急傾斜煤層采動(dòng)垮冒高度分布規(guī)律研究

王磊 WANG Lei；王坤 WANG Kun；龍?jiān)诤?LONG Zai-hai；王永敬 WANG Yong-jing；師吉林 SHI Ji-lin；姬周飛 JI Zhou-fei

（①國(guó)家能源集團(tuán)新疆能源有限責(zé)任公司烏東煤礦，烏魯木齊 830000；②中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，撫順 113122；③中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，撫順 113122）

0 引言

采空區(qū)內(nèi)部空隙和裂隙分布是漏風(fēng)、瓦斯賦存和有害氣體運(yùn)移的載體，為了控制急傾斜煤層在采動(dòng)影響條件下瓦斯涌出和采空區(qū)自然發(fā)火等災(zāi)害，必須掌握急傾斜煤層采動(dòng)垮冒帶高度發(fā)育情況。近年來，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)緩傾斜煤層、傾斜煤層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度和確定進(jìn)行了大量研究，主要通過理論計(jì)算、相似模擬、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等，研究不同的影響因素對(duì)開采煤層的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的影響程度。此外，還有些學(xué)者針對(duì)特定的開采條件下利用數(shù)值模擬軟件，研究導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度[1-4]。但是，鮮有學(xué)者對(duì)急傾斜煤層的采動(dòng)垮冒帶高度分布規(guī)律進(jìn)行研究。

本文采用理論分析和3DEC數(shù)值模擬的方法對(duì)其開展研究，為后期礦井采空區(qū)的火災(zāi)防治和流場(chǎng)分析等研究提供科學(xué)的依據(jù)。

1 急傾斜煤層概況

烏東煤礦南區(qū)B3+6煤層傾角86°～89°，平均傾角87°，走向N58°～60°之間，最大厚度52.3m，最小厚度39.85m，平均厚度48.87m，內(nèi)含夾矸4～20層，夾矸總厚0.08～4.40m，有益厚度為44.99m，屬于急傾斜特厚煤層。南區(qū)B1+2煤層平均厚度為30m，傾角85°～88°，平均傾角87°，走向N58°～60°之間，全井田范圍煤穩(wěn)定可開采。B1+2、B3+6煤層最短自然發(fā)火期均為45天，且煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性。南區(qū)B1+2、B3+6煤層初次開采標(biāo)高為+550m，分階段綜放開采，階段高度25m，已開采至+425m。

南區(qū)B1+2、B3+6煤層及巖層的宏觀力學(xué)參數(shù)見表1所示，各巖層接觸面細(xì)觀參數(shù)見表2所示。

表1 南區(qū)各煤巖層宏觀參數(shù)

表2 南區(qū)各煤巖層細(xì)觀參數(shù)

2 采動(dòng)垮冒帶高度理論分析

我國(guó)煤炭部門總結(jié)的冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶最大高度的經(jīng)驗(yàn)公式見表3所示[5-7]。

表3 冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶最大高度的經(jīng)驗(yàn)公式

根據(jù)第1節(jié)中，南區(qū)B1+2、B3+6煤層開采技術(shù)參數(shù)可知，目前急傾斜煤層累計(jì)采出厚度為150m，針對(duì)煤層傾角、煤巖特性參數(shù)和采空區(qū)頂板管理方法等指標(biāo)，及冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶最大高度計(jì)算公式，急傾斜煤層垮冒帶高度可采用下式計(jì)算：

式中：M—開采煤層累計(jì)采厚。

h1=0.5M=0.5×150m=75m

因此，南區(qū)急傾斜煤層由初采標(biāo)高+550m，開采至+425m后，采空區(qū)煤巖體垮冒帶高度約為75m。

3 采動(dòng)裂隙及離散煤塊粒徑分布數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)3DEC建模理論（具體參數(shù)），在煤層走向上，不同階段的煤層開挖可以簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問題。因此，在煤層走向上（即Y方向）設(shè)置為模型的寬度40m，最終建立模型尺寸為360m?40m?525m。根據(jù)烏東南區(qū)地質(zhì)勘察報(bào)告及煤巖體力學(xué)報(bào)告等內(nèi)容，在模型豎向施加自重應(yīng)力，最大主應(yīng)力方向?yàn)槠矫娣较颍钚≈鲬?yīng)力方向?yàn)榇怪逼矫娣较?，?duì)模型施加對(duì)應(yīng)的地應(yīng)力場(chǎng)。煤巖采用從上而下的開采方式，模型最高標(biāo)高為+825m水平，上部10m煤巖被開挖掉，此次模型從+550m水平開始，從上到下對(duì)煤巖進(jìn)行逐層開挖，階段高度為25m左右，B3-6煤層以及B1-2煤層均在開采范圍內(nèi)[8-10]。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

利用3DEC數(shù)值模擬軟件，模擬了B1+2、B3+6煤層在不同開采深度條件下，煤層垮冒帶高度發(fā)育規(guī)律及分布情況，如圖1所示。

圖1中彩色部分所示為大小介于1～20mm之間的裂隙法向位移，灰色部分為法向位移小于1mm的裂隙分布，由于灰色部分裂隙開度（法向位移值）很小，灰色部分的裂隙開度可以忽略，因此，彩色部分展示了煤層采動(dòng)過程中的動(dòng)態(tài)發(fā)育情況。在對(duì)B3+6以及B1+2位于+550m的煤層開采后，采動(dòng)作用主要對(duì)煤層的垮冒帶發(fā)育影響較為顯著，特別是在開采工作面附近，將形成較大的垮冒開度，另外，煤層厚度越大，開采的跨度越大，不僅工作面上部裂隙更早地形成貫通區(qū)，而且工作面下方的垮冒擴(kuò)展范圍越大，且縱向擴(kuò)展深度越大。煤層中垮冒帶一般以共軛角的形式發(fā)生拉伸破壞，在開挖一個(gè)階段高度后，工作面周圍圍巖出現(xiàn)零星小開度裂隙，這說明，一個(gè)階段高度的煤層開挖，并不會(huì)對(duì)圍巖造成較為明顯的影響。

在工作面開采至+525m時(shí)，煤層工作面垮冒范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，B3+6煤層空區(qū)頂部開始出現(xiàn)程度較大的拉伸破壞，拉裂區(qū)影響高度大約為2個(gè)開采階段高度，即50m。B1+2工作面上部拉裂區(qū)高度大約為1.5個(gè)開采階段高度，即37.5m，且B1+2上端煤體垮冒區(qū)此時(shí)并未完全貫通。B3+6及B1+2煤層周圍，開始出現(xiàn)較為明顯的豎向垮冒區(qū)域，中間巖柱裂隙并未貫通。

在工作面開采至+500m時(shí)，工作面煤層頂部有明顯的塊體分離及垮落的現(xiàn)象，在自重應(yīng)力的作用下掉落下部采空區(qū)，B3+6工作面頂板側(cè)的垮冒帶漸進(jìn)拉伸開裂范圍逐漸接近3個(gè)階段高度，即75m，工作面底板側(cè)的垮冒區(qū)域擴(kuò)展范圍約為3個(gè)階段高度，但影響較大的區(qū)域集中在工作面下部約2個(gè)階段高度，即50m范圍內(nèi)。煤層開挖面兩側(cè)逐漸形成豎向拉裂隙，由開挖工作面向兩側(cè)擴(kuò)展，但裂隙開度一般小于5mm。

當(dāng)工作面開采至+450m及+425m水平時(shí)，B3+6煤層頂板側(cè)的垮冒開度基本無明顯變化，垮冒擴(kuò)展高度約為3～4個(gè)階段高度，約為75～100m左右。而工作面底板處，其垮冒擴(kuò)展范圍保持在3個(gè)階段高度上。圍巖中垮冒帶的擴(kuò)展高度與工作面開采高度范圍保持一致，隨著開采工作面往垂直向下方向開采而增大。

隨著工作面向下水平開采，南區(qū)煤層的煤塊粒徑的變化過程如圖2所示。

由圖2可知，分離的煤巖塊體幾乎都集中于煤層中，B3+6及B1+2煤層兩側(cè)圍巖未產(chǎn)生巖塊的分離，視為一個(gè)整體。可以看出，煤層工作面頂?shù)装迕簤K隨著工作面的不斷推進(jìn)將產(chǎn)生愈發(fā)明顯的塊體分離，隨著工作面的推進(jìn)，空區(qū)高度的增加，使得煤塊粒徑逐步趨于增大化，顯然，工作面頂板處分離的大粒徑煤塊要多于工作面底板處的分離煤塊，這是由于工作面底板處的煤層是隨著工作面向下開采而不斷更新的，底板受到的開采擾動(dòng)要比頂板處的煤層更加頻繁[11-12]。

4 結(jié)論

①根據(jù)我國(guó)煤炭部門總結(jié)的冒落帶最大高度的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算得到工作面開采至+425水平時(shí)，垮冒帶最大高度約75m。②理論分析垮冒帶高于與3DEC數(shù)值模擬結(jié)果一致，即煤層開采至+450及+425水平時(shí)，煤層頂板側(cè)的垮冒帶高度發(fā)展趨于穩(wěn)定，約75～100m，底板側(cè)的垮冒帶保持在3個(gè)階段高度約75m。③B3+6與B1+2煤層間的圍巖未產(chǎn)生分析；煤層頂板煤塊隨向下水平開采出現(xiàn)明顯塊體分離，隨著向下開采，煤塊粒徑逐步趨于增大化，且頂板處分離的大粒徑煤塊多于煤層底板。