厚松散層薄基巖工作面導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)方法

丁希陽(yáng) 劉尊欣 田曉偉

（汶上義橋煤礦有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)寧 272100）

1 工程概況

義橋煤礦6304 工作面寬度在切眼側(cè)為125 m，在停采線側(cè)為160 m，走向長(zhǎng)度為510 m，松散層厚度平均為224 m，基巖厚度最小為35.45 m，最大為85.15 m。主采3 煤層，煤層厚度為3.10～3.95 m，平均3.4 m，煤層傾角為6°～18°，平均12°。工作面開(kāi)采區(qū)域水體類型為第四系下砂、礫層空隙含水層和3 煤頂板砂巖裂隙含水層。厚松散層薄基巖條件下工作面開(kāi)采覆巖裂隙帶高度準(zhǔn)確預(yù)計(jì)是保證6304 工作面安全開(kāi)采的前提。

2 厚松散層巖層控制的松散層拱理論

當(dāng)煤層上覆松散層厚度滿足一定條件時(shí)，松散層中能夠形成具有穩(wěn)定承載能力的松散層拱結(jié)構(gòu)，如圖1。文獻(xiàn)[1-3]建立了松散層拱結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，得到了松散層拱高度與寬度的比值及厚度的解析式，確定了形成松散層拱時(shí)的松散層臨界厚度，如式（1）所示，式中參數(shù)如圖1 所示。

圖1 松散層拱示意圖[1-3]

3 厚松散層薄基巖工作面覆巖裂隙發(fā)育

3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

試驗(yàn)選用250 cm×30 cm×400 cm（長(zhǎng)×寬×高）的平面應(yīng)力實(shí)驗(yàn)臺(tái)，模型幾何、容重、應(yīng)力和強(qiáng)度相似比分別為100:1、1.67:1、167:1、167:1。松散層的相似材料為河砂和鋸末，河砂和鋸末的質(zhì)量比為10:1；基巖的相似材料為河砂、石膏、碳酸鈣。試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2，力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 物理模型

表1 相似物理模型巖層參數(shù)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3 為厚松散層薄基巖工作面開(kāi)采過(guò)程中覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律。亞關(guān)鍵層初次破斷前，采動(dòng)覆巖裂隙帶發(fā)育高度止于亞關(guān)鍵層底界面，高度為14 m，如圖3（a）；亞關(guān)鍵層初次破斷且主關(guān)鍵層初次破斷前，采動(dòng)覆巖裂隙帶發(fā)育高度止于主關(guān)鍵層底界面，高度為30 m，如圖3（b）；主關(guān)鍵層初次破斷且第一次松散層拱承載時(shí)，采動(dòng)覆巖裂隙帶發(fā)育高度止于第一次松散層拱底界面，高度為56 m，如圖3（c）；第一次松散層拱失穩(wěn)破壞且第二次松散層拱承載時(shí)，采動(dòng)覆巖裂隙帶發(fā)育高度止于第二次松散層拱底界面，高度為71 m，如圖3（d）。工作面回采過(guò)程中，采動(dòng)覆巖裂隙帶發(fā)育高度與工作面開(kāi)采寬度間的變化規(guī)律如圖4，采動(dòng)覆巖裂隙發(fā)育高度隨著關(guān)鍵層和松散層拱結(jié)構(gòu)的周期性變化而呈現(xiàn)跳躍式增加。

圖3 工作面覆巖裂隙發(fā)育

圖4 工作面覆巖裂隙帶高度

4 厚松散層薄基巖工作面覆巖裂隙帶高度預(yù)測(cè)

目前，通常采用規(guī)程規(guī)范、實(shí)驗(yàn)?zāi)M和工程探測(cè)、數(shù)值分析等[4-6]預(yù)計(jì)裂隙帶高度。許家林提出了通過(guò)關(guān)鍵層位置預(yù)測(cè)裂隙帶的高度的新方法[7]。在厚松散層下采動(dòng)覆巖裂隙帶發(fā)育高度預(yù)計(jì)方法的具體流程為：（1）確定待開(kāi)采工作面開(kāi)采參數(shù)和工作面區(qū)域巖層柱狀信息；（2）將相關(guān)參數(shù)帶入式（1）中，判別松散層拱結(jié)構(gòu)是否形成；（3）當(dāng)不能形成松散層拱時(shí)，關(guān)鍵層判別按照傳統(tǒng)方法進(jìn)行，當(dāng)松散層中能夠形成松散層拱時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[8]計(jì)算松散層載荷折減系數(shù)；（4）確定采場(chǎng)上覆巖層中最上一層硬巖的載荷；（5）進(jìn)行關(guān)鍵層判別，確定覆巖關(guān)鍵層位置及關(guān)鍵層和煤層間距；（6）當(dāng)主關(guān)鍵層距開(kāi)采煤層的距離小于7～10 倍采高時(shí)，裂隙帶高度大于或等于基巖厚度；當(dāng)主關(guān)鍵層與煤層距離大于7～10 倍采高時(shí)，裂隙帶高度等于7～10倍采高上方最近關(guān)鍵層與開(kāi)采煤層間距離。

5 工程應(yīng)用

工作面汶8-1、補(bǔ)5 鉆孔柱狀如圖5。根據(jù)式（1）計(jì)算獲得松散層拱結(jié)構(gòu)形成時(shí)的臨界松散層厚度為97.6 m，而汶8-1 鉆孔松散層厚度為251.1 m，松散層中能夠形成松散層拱。根據(jù)松散層拱結(jié)構(gòu)特征參數(shù)和6304 工作面開(kāi)采參數(shù)得到6304 工作面上覆松散層載荷折減系數(shù)為K=0.55，據(jù)此得到汶8-1 鉆孔關(guān)鍵層判別結(jié)果如圖5（a）。汶8-1 鉆孔中含有2層關(guān)鍵層，分別是厚度為15.21 m 的亞關(guān)鍵層和厚度為10.0 m 的主關(guān)鍵層，其中亞關(guān)鍵層與開(kāi)采煤層間的距離為12.91 m，主關(guān)鍵層與開(kāi)采煤層間的距離為33.82 m。根據(jù)汶8-1 鉆孔揭露的開(kāi)采煤層厚度，當(dāng)煤層厚度為3.02 m 時(shí)，按照10 倍采高計(jì)算得到臨界高度為30.2 m。顯然，主關(guān)鍵層與煤層間的距離大于按10 倍采高計(jì)算的臨界高度，因此得到裂隙帶最大高度為33.82 m。按照類似的方法得到補(bǔ)5 鉆孔關(guān)鍵層判別結(jié)果如圖5（b），煤層厚3.80 m，主關(guān)鍵層與煤層距離33.84 m 小于10 倍采高的38.0 m。因此，裂隙帶高度等于基巖的厚度為40.05 m。因此，6304 工作面的裂隙帶高度為33.82～40.05 m。

圖5 鉆孔柱狀

根據(jù)義橋煤礦在6304 工作面開(kāi)展的兩帶高度觀測(cè)結(jié)果，6304 工作面裂隙帶高度為35.6～42.3 m，預(yù)計(jì)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)值基本一致。事實(shí)上，義橋煤礦6304 工作面回采期間累計(jì)開(kāi)采煤炭35 萬(wàn)t，工作面頂板涌水量正常，實(shí)現(xiàn)了安全采煤，表明裂隙帶高度預(yù)計(jì)結(jié)果滿足要求。

6 結(jié)論

采動(dòng)覆巖裂隙發(fā)育高度隨著關(guān)鍵層和松散層拱結(jié)構(gòu)的周期性變化而呈現(xiàn)跳躍式增加。關(guān)鍵層初次破斷之前，覆巖裂隙帶高度發(fā)育至未破斷關(guān)鍵層的底界面；松散層拱失穩(wěn)破壞前，覆巖裂隙帶高度發(fā)育至未失穩(wěn)破壞松散層拱底界面。在松散層拱結(jié)構(gòu)的影響下，6304 厚松散層薄基巖工作面的裂隙帶高度為33.82～40.05 m，預(yù)計(jì)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)結(jié)果基本一致。6304 厚松散層薄基巖工作面于2020 年1 月回采結(jié)束，共計(jì)開(kāi)采煤炭資源35 萬(wàn)t，實(shí)現(xiàn)了含水層下安全采煤。