極近距離煤層綜放開采工作面覆巖“兩帶”發(fā)育規(guī)律研究*

谷文偉，高召寧，李 顏

(1.安徽理工大學(xué) 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實驗室，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控安徽省重點(diǎn)實驗室，安徽 淮南 232001)

0 引言

綜放開采主要適用于厚度超過支架可支撐高度的煤層，但由于采高過大時常出現(xiàn)覆巖“兩帶”破壞高度增加和地表嚴(yán)重沉陷等現(xiàn)象，嚴(yán)重制約著煤礦的安全生產(chǎn)[1]。因此，開展綜放開采工作面覆巖“兩帶”高度發(fā)育規(guī)律研究具有重要意義。

很多專家學(xué)者都對覆巖“兩帶”進(jìn)行了深入研究。許家林等[2]通過工程實測和理論研究，提出基于覆巖關(guān)鍵層位置來預(yù)測導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度的方法；高延法等[3]通過定義巖層中間層，并在假定下沉盆地內(nèi)外邊緣曲線的條件下，采用巖層層向拉伸率ε來預(yù)測覆巖導(dǎo)水裂隙帶的高度；許延春等[4]收集40余個綜放工作面的“兩帶”高度數(shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計回歸分析的方法，得出了適用于綜放面中硬、軟弱覆巖條件下的“兩帶”高度計算的經(jīng)驗公式；孫慶先等[5]以紅柳煤礦1121工作面為背景，運(yùn)用地表鉆孔沖洗液漏失量觀測、鉆孔彩色電視觀測和井下瞬變電磁法物探3種技術(shù)手段，對采空區(qū)上覆巖層“兩帶”高度進(jìn)行了探測；高保彬等[6]采用鉆孔兩端封堵分段注水裝置和鉆孔電視系統(tǒng)，探測了余吾煤業(yè)綜放開采上覆巖層“兩帶”高度，對采動前后裂隙傾角、裂隙數(shù)量與深度關(guān)系、裂隙數(shù)量與寬度關(guān)系進(jìn)行數(shù)字化分析，并就采動過程裂隙演變情況進(jìn)行相似模擬試驗與數(shù)值模擬分析；舒宗運(yùn)等[7]以郭家河煤礦14.8 m厚煤層為例，采用地表鉆孔沖洗液漏失量觀測、鉆孔彩色電視觀測和UDEC數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對特厚煤層綜放開采條件下的“兩帶”高度進(jìn)行研究；康永華[8]依據(jù)大同礦務(wù)局忻州窯煤礦現(xiàn)場實測資料，分析了覆巖巖性、結(jié)構(gòu)及巖柱厚度對冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的影響；崔峰等[9]針對緩傾斜沖擊傾向性頂板特厚煤層重復(fù)采動影響下覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律，采用物理相似材料模擬實驗，并運(yùn)用鉆孔電視、微震監(jiān)測系統(tǒng)與離散元軟件相結(jié)合的分析方法，研究了該條件下覆巖裂隙的分布特征與“兩帶”發(fā)育規(guī)律。

在前人研究基礎(chǔ)上，以淮北袁店一礦824綜放面為工程背景，采用理論分析、數(shù)值模擬，并結(jié)合分布式光纖傳感技術(shù)現(xiàn)場監(jiān)測的方法對該礦824綜放工作面覆巖“兩帶”高度動態(tài)發(fā)育特征進(jìn)行研究，為今后類似條件煤層開采提供相應(yīng)的技術(shù)支撐。

1 工作面概況

袁店一礦824工作面位于南風(fēng)井西北約540 m，受下伏10煤層開采影響，地面為塌陷區(qū)。該工作面煤層賦存較穩(wěn)定，81煤厚1.4～6.1 m，平均3.2 m，局部含1層0.6～1.3 m厚泥巖夾矸；82煤厚0.7～5.1 m，平均2.2 m，局部含1層0.6～2.0 m厚泥巖夾矸，煤層傾角8°～13°，平均傾角9°。81煤與82煤之間含1層泥巖夾矸，厚度0.60～4.20 m，平均厚度2.05 m。工作面上覆72煤距81煤間距5.5～14.7 m，72煤厚0.85～4.54 m，平均2.50 m，煤巖柱狀如圖1所示。

圖1 煤層柱狀Fig.1 Columnar of coal seam

2 覆巖“兩帶”高度預(yù)測

2.1 基本計算方程

隨著工作面的正?；夭?，上覆巖層的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)被破壞，采空區(qū)上方的巖層受自重應(yīng)力影響呈現(xiàn)出自下而上不同程度的垮落。此時，覆巖破壞外邊緣區(qū)域會發(fā)生彎曲沉降，當(dāng)彎曲沉降到達(dá)一定程度后，巖層在水平方向上被拉伸直至出現(xiàn)斷裂，最終貫通整個巖層，具體如圖2所示。

圖2 覆巖彎曲下沉結(jié)構(gòu)Fig.2 Overlying rock bending and sinking structure

文獻(xiàn)[3]中采用2段圓弧來擬合巖層下沉盆地的內(nèi)外邊緣曲線，但并未考慮角度對導(dǎo)水裂隙帶的影響。本文在前人研究基礎(chǔ)上，添加角度這一影響因素，得到如圖3所示的幾何模型，同時給出層向拉伸率的定義：巖層中間層層向拉伸后的長度增量與原長度的比值[3]，如式(1)所示：

ε=|(l1-l0)/l0|

(1)

式中：l0為巖層彎曲破壞段變形前的長度，m；l1為巖層彎曲破壞段變形后的長度，m。

工作面上方巖層變形主要分為2個部分：采空區(qū)中部上方近水平下沉段和采區(qū)邊緣上方的彎曲拉伸段，具體幾何示意圖如圖3所示。

H—巖層彎曲破斷處到頂板的垂直距離；δ—最大下沉角；γ—邊界角；β—充分采動角；α—煤層傾角；θ—圓弧角；r—圓弧半徑；h—巖層彎曲最大下沉量圖3 巖層彎曲幾何示意Fig.3 Schematic of rock formation bending geometry

由圖3可得式(2)：

l0=AC=AB+BC

(2)

在△ABO′和△BCO′中，由大邊對大角定理可得式(3)：

(3)

整理上式，可得

=BO′(sinδcotγ-cosδ)

=BO′(sinδcotβ+cosδ)

同時有式(4)：

(4)

式中：k為與巖性相關(guān)的系數(shù)，當(dāng)α<45°時，k取0.5。

最終可得式(5)：

(5)

用2段曲率和弧長相等且方向相反的圓弧來擬合巖層彎曲后的下沉盆地邊緣段曲線，設(shè)圓弧的角度和半徑分別為θ和r，可得下沉盆地邊緣段曲線弧長為式(6)：

l1=2πrθ/180

(6)

在△EDD′中，有式(7)～(8)：

ED′2+ED2=DD′2

(7)

(8)

整理上式可得式(9)：

(9)

2.2 上覆巖最大下沉量的計算

工作面不斷向前推進(jìn)，直接頂受上部巖層壓力作用破碎下沉呈不連續(xù)狀向采空區(qū)垮落，出現(xiàn)垮落帶，由于垮落的巖塊較垮落前體積增大，在自由堆積作用下，逐步填充開采空間，當(dāng)垮落帶達(dá)到一定高度后才自行停止。上覆巖層垮落趨于穩(wěn)定后，由于覆巖層垮落的自由空間較小，斷裂巖塊之間也存在相互咬合作用，導(dǎo)致覆巖僅出現(xiàn)彎曲下沉。此時，彎曲的高位巖層不斷擠壓下部采空區(qū)垮落的巖體，使得垮落的巖體緩慢壓縮并出現(xiàn)變形，當(dāng)下沉的巖體都不再發(fā)生變形、移動后，各巖層垮落巖體的碎脹系數(shù)為殘余碎脹系數(shù)K。因此，利用垮落帶巖體下沉劇烈且垮落巖塊存在碎脹性的特點(diǎn)，通過殘余碎脹系數(shù)反推采空區(qū)上方不同巖層的最大下沉量，具體公式為式(10)：

(10)

式中：M為煤層采高，m；Ki為第i層巖層的巖石殘余碎脹系數(shù)；Si為第i層巖層層厚，m。

通過查閱參考文獻(xiàn)[10]并結(jié)合現(xiàn)場實際情況，取采動穩(wěn)定后各巖層碎脹系數(shù)和殘余碎脹系數(shù)見表1。

表1 不同巖石碎脹系數(shù)和殘余碎脹系數(shù)Table 1 Different rock breaking expansion coefficients and residual breaking expansion coefficients

裂隙帶由于完整性較好，覆巖層通常以傳遞巖梁的形式進(jìn)行破斷，當(dāng)工作面回采穩(wěn)定后，其巖層內(nèi)部的碎脹系數(shù)通常與巖層自身性質(zhì)、外載荷等因素有關(guān)，隨著遠(yuǎn)離采空區(qū)水平，破裂巖塊的塊度不斷增大，殘余碎脹系數(shù)呈對數(shù)函數(shù)形式逐漸減小，由于裂隙帶中不同層位高度的殘余碎脹系數(shù)都不統(tǒng)一，因此可以采用平均碎脹系數(shù)代替殘余碎脹系數(shù)模擬裂隙帶的碎脹特性，在豎向方向上用平均碎脹系數(shù)與巖層高度進(jìn)行計算[11-12]，即式(11)：

Kp=1.11-0.017lnH(H<100)

(11)

式中：Kp為平均碎脹系數(shù)。

裂隙帶隨著開采區(qū)域的不斷擴(kuò)大而向上發(fā)展，當(dāng)擴(kuò)展到一定范圍后，巖層間的自由空間不斷減小，自由空間是影響裂隙帶巖層變形、破斷到貫通的重要因素，因此可用平均碎脹系數(shù)和頂板高度的關(guān)系式來計算[13]，即式(12)：

(12)

式中：Kp為裂隙帶的平均碎脹系數(shù)；Kpj，Kpz分別為第j層和第z層平均碎脹系數(shù)；Sj為第j層巖層的直接頂層厚，m；Sz為第z層巖層的基本頂層厚，m。

綜上所述，不同巖層下沉量和巖層層向拉伸率受煤層采高、殘余碎脹系數(shù)、邊界角、充分采動角和巖層層位高度等條件的影響。

2.3 預(yù)測結(jié)果及分析

基于袁店一礦824綜放工作面的具體工程背景，計算煤層上方不同高度巖層的最大下沉量和層向拉伸率。824綜放工作面開采厚度為3.00 m，放煤高度約為4.45 m，工作面采放比為1∶1.5，綜放回采總厚度平均7.45 m，頂板上覆巖層為中硬巖層，查閱《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》[14]可得cotγ≈cotβ=0.463，并結(jié)合式(1)，(5)，(9)，(10)計算上覆巖層的垮落帶高度，具體計算結(jié)果見表2。

由表2可知，工作面回采導(dǎo)致礦山壓力顯現(xiàn)，引起上覆巖層垮落，煤層上方9#粉砂巖的最大下沉量為-3.32 m，下沉量為負(fù)值說明巖層缺少下沉空間，再通過式(10)反推出35.57 m為下沉量為0 的點(diǎn)位，可判斷垮落帶發(fā)生在粉砂巖層內(nèi)，因此預(yù)測30.20～41.20 m為垮落帶的位置。但此時巖層層向拉伸率ε為1，說明工作面上方還有下沉破壞的巖層。因此結(jié)合式(1)，(5)，(9)，(11)，(12)計算工作面裂隙帶的高度，具體參數(shù)見表3。

表2 垮落帶高度預(yù)測參數(shù)Table 2 Prediction parameters of collapse zone height

表3 導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測參數(shù)Table 3 Prediction parameters of water-conducting fractured zone height

由表3可知，隨著巖層層位的升高，平均碎脹系數(shù)緩慢減小，下沉量也隨之減小，巖層層向拉伸率也不斷減小，但減小幅度不斷變化。10#細(xì)砂巖到11#泥巖的層向拉伸率由1.810下降到0.438，有明顯的變化趨勢，降幅達(dá)75%。13#泥巖到14#粉砂巖的層向拉伸率減小了0.05，降幅僅僅為32.4%。14#粉砂巖至15#的泥巖層向拉伸率由0.104下降到0.013，減小了將近87.5%，16#的粉砂巖層向拉伸率趨近于0，說明巖層彎曲程度近乎直線，即巖層不彎曲，且此時最大下沉量為負(fù)值，說明巖層受空間約束不發(fā)生彎曲運(yùn)動。

結(jié)合文獻(xiàn)[3]中給出的不同巖層與層向拉伸率的關(guān)系：軟弱巖層得到巖層層向臨界拉伸率大于0.40%；中硬巖層巖層層向臨界拉伸率為0.10%～0.24%；堅硬巖層的巖層層向臨界拉伸率為0.04%[3]。綜合上述分析，預(yù)測垮落帶出現(xiàn)在9#粉砂巖層內(nèi)，15#泥巖以下劃分為導(dǎo)水裂隙帶的范圍，即垮落帶的發(fā)育高度范圍為30.2～41.2 m，裂隙帶的發(fā)育高度范圍為70.7～78.2 m。

3 數(shù)值模擬分析

基于袁店一礦824綜放工作面的實際地質(zhì)資料，在巖石力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)，采用3DEC數(shù)值模擬軟件建立三維模型，模擬極近距離煤層俯采階段的綜放開采情況。具體模型如圖4所示，其中模型尺寸：長×寬×高為200 m×10 m×125 m。煤層傾角為9°，模擬煤層的下限標(biāo)高為-316.8 m、上限標(biāo)高為-286 m，模型的下限標(biāo)高為-323.8 m、上限標(biāo)高為-198 m，共計25層不同巖性的巖層，可以準(zhǔn)確地反映出圍巖結(jié)構(gòu)的層狀巖性。模擬巖石的主要力學(xué)參數(shù)見表4。

表4 數(shù)值模擬力學(xué)參數(shù)Table 4 Numerical simulation mechanical parameters

圖4 數(shù)值模擬模型Fig.4 Numerical simulation model

實驗?zāi)M主要研究了沿走向方向上覆巖層兩帶的變化規(guī)律，824工作面每隔20 m開挖1次，采高為3 m，夾矸層厚度設(shè)置為2 m，即開挖82煤整體及部分夾矸，再放上部81煤。工作面開采后引起上覆巖層移動，導(dǎo)致應(yīng)力重新分布，并出現(xiàn)一系列礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象。

工作面覆巖運(yùn)動及應(yīng)力云圖如圖5所示，從圖5可以看出，整個采場覆巖受采動影響都發(fā)生了移動、變形。采空區(qū)上覆巖層不斷向采空區(qū)方向運(yùn)動，形成下沉區(qū)域。當(dāng)開挖至60 m時，應(yīng)力集中范圍變大，超前支承壓力在工作面前方4.1 m處達(dá)到峰值，應(yīng)力峰值為17.2 MPa，影響范圍將近43.0 m，應(yīng)力集中系數(shù)為1.6，此時上覆巖層失去平衡，工作面頂板完全垮落，從緊靠煤層的巖層開始垮落，形成壓實區(qū)域，并逐步向上發(fā)展，垮落的巖石呈不連續(xù)、破碎狀，垮落距離達(dá)32.1 m，換算成豎直距離為32.5 m。隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，裂隙不斷向高水平發(fā)育，當(dāng)開挖至120 m時，超前支承壓力峰值增加到22.03 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.15，影響范圍大約為55 m，此時上覆巖層垮落趨于穩(wěn)定，裂隙帶高度基本不再向上發(fā)展，最大達(dá)76.30 m，換算成豎直距離為77.25 m。同時在垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶的過渡階段出現(xiàn)彎曲結(jié)構(gòu)失穩(wěn)現(xiàn)象，這是由于垮落帶巖層的下沉空間較大而裂隙帶巖層的下沉空間較小所造成的，也從側(cè)面揭示了巖層層向拉伸發(fā)生的原因，并且由于工作面階段開挖，垮落帶范圍內(nèi)出現(xiàn)大量豎向裂隙。

圖5 824工作面覆巖運(yùn)動及應(yīng)力云圖Fig.5 Overlying rock movement and stress cloud diagram of No.824 working face

根據(jù)煤層上方3組位移測線得到如圖6所示的工作面開采不同距離時的上覆巖層位移曲線和位移云圖，由圖6可知，測線1#～3#基本在距離模型邊界約80 m的測點(diǎn)處位移達(dá)到最大值，80 m為模型中間靠上的位置，這說明受傾角的影響，上覆巖層垮落的極值位置略微提前，并不是傳統(tǒng)的對稱形式。3組測線的最大下沉量分別為5.82，5.49，4.51 m，2#測線的最大下沉量相較1#測線減小了5.6%，3#測線的最大下沉量相較2#測線減小了17.8%，推測1#和2#測線分別位于垮落帶中，3#測線位于裂隙帶中。

圖6 工作面回采不同測線覆巖位移云圖和曲線Fig.6 Overlying strate displacement curves of different survey lines in working face

綜合所述，通過3DEC數(shù)值模擬分析了袁店一礦824工作面開挖到結(jié)束上覆巖層垮落的基本形態(tài)，得出垮落帶和裂隙帶分別為32.50 m和77.25 m，滿足上文理論分析得到的垮落帶和裂隙帶的發(fā)育高度范圍。

4 現(xiàn)場實測情況

4.1 上覆巖層變形分布式光纖監(jiān)測技術(shù)

采用的是分布式光纖傳感技術(shù)—布里淵光時域反射計(BOTDR)，基于自發(fā)式布里淵散射原理[15]，實驗設(shè)備采用由中電41所研制的AV6419型光時域應(yīng)變測量儀和金屬基索狀光纖(NZS-DSS-C02)。通過分布式傳感光纖測量煤層開采過程中覆巖的應(yīng)變狀態(tài)，將一定長度的光纖埋入上覆巖層內(nèi)部，在巖層與光纖同步變形的條件下監(jiān)測上覆巖層變形過程中的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)。定義拉應(yīng)變?yōu)檎担瑝簯?yīng)變?yōu)樨?fù)值，光纖應(yīng)變點(diǎn)的空間采樣間隔為0.5 m，分析覆巖變形和受力的動態(tài)變化過程及特征，并結(jié)合覆巖巖性，分析上覆巖層的移動破壞情況，從而得到覆巖“兩帶”的分布規(guī)律。具體測試原理如圖7所示。

圖7 光纖監(jiān)測技術(shù)原理Fig.7 Principle of optical fiber monitoring

4.2 光纖布設(shè)位置

在袁店一礦824綜放工作面回風(fēng)巷內(nèi)，距工作面前方80 m處設(shè)計1個分布式光纖鉆孔，在回風(fēng)巷頂板處施工，沿工作面傾斜方向推進(jìn)，編號為Ⅰ號孔，設(shè)計傾角65°，水平角15°，孔斜長110 m，設(shè)計孔徑為75 mm，鉆孔方向為工作面上覆巖層方向，具體布設(shè)如圖8所示。

圖8 光纖布設(shè)位置Fig.8 Layout of fiber placement position

4.3 光纖監(jiān)測過程

將分布式傳感光纖埋入鉆孔并進(jìn)行注漿封孔，待鉆孔內(nèi)漿液凝固后，利用BOTDR分布式光纖數(shù)據(jù)解調(diào)儀，獲取鉆孔內(nèi)光纖的初始應(yīng)變數(shù)據(jù)。根據(jù)824綜放工作面的回采進(jìn)度，監(jiān)測并記錄鉆孔內(nèi)分布式光纖的應(yīng)變分布情況。通過對分布式光纖應(yīng)變分布、變化特征以及分布式光纖斷點(diǎn)位置的分析，獲得采場覆巖的變形和破壞規(guī)律，最終確定采場覆巖垮落帶和裂隙帶的高度。

4.4 回采過程中覆巖應(yīng)變變化規(guī)律

由圖9可見，光纖應(yīng)變總體呈壓應(yīng)變，覆巖鉆孔受采動影響沿近豎向發(fā)生整體壓縮。但在不同孔深位置，光纖所監(jiān)測的應(yīng)變值是不同的，隨著工作面開挖逐步靠近監(jiān)測孔，上覆巖層受到的超前支承壓力不斷增大，當(dāng)工作面開挖距監(jiān)測鉆孔40 m時，得出光纖在33.6 m處發(fā)生破斷，折算垂直高度為30.4 m，即30.4 m為垮落帶高度。

圖9 光纖應(yīng)變分布曲線Fig.9 Optical fiber strain distribution curve

工作面超前支承壓力達(dá)到臨界值后，上覆巖層整體性被破壞，巖層間出現(xiàn)裂隙和斷裂，光纖也隨之受力出現(xiàn)損壞直至破壞，并且在斷裂位置呈現(xiàn)出應(yīng)變值變大的情況，當(dāng)工作面開挖距監(jiān)測鉆孔20 m時，在孔深82.5 m處出現(xiàn)拉應(yīng)力峰值，說明此處為裂隙帶高度，折算垂直高度為74.8 m。綜合上述分析，現(xiàn)場實測得出垮落帶和裂隙帶的高度分別為30.4 m和74.8 m，完全滿足理論推導(dǎo)所得出的垮落帶為30.2～41.2 m的范圍及裂隙帶為70.7～78.2 m的范圍。同時將光纖測試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較分析可知：光纖測試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的垮落帶相差2.1 m，光纖測試結(jié)果比數(shù)值模擬結(jié)果小6.4%，導(dǎo)水裂隙帶相差2.45 m，比數(shù)值模擬結(jié)果小3.1%，二者相差較小，從而驗證了數(shù)值模擬的正確性。

光纖應(yīng)力應(yīng)變曲線與地層巖性的分布關(guān)系如圖10所示。由圖10可以看出，沿傳感光纖應(yīng)變分布是不均勻的，處于彈性模量較高的砂巖中的光纖應(yīng)變變化較小，而處于彈性模量較低的泥巖中應(yīng)變較大，因此推斷光纖的應(yīng)變分布與地層巖性具有很好的對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)光纖應(yīng)變出現(xiàn)突變時，說明該處的巖層已經(jīng)出現(xiàn)裂隙，以此來監(jiān)測煤層回采過程中覆巖的變形、破壞過程，這也為覆巖垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶的確定提供了一種新的技術(shù)手段。

圖10 光纖應(yīng)變曲線與地層層位之間的關(guān)系Fig.10 Relationship between optical fiber strain curve and stratum

5 結(jié)論

1)考慮極近距離煤層角度的影響，推導(dǎo)出巖層彎曲下沉邊緣段變形前后的長度計算公式，根據(jù)覆巖的碎脹特征計算各巖層的最大下沉量，并采用巖層層向拉伸率來判斷上覆巖層垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶的垮落情況和裂隙發(fā)育程度，最終預(yù)測垮落帶和裂隙帶的范圍分別為30.2～41.2 m和70.7～78.2 m。

2)采用3DEC數(shù)值模擬分析了824工作面開挖后的上覆巖層垮落的基本形態(tài)和裂隙分布規(guī)律，并結(jié)合其位移云圖和監(jiān)測線位移曲線的分布特征，分析了傾角對綜放開采“兩帶”的影響，得出垮落帶和裂隙帶分別為32.5 m和77.25 m，驗證了上文理論分析的結(jié)果。

3)采用分布式光纖應(yīng)變檢測技術(shù)，對824工作面前方80 m處的上部頂板進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測，測得垮落帶約30.4 m，裂隙帶約74.8 m，并發(fā)現(xiàn)巖層錯動位置多發(fā)生在巖性強(qiáng)度較低的位置，可為覆巖垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶的確定提供新的技術(shù)手段。