cè)的垮落角α而言，煤層傾角越大，其值越小。

圖7 不同煤層傾角壓實(shí)區(qū)垮落角演化規(guī)律Fig.7 Different of mining angle of evolution of collapse angle

煤層傾角越大，下滑作用越強(qiáng)，巖塊堆砌的速度越快，導(dǎo)致填充下部采空區(qū)的巖塊在滑動(dòng)或滾落的過(guò)程中相互摩擦、碰撞及擠壓程度加劇，巖塊的單個(gè)體積更小，單位空間內(nèi)堆砌的巖塊更多，進(jìn)而進(jìn)一步增大了工作面?zhèn)壬细矌r層的垮落空間，難以得到下部垮落巖塊的支撐，使其不易形成較大的離層量，從而工作面?zhèn)鹊膲簩?shí)區(qū)邊界向開(kāi)切眼側(cè)的彎曲傾斜程度相對(duì)減小。因此，對(duì)于工作面?zhèn)鹊目迓浣铅露?，煤層傾角越大，其值越大。

由于壓實(shí)區(qū)的垮落角受到工作面推進(jìn)距離和煤層傾角的共同影響，為了能定量化描述壓實(shí)區(qū)垮落角與煤層傾角及工作面推進(jìn)距離之間的關(guān)系，將三者進(jìn)行多元擬合，得到擬合關(guān)系：

α=-0.640lnL-0.003θ+3.576，R2=0.981

(2)

β=-0.711lnL+0.008θ+3.878，R2=0.960

(3)

3.3 壓實(shí)區(qū)寬度的傾角效應(yīng)分析

由于壓實(shí)區(qū)的垮落角是逐漸減小的，這使得壓實(shí)區(qū)的邊界存在一定的弧度，但同時(shí)受到下滑作用的影響，從而左右邊界呈不對(duì)稱(chēng)橢拋線狀。而壓實(shí)區(qū)形成之后，其擴(kuò)展的部分都是在前一次的基礎(chǔ)上進(jìn)一步形成的，因此根據(jù)式(2)和式(3)所得到的垮落角擬合公式，可以建立如圖8所示的簡(jiǎn)化模型。

圖8 走向壓實(shí)區(qū)簡(jiǎn)化模型Fig.8 Simplified model of compacted area

進(jìn)一步得到壓實(shí)區(qū)寬度與垮落角及垮落高度之間的關(guān)系。由于中部壓實(shí)區(qū)邊界呈不對(duì)稱(chēng)橢拋線狀，近似認(rèn)為該模型是由2部分組成的，可得到以下關(guān)系：

Li=Lαi+Lβi

(4)

Lαi=ΔHα1cotα1+ΔHα2cotα2+…+
ΔHαncotαn=Hα1cotα1+(Hα2-Hα1)×
cotα2+…+(Hαn-Hαn-1)cotαn=

(5)

則：

(6)

式中：Li為第i次形成的壓實(shí)區(qū)寬度，m；Lαi為第i次形成的壓實(shí)區(qū)開(kāi)切眼側(cè)的寬度，m；Lβi為第i次形成的壓實(shí)區(qū)工作面?zhèn)鹊膶挾龋琺；ΔHαi為第i次壓實(shí)區(qū)擴(kuò)展時(shí)開(kāi)切眼側(cè)高度的增量，m；Hαi為壓實(shí)區(qū)第i次擴(kuò)展時(shí)開(kāi)切眼側(cè)的高度，m;Hβi為壓實(shí)區(qū)第i次擴(kuò)展時(shí)工作面?zhèn)鹊母叨?，m;αi為壓實(shí)區(qū)第i次擴(kuò)展時(shí)開(kāi)切眼側(cè)形成的垮落角，(°)；βi為壓實(shí)區(qū)第i次擴(kuò)展時(shí)工作面?zhèn)刃纬傻目迓浣牵?°)。

根據(jù)所得的壓實(shí)區(qū)高度、垮落角與工作面推進(jìn)距離和煤層傾角的關(guān)系，將其代入式(4)中，便可得到壓實(shí)區(qū)寬度與工作面推進(jìn)距離和煤層傾角的關(guān)系。

4 采動(dòng)裂隙橢拋帶壓實(shí)區(qū)演化傾角效應(yīng)模型

通過(guò)物理相似模擬試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)中部的壓實(shí)區(qū)受下滑作用影響而整體呈不對(duì)稱(chēng)的類(lèi)橢圓拋物面。根據(jù)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，將壓實(shí)區(qū)傾角模型旋轉(zhuǎn)θ(θ為煤層傾角)建立了如圖9所示的橢拋帶壓實(shí)區(qū)演化模型，同時(shí)，基于采動(dòng)裂隙橢拋帶理論，結(jié)合式(1)—式(6)，構(gòu)建了受煤層傾角及工作面推進(jìn)距離共同影響的壓實(shí)區(qū)空間形態(tài)數(shù)學(xué)表征方程。

圖9 采動(dòng)裂隙橢拋帶壓實(shí)區(qū)空間幾何模型Fig.9 Geometric model of compacted area in elliptic paraboloid zone

(7)

式中：x1、y1、z1為圖9中壓實(shí)區(qū)的坐標(biāo)值；A1、A2分別為進(jìn)、回風(fēng)巷處，壓實(shí)區(qū)底部邊界與其距離，m；Lk為工作面寬度，m；La為壓實(shí)區(qū)底部邊界至開(kāi)切眼處的距離，m；Kc為壓實(shí)區(qū)范圍內(nèi)巖層破斷碎脹系數(shù)；H為壓實(shí)區(qū)高度，m。

5 結(jié) 論

1)隨著煤層傾角的增大，相同區(qū)域內(nèi)的采動(dòng)覆巖離層量隨之增大，結(jié)合覆巖離層量與底板應(yīng)力分布規(guī)律，可知不同煤層傾角下壓實(shí)區(qū)的寬度擴(kuò)展5～7 m。

2)隨著煤層傾角的增大，平均來(lái)壓步距逐漸減小(12.5 m>11.6 m>10.4 m)，工作面推進(jìn)至55～65 m時(shí)，煤層傾角較大的工作面發(fā)生周期來(lái)壓次數(shù)更多，壓實(shí)區(qū)之間的高差急劇增大。

3)同一推進(jìn)距離下，煤層傾角越大，壓實(shí)區(qū)工作面?zhèn)瓤迓浣窃酱?，開(kāi)切眼側(cè)垮落角越小，結(jié)合壓實(shí)區(qū)高度演化規(guī)律，建立受煤層傾角因素影響的走向壓實(shí)區(qū)簡(jiǎn)化模型，對(duì)壓實(shí)區(qū)寬度分段表示。

4)建立了考慮煤層傾角因素的采動(dòng)裂隙橢拋帶壓實(shí)區(qū)數(shù)學(xué)方程，為進(jìn)一步研究受煤層傾角因素影響的采動(dòng)覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律，準(zhǔn)確定位仰斜綜采工作面卸壓瓦斯富集區(qū)提供一定的理論依據(jù)。