基于相似模拟实验的采动裂隙场演化规律研究

华明国，刘进平，吴 兵，雷柏伟

(1.山西潞安集团余吾煤业有限责任公司，山西 长治 046103；2. 中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京 100083)

随着煤矿综采工作面支护与开采装备水平的不断提高，忽略了综采放顶煤、大采高等高强度开采条件下顶板岩层移动、破坏在时间和空间上的发展特性及其对瓦斯涌出和分布的影响[1-2]。现场实际和研究分析表明，综采放顶煤、大采高等高强度开采方式使得采动影响范围和空间扩大[3-4]，煤岩层的垮落与破坏机制、采动覆岩裂隙场时空演化过程对煤岩体卸压瓦斯流动、涌出规律起重要作用，采动覆岩裂隙场在时间和空间上的发展演化与卸压瓦斯运移相关性以及两者的相互作用关系是瓦斯治理与抽放的理论基础，也是控制瓦斯事故发生的关键。因此对综放开采条件下覆岩裂隙场演化规律的研究具有重要意义。

1 相似模拟实验原型工程条件

实验以山西潞安集团某煤矿N3-8综放面为基本原型。该工作面所采3#煤层为全井田可采的稳定煤层，埋藏深度为342.7～398m(取360m)，煤层厚度3.53～5.95m，平均5m。该煤层平均133.20m，工作面走向长度758m，倾向长150m，煤层倾角5°～16°，平均8°，该工作面采用综放一次采全高的开采方法，采高3.0m，循环进度0.8m。该煤层结构简单-较简单，含0-2层夹矸，N3-8工作面煤岩层物理力学性质见表1。

2 相似模型实验参数的确定及模型的制作

根据各相似比换算出模拟材料的容重、抗压强度、泊松比等参数(见表2、3)。

表1 N3-8工作面上覆岩层物理力学性质

表2 N3-8工作面模型相似参数

表3 相似模型煤岩体物理力学性质

选取材料进行配比，计算出各层用料量，进行模型制作，每次装料大约1cm厚，并进行适当的滚压，层间撒一层云母粉作为层理面[5]。实验在中国矿业大学(北京)相似模拟实验室进行。制作好的模型全景图照片如图1(走向方向剖面)和图2(倾向方向剖面)所示。相似模型一共布置210个测点，用来测试煤层开采过程中覆岩位移和应力的变化。

图1 相似模型沿走向方向全景图

图2 相似模型沿倾向方向全景图

3 实验结果分析

3.1 开采过程中顶板垮落裂隙演化特征(沿走向)

当工作面回采至33m时，顶板初次来压，中粒砂岩(老顶)断裂垮落，K2灰岩下方出现较大离层裂隙，高度为9.5m，岩梁长度19.2m，如图3所示。工作面回采至37m时，K2灰岩下方出现较明显的断裂裂隙，K2石灰岩上方出现离层裂隙，并有往上发展的势头；继续推进至43m时，顶板首次出现周期来压，来压步距10m，冒落高度6.5m，离层裂隙发育高度14.7m，如图4所示，可将图中垮落带与裂隙发育区域边界近似为直线，可以看出模拟的实验图像近似为梯形状，黄色梯形内部为垮落部分，蓝色梯形直线为裂隙最发育边界；第2次周期来压发生在推进距55m时(来压步距12m)，顶板大面积冒落，未垮岩梁长度达29.2m，离层裂隙发育高度16.7m。

图3 推进至33m时顶板裂隙分布

图4 推进至43时顶板裂隙分布

图6为第11次周期来压时顶板岩层垮落及裂隙发育状态，此时工作面距离切眼156m，裂隙最大高度距离煤层顶板38m，其岩层垮落和裂隙分布形态与第10次周期来压基本相同(见图5)。上述现象说明随着工作面的继续推进，挠动影响不断扩大，但是离层裂隙发育位置并不是持续上升，而在某些关键性岩层断裂垮落时才会明显。如图7所示，在工作面回采至距离切眼172m时，离层裂隙发育至第35层细砂岩，高度43m，并呈现出闭合趋势。而当推进至240m的时候，出现第17次周期来压，图8中显示上覆岩层中部的离层裂隙大致闭合，此后继续回采采动裂隙并未向上发展，并保持一个相对稳定的值(距离煤层顶板52m)。

图5 推进至143m时顶板裂隙分布

图6 推进至156m时顶板裂隙分布

图7 推进至172m时顶板裂隙分布

图8 推进至240m时裂隙分布

开采过程中顶板垮落裂隙演化特征(沿倾向)

当回采至33m时顶板初次来压，老顶垮落，随着周期来压的正常显现，工作面进入正常回采阶段，如图9所示，上覆岩层经历了移动、弯曲、破坏、断裂、垮落的过程，在这个过程中首先是强度较低厚度较薄的岩层因受采动应力影响而弯曲甚至断裂，由于每个岩层强度硬度等物理性质的不同而导致层与层之间产生离层现象[6-7]，并出现很多纵横交错的裂隙，而随着工作面的继续推进，由产生新的裂隙并进行叠加，使得原来的裂隙网络更加繁复杂乱。强度较低厚度较薄的岩层在整个覆岩裂隙演化过程中维持稳定形态的时间较短，对裂隙演化速度影响较小，反观那些强度较高厚度较大的岩层，对整个覆岩移动破坏包括裂隙的形成和发展快慢起着决定性的控制作用。随着采动影响达到模型的顶部，采空区中部被压实，离层基本闭合，如图10所示，从图中可以看出在整个过程中，不仅产生顺层理面的离层裂隙，而且还由于拉应力的作用产生大量的垂直或斜交于层理面的裂缝或断裂。

图9 采动影响未达到模型顶部时裂隙分布

图10 采动影响达到模型顶部时裂隙分布

4 结论

本文通过相似模式实验对覆岩裂隙场演化规律进行研究，并总结出岩体内部移动规律。结果表明：

1)裂隙带高度并不是一直在上升，而是在关键性岩层破断时才会有较大变化，而在这之前则在一定时期保持相对稳定；

2)强度较低厚度较薄的岩层在整个覆岩裂隙演化过程中维持稳定形态的时间较短，对裂隙演化速度影响较小，而那些强度较高厚度较大的岩层，对整个覆岩移动破坏包括裂隙的形成和发展快慢起着决定性的控制作用；

3)当工作面回采至一定距离时，覆岩层中部的离层裂隙大致闭合，此后继续回采采动裂隙并未向上发展，并保持一个相对稳定的值。

[1] Saghafi A，Jeger C，Tauziede C，et al.A new computer simulation of in seam gas flow and its application to gas emission prediction and gas drainage[C] //Dai G Q，Proceedings of the 22ndInternation Conference of Safety in Mines Research Institutes.Beijing：China Coal Industry Publishing House,1987.

[2] Senseny P E，et al.Influence of deformation history on permeability and specific srorage of masaverde sandstone[C] //Proceeding of 24thU.S. Symposium on Rock Mechanics，1983.

[3] Somerton W H.Effect of stress on permeability of coal[J]. International Journal Rock Mechanics and Mining Sciences &Geomechanics Abstracts，1975，12(2)：151-158.

[4] Harpalani S，Mopherson M J.The effect of gas evocation on coal permeability test specimens[J]. Inernational Journal of Rock Mechanics and Mining Science & Geomechanics Abstracts，1984，21(3)：361-364.

[5] Harpalain S.Gas Flow Through Stressed Coal [D].California：University of Berkeley，1985.

[6] Gawuga J.Flow of Gas Through Stressed Carboniferous Strata [D].London：University of Norttingham，1979.

[7] Khodot V.Role of mechane in the stress state of a coal seam[J]. Soviet Mining Science，1980，17(5)：460-466.