綜采工作面覆巖壓實(shí)區(qū)裂隙動(dòng)態(tài)演化規(guī)律影響因素分析

李樹剛，劉李東，趙鵬翔，林海飛，徐培耘，卓日升

(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)

0 引 言

受采動(dòng)影響，采空區(qū)上覆巖層原巖應(yīng)力發(fā)生改變，圍巖出現(xiàn)垮落、破斷和彎曲下沉等現(xiàn)象，形成了采空區(qū)采動(dòng)覆巖裂隙網(wǎng)絡(luò)，并且隨著開(kāi)采進(jìn)程持續(xù)演化，為采動(dòng)卸壓瓦斯的儲(chǔ)集與運(yùn)移提供了適宜的空間。

采動(dòng)覆巖裂隙網(wǎng)絡(luò)演化規(guī)律對(duì)辨識(shí)卸壓瓦斯儲(chǔ)運(yùn)區(qū)域，建立卸壓瓦斯精準(zhǔn)抽采系統(tǒng)具有重要影響。對(duì)于采動(dòng)覆巖裂隙形態(tài)，錢鳴高、許家林[1]提出了“O”型圈模型;袁亮等[2]提出了高位裂隙環(huán)形體模型;伍永平等[3]建立了區(qū)段間圍巖失穩(wěn)模型;汪峰等[4]建立了松散層拱結(jié)構(gòu)模型。基于關(guān)鍵層理論，筆者等[5]運(yùn)用物理模擬與數(shù)值模擬的方法，提出了采動(dòng)裂隙橢拋帶理論，并進(jìn)一步研究了不同采高[6-7]、推進(jìn)速度[8]、煤層傾角[9]、開(kāi)采方式[10-11]對(duì)裂隙演化規(guī)律的影響。楊科等[12-14]通過(guò)理論分析與模擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了多關(guān)鍵層運(yùn)移對(duì)采動(dòng)裂隙演化規(guī)律的影響，發(fā)現(xiàn)采動(dòng)裂隙隨關(guān)鍵層的破斷呈“跳躍式”向上擴(kuò)展。何富連等[15]研究了特厚煤層采用長(zhǎng)壁機(jī)械化放頂煤開(kāi)采時(shí)，關(guān)鍵層垮落后會(huì)形成低懸臂梁和高鉸梁結(jié)構(gòu)?；诓蓜?dòng)裂隙橢拋帶理論，文獻(xiàn)[16-20]對(duì)不同傾角、推進(jìn)速度、采高、緩傾斜條件下的卸壓瓦斯運(yùn)移優(yōu)勢(shì)通道形態(tài)演化規(guī)律進(jìn)行研究，建立了采動(dòng)卸壓瓦斯優(yōu)勢(shì)通道演化模型。文獻(xiàn)[21-24]運(yùn)用物理模擬與理論分析相結(jié)合的方法，研究了急傾斜條件下的采動(dòng)覆巖失穩(wěn)機(jī)理，獲得了急傾斜煤巖體動(dòng)力失穩(wěn)災(zāi)害的治理方法。文獻(xiàn)[25-28]研究了保護(hù)層巖性、保護(hù)層層間距、保護(hù)層層位等不同條件下采動(dòng)覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律，得到了相應(yīng)的煤層瓦斯卸壓效果。通過(guò)物理模擬、數(shù)值模擬與理論分析相結(jié)合的方法，文獻(xiàn)[29-30]研究了巨厚煤層開(kāi)采條件下的覆巖裂隙運(yùn)移規(guī)律，獲得了圍巖應(yīng)力演化和來(lái)壓規(guī)律，有效預(yù)防了巨厚煤層開(kāi)采導(dǎo)致的頂板事故。

以山西和順某高瓦斯煤礦302工作面為試驗(yàn)原型，研究在不同采高、不同推進(jìn)速度、不同煤層傾角條件下綜采工作面覆巖壓實(shí)區(qū)裂隙演化規(guī)律，并結(jié)合采動(dòng)覆巖裂隙橢拋帶理論，構(gòu)建了多因素影響下的采動(dòng)裂隙橢拋帶壓實(shí)區(qū)演化綜合效應(yīng)模型，為進(jìn)一步研究采動(dòng)裂隙演化規(guī)律，細(xì)分卸壓瓦斯儲(chǔ)運(yùn)區(qū)域提供參考依據(jù)。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原型

試驗(yàn)以山西和順某高瓦斯煤礦302工作面為原型，該礦主采15號(hào)煤層，煤厚4.58～5.71 m，平均5.1 m，傾角平均為8°。煤層中含夾矸1～3層，厚0.38～1.10 m，巖性為炭質(zhì)泥巖和泥巖。煤層直接頂為泥巖，直接底為鋁質(zhì)泥巖，基本頂為K2石灰?guī)r，基本底為泥巖。工作面走向長(zhǎng)度2 081 m，傾向長(zhǎng)度180 m，采用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化一次采全高采煤法。工作面自開(kāi)切眼后退式開(kāi)采，全部垮落法管理頂板，主采煤層上部覆巖物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 上覆巖層物理力學(xué)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

利用西安科技大學(xué)西部礦山煤與瓦斯共采實(shí)驗(yàn)室的二維物理相似模擬試驗(yàn)平臺(tái)，以山西和順某高瓦斯煤礦302工作面為原型，搭建相似比為1∶100的覆巖走向模型。根據(jù)相似理論，模型滿足容重相似比為1∶1.5，應(yīng)力相似比為1∶150，時(shí)間相似比為1∶10。

根據(jù)302工作面上覆巖層賦存情況，計(jì)算出巖層模擬材料配比及順序，搭建物理相似模型。按照配比表2將攪拌均勻的試驗(yàn)原料按每次1 cm的高度平鋪于試驗(yàn)臺(tái)上方，將其壓實(shí)、抹平，并以云母片作為巖層間的間隔處理。超出試驗(yàn)臺(tái)模擬高度的上覆巖層則使用均勻載荷替代。模型自然晾干后，對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行開(kāi)采時(shí)，在模型兩側(cè)預(yù)留寬10 cm煤柱，開(kāi)切眼寬8 cm，之后以2、3 cm/次的速度按煤層走向方向作為工作面回采方向，在煤層傾角為15°和30°的試驗(yàn)中以仰斜開(kāi)采為工作面回采方式，以時(shí)間相似比1∶10進(jìn)行循環(huán)推進(jìn)。在每次推進(jìn)工作完成，巖層活動(dòng)穩(wěn)定過(guò)后，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2 模擬試驗(yàn)材料配比

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 覆巖“三帶”高度變化規(guī)律

受工作面采動(dòng)影響，上覆巖層原始應(yīng)力遭到破壞，在集中應(yīng)力的作用下向下垮落，填充采空區(qū)。根據(jù)其垮落堆積形態(tài)以及受擾動(dòng)影響程度的不同，在采空區(qū)豎直方向上從低到高分為垮落帶、斷裂帶以及彎曲下沉帶。利用公式(1)，可以求出垮落帶的高度。結(jié)合物理相似模擬試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量離層裂隙所在的最高層位，可以確定斷裂帶的裂隙發(fā)育高度。

(1)

式中：hm為垮落帶高度，m；M為工作面開(kāi)采高度，m；S為基本頂?shù)某两抵?，m；Kp為垮落覆巖碎脹系數(shù)。

采空區(qū)上覆巖層受采動(dòng)影響，垮落堆積形成豎向“三帶”區(qū)域。在不同采高、不同推進(jìn)速度以及不同煤層傾角的作用下，其“三帶”高度也發(fā)生改變。如圖2所示，“三帶”高度與采高、推進(jìn)速度以及煤層傾角呈現(xiàn)較高的線性關(guān)系?！叭龓А备叨入S著采高或煤層傾角的增大逐漸增大，隨著推進(jìn)速度的增大逐漸減小。采高的增大向上覆巖層提供了更多的垮落空間，煤層傾角的增大在提供更多垮落空間的同時(shí)，也增加了巖層受力的復(fù)雜程度，而推進(jìn)速度的增大則減少了覆巖裂隙向上發(fā)育的時(shí)間，進(jìn)而導(dǎo)致“三帶”高度出現(xiàn)上述規(guī)律。

圖1 位移測(cè)點(diǎn)及傳感器布置示意

圖2 不同影響因素下覆巖“三帶”高度

圖3 覆巖貫通度變化規(guī)律

2.2 覆巖貫通度變化規(guī)律

采空區(qū)上覆巖層受自身巖性、層位以及關(guān)鍵層位置的不同，在向下垮落堆積時(shí)，產(chǎn)生的破斷裂隙有所差異。同時(shí)，為了能定量化描述卸壓瓦斯氣體在覆巖裂隙中向上升浮運(yùn)移的困難程度，采用了貫通度加以判定。覆巖貫通度與破斷裂隙的關(guān)系可用式(2)[31]表示：

D=a/ha

(2)

式中：D為覆巖貫通度；a為破斷裂隙在覆巖厚度方向上的長(zhǎng)度，m；ha為覆巖厚度，m。

隨著巖層與煤層頂板間隔距離的增加，覆巖貫通度逐漸減小，并在達(dá)到一定距離后，出現(xiàn)快速減小的突變現(xiàn)象。與煤層頂板間隔距離較小時(shí)，覆巖垮落堆積的混亂程度較大，破斷裂隙貫穿整個(gè)巖層。隨著間距的增大，特別是在關(guān)鍵層垮落后，上覆巖層向下垮落的空間急劇減小，巖層垮落破碎程度減小，巖層之間形成較大的離層裂隙，而破斷裂隙在覆巖厚度方向上的長(zhǎng)度減小，導(dǎo)致覆巖貫通度快速減小。隨著采高與煤層傾角的增大以及推進(jìn)速度的減小，覆巖貫通度快速減小的突變點(diǎn)距離煤層頂板越遠(yuǎn)。

2.3 覆巖離層率變化規(guī)律

覆巖離層率是指單位厚度巖層內(nèi)的離層裂隙高度，可定量描述一定區(qū)域內(nèi)離層裂隙發(fā)育特征。由于上覆巖層受采動(dòng)影響，不同層位、不同區(qū)域所受到的力學(xué)特性不同，導(dǎo)致覆巖離層率在采空區(qū)中的形態(tài)分布呈現(xiàn)“馬鞍形”，如圖4所示。

圖4 覆巖離層率變化規(guī)律

采空區(qū)兩側(cè)的覆巖離層率明顯大于采空區(qū)中部。開(kāi)切眼側(cè)垮落覆巖受煤壁的支撐作用，形成鉸接結(jié)構(gòu)，且隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，受到的采動(dòng)影響逐漸減小，原有的離層裂隙變化較小。工作面?zhèn)鹊碾x層裂隙受周期來(lái)壓影響，巖層大面積垮落導(dǎo)致其被迅速壓實(shí)、閉合，并在靠近工作面?zhèn)刃纬尚碌母矌r離層率較大的區(qū)域。隨著采高和煤層傾角的增大，采空區(qū)覆巖離層率整體逐漸增大，隨著推進(jìn)速度的增大而逐漸減小。

3 討 論

3.1 覆巖壓實(shí)區(qū)邊界判定準(zhǔn)則

由于工作面持續(xù)向前推進(jìn)，采空區(qū)上覆巖層原巖應(yīng)力遭到破壞，向下垮落堆積，進(jìn)而形成瓦斯?jié)B透、運(yùn)移明顯比采空區(qū)邊界區(qū)域更為困難的覆巖壓實(shí)區(qū)。受采高、推進(jìn)速度以及煤層傾角影響，覆巖壓實(shí)區(qū)形態(tài)發(fā)生明顯變化，如圖5所示。

圖5 不同影響因素下覆巖壓實(shí)區(qū)形態(tài)變化

覆巖壓實(shí)區(qū)位于豎向“三帶”中的垮落帶以及斷裂帶，其邊界周圍存在著離層率明顯更大的瓦斯運(yùn)移優(yōu)勢(shì)通道，因此可以將圖4中的離層率陡然增大的位置作為壓實(shí)區(qū)左右邊界。在覆巖壓實(shí)區(qū)未發(fā)育至完整形態(tài)時(shí)，其頂部存在大量的離層裂隙，受自身巖性及受力情況影響，形成這些離層裂隙的巖層其破斷裂隙發(fā)育程度較低，貫通度較小，因此可以將圖3中覆巖貫通度快速減小的突變點(diǎn)作為覆巖壓實(shí)區(qū)的頂部邊界。在覆巖壓實(shí)區(qū)發(fā)育至完整形態(tài)后，其高度達(dá)到最大，此時(shí)“三帶”中斷裂帶發(fā)育高度即為壓實(shí)區(qū)頂部邊界。

3.2 多因素下覆巖壓實(shí)區(qū)形態(tài)特征演化規(guī)律

上覆巖層受采動(dòng)影響，向下垮落堆積，并在采高、推進(jìn)速度以及煤層傾角因素的作用下，形成不同形態(tài)的覆巖壓實(shí)區(qū)。根據(jù)3.1節(jié)中以覆巖離層率、覆巖貫通度以及斷裂帶高度為依據(jù)所劃分的覆巖壓實(shí)區(qū)邊界，得到了不同影響因素下的覆巖壓實(shí)區(qū)形態(tài)特征如圖6所示。由圖6可知,采高增大(2 m<4 m<6 m)，壓實(shí)區(qū)寬度減小4.6～7.1 m，高度增大13.2～23.7 m；推進(jìn)速度增大(3 m/d<5 m/d<7 m/d)，壓實(shí)區(qū)寬度減小6.8～11.5 m，高度減小3.4～11.1 m；煤層傾角增大(0°<15°<30°)，壓實(shí)區(qū)寬度增大12.2～14.0 m，高度增大1.8～4.5 m。采高增大，導(dǎo)致上覆巖層垮落空間增大，裂隙發(fā)育高度增加，壓實(shí)區(qū)高度進(jìn)而增加，同時(shí)采空區(qū)兩側(cè)邊界不易形成鉸接梁結(jié)構(gòu)使得壓實(shí)區(qū)邊界向中部區(qū)域收縮。推進(jìn)速度增大，導(dǎo)致裂隙發(fā)育不充分，在煤柱以及工作面?zhèn)纫仔纬煽缍容^大的鉸接梁結(jié)構(gòu)，使得壓實(shí)區(qū)寬度以及高度都減小。煤層傾角增大，使得下滑作用增強(qiáng)，垮落巖體破碎程度增加，壓實(shí)區(qū)發(fā)育范圍更廣。

圖6 不同影響因素下覆巖壓實(shí)區(qū)形態(tài)特征

3.3 采動(dòng)裂隙橢拋帶壓實(shí)區(qū)演化綜合效應(yīng)模型

結(jié)合物理模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采高以及推進(jìn)速度主要影響壓實(shí)區(qū)的寬度以及高度的大小，壓實(shí)區(qū)依然類似于對(duì)稱橢圓拋物面，而隨著煤層傾角的增大，受下滑作用影響，壓實(shí)區(qū)開(kāi)始向工作面?zhèn)绕?，形成不?duì)稱的橢圓拋物面。根據(jù)文獻(xiàn)[9]中建立的受煤層傾角影響的覆巖壓實(shí)區(qū)數(shù)學(xué)表征方程，如式(3)所示，以采動(dòng)裂隙橢拋帶理論為基礎(chǔ)，結(jié)合式(4)—(5)，構(gòu)建了采動(dòng)裂隙橢拋帶壓實(shí)區(qū)演化綜合效應(yīng)模型。

(3)

式中：x2,y2,z2為圖5h—圖5j中壓實(shí)區(qū)的坐標(biāo)值；x1,y1,z1為圖6c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)垮落巖層的碎脹系數(shù)；H為壓實(shí)區(qū)高度，m；L1為壓實(shí)區(qū)開(kāi)切眼側(cè)寬度，m；L2為壓實(shí)區(qū)工作面?zhèn)葘挾龋琺；θ為煤層傾角,(°)。

由于覆巖壓實(shí)區(qū)形態(tài)發(fā)育完全時(shí)，其高度H與斷裂帶高度一致，斷裂帶內(nèi)垮落巖體處于壓實(shí)區(qū)高度范圍內(nèi)，因此壓實(shí)區(qū)范圍內(nèi)垮落巖層的碎脹系數(shù)可替換為

(4)

工作面推進(jìn)距離L為

L=Vt=L1+L2+La+Lb

(5)

結(jié)合式(3)—(5)，即可建立采動(dòng)裂隙橢拋帶壓實(shí)區(qū)演化綜合效應(yīng)模型：

(6)

式中：x、y、z為圖5中不同影響因素下壓實(shí)區(qū)的坐標(biāo)值；x3、y3、z3為圖6中不同影響因素下壓實(shí)區(qū)的坐標(biāo)值；L為工作面推進(jìn)距離，m；V為推進(jìn)速度，m/d；t為工作面推進(jìn)時(shí)間，d；Lb為壓實(shí)區(qū)底部邊界距工作面的距離，m。

4 工程實(shí)踐

4.1 高位鉆孔布置

試驗(yàn)工作面平均開(kāi)采厚度5.1 m，傾角8°，平均推進(jìn)速度為4 m/d，根據(jù)物理相似模擬試驗(yàn)及本文建立的采動(dòng)裂隙橢拋帶壓實(shí)區(qū)演化綜合效應(yīng)模型，可知該工作面垮落帶高度約為18 m，壓實(shí)區(qū)寬度為55 m，其邊界距工作面14.3 m，結(jié)合對(duì)該工作面1～9號(hào)高位鉆場(chǎng)瓦斯抽采效果的分析，進(jìn)而對(duì)10號(hào)、11號(hào)高位鉆場(chǎng)鉆孔布置參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，保證抽采鉆孔分布于壓實(shí)區(qū)范圍以外且盡量靠近壓實(shí)區(qū)，提高抽采效率。具體布置參數(shù)如下：每個(gè)鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)10個(gè)鉆孔，分上下兩排布置，鉆場(chǎng)相距65 m，搭接長(zhǎng)度為35 m，鉆場(chǎng)布置方式如圖7、圖8所示，鉆孔參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 10號(hào)、11號(hào)高位鉆場(chǎng)鉆孔布置參數(shù)

圖7 高位鉆孔布置俯視圖

圖8 高位鉆孔布置側(cè)視圖

4.2 高位鉆孔抽采效果

工作面回采至10號(hào)鉆場(chǎng)有效抽采范圍時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行卸壓瓦斯抽采，其瓦斯抽采純量為3.1～10.6 m3/min，占絕對(duì)瓦斯涌出量的41%～76%,平均為58.5%，有效的提高了高位鉆場(chǎng)瓦斯抽采效果。

通過(guò)對(duì)該工作面上隅角及回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，得到了10號(hào)鉆場(chǎng)開(kāi)始進(jìn)行卸壓瓦斯抽采后的瓦斯?jié)舛确植家?guī)律，如圖10所示。上隅角、工作面、回風(fēng)巷平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.39%、0.38%和0.35%，遠(yuǎn)低于上限值1%，有效地保證了工作面的安全回采。

圖9 瓦斯抽采純量占比

圖10 瓦斯?jié)舛确植?/p>

5 結(jié) 論

1)覆巖“三帶”高度隨著采高、煤層傾角的增大呈線性增大趨勢(shì)，隨著推進(jìn)速度的增大呈線性減小趨勢(shì)。

2)覆巖貫通度離煤層頂板越遠(yuǎn)，數(shù)值越小，并達(dá)到一定高度后，出現(xiàn)迅速減小的現(xiàn)象，且該突變點(diǎn)高度與采高增大、煤層傾角增大以及推進(jìn)速度減小呈正相關(guān)關(guān)系。

3)構(gòu)建了以覆巖貫通度突減、覆巖離層率突增以及斷裂帶發(fā)育高度為依據(jù)的覆巖壓實(shí)區(qū)邊界判定準(zhǔn)則。

4)壓實(shí)區(qū)形態(tài)發(fā)育受多種因素影響，采高增加主要導(dǎo)致壓實(shí)區(qū)高度增大，達(dá)到23.7 m；推進(jìn)速度增大對(duì)壓實(shí)區(qū)高度與寬度影響程度較為一致，分別達(dá)到11.1 m和11.5 m；煤層傾角增大對(duì)壓實(shí)區(qū)寬度影響明顯，使其增加14 m，并導(dǎo)致壓實(shí)區(qū)從對(duì)稱橢圓拋物面，逐漸向工作面?zhèn)绕啤?/p>

5)構(gòu)建了多因素影響下的采動(dòng)裂隙橢拋帶壓實(shí)區(qū)演化綜合效應(yīng)模型，并結(jié)合工程實(shí)踐，有效提高了現(xiàn)場(chǎng)瓦斯治理效果，保證了工作面的安全回采。