赵各庄矿深部大倾角综放工作面裂隙场的相似模拟研究

原 伟

（1.太原理工大学 矿业工程学院，太原 030024；2.山西三元煤业股份有限公司，山西 长治 046000）

多年来，科技工作者从三方面研究采动条件下煤岩裂隙发育状况：一是深入现场进行实地观测；二是在实验室进行相似材料模拟试验[1]；三是理论研究，通过力学解析分析法、数值分析和近代数学、力学和计算科学方法。本文以开滦煤业集团赵各庄矿3237工作面为例，研究深部开采条件下大倾角综放工作面裂隙场演化规律。

1 工作面的概况

赵各庄矿3237综采放顶煤工作面是典型的多灾害并存的工作面，位于十三水平西翼1石门12煤层，沿底板布置，受地质构造影响；3237西上面走向长度较短，不利于综采优势的发挥；3137西中面（底分层）走向较长，准备时间长，两个工作面衔接较紧张。因此，3237西上面拟跨越3239上山向东连续回采3137西中面（底分层），以达到延长工作面的走向长度、减少巷道掘进量及工作面搬家倒面次数，提高煤炭回采率，缓解综采工作面采掘衔接紧张局面的目的。该工作面所采煤层是高瓦斯煤层，开采中有自燃发火危险，CO浓度40～60 ppm，个别达到100 ppm，尽管也采取了相应措施（如：粉煤灰灌浆、瓦斯抽放、松动爆破等），但是并没有解决问题，是煤矿安全生产的威胁。

赵各庄矿煤层倾角从东向西由下向上逐渐增大，由 24°～35°、平均 28°，煤层走向 290°左右，煤层厚度9.12～14.27 m、平均10.69 m，距上覆9号煤层28～40 m、平均32 m。该工作面地质条件较复杂，处于倾斜向急倾斜过渡区，煤质松软易碎，易抽冒，尤其在断层附近，施工中应采取安全技术措施，掘进中共揭露三条断层。F6断层在十三西3石门所揭露，F7断层在3237西上面老边眼揭露。该工作面为大倾角厚煤层，采用综采放顶煤采煤法，工作面沿底板布置，见图1。3237西上面瓦斯涌出量参照3237东下面正常回采时风排瓦斯及抽放瓦斯量核定。东下面相对瓦斯涌出量11.64 m3/t，平均瓦斯抽放率64.5%；煤层自燃发火期6～8个月；煤尘有爆炸危险，爆炸指数47.4%。该工作面跨越3239上山连续开采，主要面临防治自燃发火、瓦斯、动压等问题。

图1 3237（3137）工作面巷道布置及通风系统示意图

2 深部大倾角综放工作面裂隙场演化特征的相似模拟实验

1）实验设计：工作面参数的实验室模拟，主要参照赵各庄矿煤田西翼煤层赋存状况表和3237工作面的煤岩综合柱状图。3237回采工作面模拟图及位移测点布置：模拟回采方向从进风巷侧，到回风巷侧。右边预留煤柱0.4 m，12号煤层为采动煤层，在其上部20 m左右的11号煤，布置压力传感器一层共四个（Ⅰ～Ⅳ压力传感器）。置位移传感器测定竖直方向位移，共三排12个，标号①～12○。为观察水平方向的滑移，在11号煤层①④⑦⑩和9号煤层②⑤⑧11○测点处布置两组共8个位移传感器测量水平位移，标号分别为 11 号煤层的13○14○15○16○和 9 号煤层的17○18○19○20○（图上未标出）。位移计的布置位置见图 2。

图2 回采工作面实验室模型图

2）上覆岩层垮落后的裂隙带分布：据图分析上覆岩层裂隙纵向分布规律：上覆岩层0～25 m为冒落带，25～70 m为裂隙带，约为采高的10倍，11号煤层位于冒落带，9号煤层处于裂隙带。上覆岩层70 m以上为弯曲下沉带。

3 实验结果分析

1）采场上覆岩层位移规律分析:随着工作面的推进，采空区的上覆及周围岩层均遭破坏，其间的应力关系及位置关系都有变化。位置位移的变化与工作面的推进距离相关，上覆岩层的裂隙和破坏程度则是自下而上的发展。为了分析方便，把布置在同一竖直线上的位移计所测位移的变化量与工作面推进距离的关系曲线绘制在同一坐标系（横坐标为推进距离，单位m；纵坐标为顶板下沉量，单位mm）。以位移计①②③为例的关系图见图3。这一竖直线上的位移计所测位移变化量，主要是随着不断推进，上覆岩层将承受拉应力，岩层垮落之后拉应力变化加快、并不断向上传递，测点从下到上依次产生裂隙并逐渐发育。表现在图中所示曲线上的所测位移量先是近似直线缓慢增加，但是增幅很小而且很缓慢，直到裂隙充分发育。例图中所测变化量测点①最大，测点③最小；测点①距离煤层顶板最近，而测点③最远；在刚开始阶段，测点①由于采动影响引起的应力变化明显，但是采动引起的应力变化还没有完全影响到③测点。由于位移计①②③所在监测线位于开切眼右方煤柱上方，监测点处所产生的裂隙都经受拉应力作用起裂、裂隙发展的过程。随着不断向前推进，采空区逐渐扩大，支撑应力逐渐向进回风巷两端转移，此监测线所在覆岩所受压应力会逐渐增加，应力出现集中，从而导致覆岩裂隙受压逐渐萎缩、变小、吻合，最后被压实闭合[2]。在图中表现为在推进50m以后，靠近煤层顶板的测点①的下沉量最小，而离顶板最远的测点③下沉量最大。离顶板越远的位移计下沉量越大，下沉量的差值也在增加，说明位移计之下岩层受压越厉害。实验过程中，在推进50 m时，初次来压，垮落高度达18m，可见测点③支撑力加剧是在推进50 m，发生初次来压时才开始的。发生初次来压后，采空区上方的冒落带和裂隙带将会成为瓦斯大量聚集区域[3]，也是解决采空区瓦斯问题的关键区域。

图3 ①②③测点位移变化曲线

图4 测点Ⅰ应力变化曲线

2）采场围岩应力分布规律研究：（1）煤层顶板内应力是研究顶板内、巷道卸压瓦斯运移与储集等问题的基础。相似试验模型中，在距离12号煤层上方11号煤层处，布置4个压力传感器。分析时的横坐标为距离煤层开采处的相对距离，纵坐标为压应力变化量。图4是测点Ⅰ的应力变化曲线，测点Ⅰ位于进刀处后方5 m处。测时位于停采线后5 m处。测点1在进刀处向前推进时距离进刀处越来越远，而在距离进刀处约30 m和70 m范围附近时，是两个斜率较大的变化过程，分析其主要原因分别为应力集中和上覆岩层垮落。70 m范围的斜率增幅较小，主要是因为这时冒落的矸石也承受了一部分压力。测点随着煤层进刀的行进，压应力会先出现平缓的逐渐增大的过程，当距离开采处20左右时出现一个峰值，出现应力集中，随着开采的推进，应力集中向煤柱深部转移，测点应力开始降低。（2）经对上覆岩层应力变化的分析，可以得出大倾角工作面上覆岩层的应力分布特征。由于煤层倾角大，使得采空区两侧形成的增压区压力不均衡，采空区下侧承受支承压力较大，采空区上侧承受压力较小。在采空区顶、底板岩层内形成了减压区，减压的结果在顶板岩层内出现了离层。当岩层稳定后，采空区中部上方的区域还有着充分的裂隙，而在采空区进回风巷两侧以外的一定区域内，则是上覆岩层承压的区域，在这块区域的纵向有着压缩变形，横向则有着拉伸变形。

4 结论

1）通过实验室相似模拟和计算机数值模拟，发现随着煤层的采出，煤层上岩层的裂隙会增大，形成大量的瓦斯聚集空间，随着煤层上方岩层垮落，采空区冒落范围的扩大，上覆岩层的裂隙会逐渐压实甚至闭合，但由于岩层变得松动，坚固性系数下降，所以仍会有大量瓦斯赋存在裂隙中。赵各庄矿大倾角煤层上覆岩层裂隙纵向分布规律为：上覆岩层0～25 m为冒落带，25～70 m为裂隙带，70 m以上为弯曲下沉带。11号煤层位于冒落带，9号煤层位于裂隙带，7号煤层在弯曲下沉带。2）随着工作面的不断推进，远离工作面的采空区上覆岩层所受压应力会逐渐趋于稳定。3）通过研究赵各庄12号煤层3237工作面在回采过程中，顶板的冒落及裂隙场分布演化规律，可寻找瓦斯富集区和利用相关工程技术方法改变瓦斯运移通道提供理论依据。4）为探寻采空区自燃发火规律与裂隙场分布之间的关系提供基础支持。

[1] 孙鑫，林传兵，林柏泉.深部大倾角综放工作面上覆煤岩裂隙演化规律研究[J].煤矿安全，2008(4):21-24.

[2] 张胜，田利军，肖鹏.综放采场支承压力对覆岩裂隙发育规律的影响机理研究[J].矿业安全与环保，2011，38(6)：12-14.

[3] 袁亮，郭华，沈宝堂，等.低透气性煤层群煤与瓦斯共采中的高位环形裂隙体[J].煤炭学报，2011，36(3):357-365.

[4] 齐庆新，彭永伟，汪有刚，等.基于煤体采动裂隙场分区的瓦斯流动数值分析[J].煤矿开采，2010，15(5):8-11.