大采高工作面两带高度分析研究

施先盛

（西山煤电股份有限公司 马兰矿，山西 古交 030205）

煤层采出后，采空区周围原岩应力平衡状态受到破坏，导致应力重新分布，从而引起岩层的变形、破坏和移动。开采过程中，受采动应力场影响的煤层上覆岩体，称为采动覆岩［1］，采动覆岩的移动破坏规律的研究是矿业工程领域中一个重要的研究方面［2］.文献［3～7］对煤层开采后的覆岩移动、破坏及裂隙演化规律进行了研究，取得了一些成果。

本文基于山西某煤矿15#煤层实际工程地质条件，运用通用离散元软件（UDEC）进行数值分析，模拟大采高工作面上覆岩层断裂移动以及采动裂隙发育演化过程，分析研究15#煤层上覆岩层断裂、移动变形规律、采动裂隙分布特征等现象。

1 工作面煤层赋存条件

该矿150403工作面为大采高综放工作面，工作面斜长170m，其所采15#煤层平均厚度为4.81m，最大厚度为5.7m，煤层质地均一，煤层赋存稳定，结构简单。煤层倾角为2°～15°，平均倾角8.5°.煤层直接顶为泥岩，厚度为1.3m，上方为细砂岩，厚度为3.39m，直接底为厚4.38m的泥岩。

2 大采高覆岩断裂演化模拟

本次模拟采用UDEC进行模拟计算，以该矿主采煤层15#煤赋的地质条件为依据，由于不同的模拟边界会对模拟结果产生不同的影响［8］，因此，模型走向长度为300m，两边各留60m煤柱，垂直方向为108 m，采用摩尔-库伦准则，上边界载荷按采深270m计算，固定下边界，即y方向速度为0，固定左右边界，x方向速度为0.建立的数值模拟力学图型见图1，各岩层块体的力学参数和各岩层接触面的力学参数见表1，表2.

图1 数值模拟力学图型

表1 模型中各岩层物理力学参数表

表2 模型中各岩层接触面力学参数表

3 模拟结果分析

3.1 直接顶断裂垮落演化过程

从开切眼开始，随着工作面的不断推进，直接顶悬露面积越来越大，直接顶的垮落过程见图2，当工作面推进到16m时直接顶由于重力作用产生弯矩，使岩层弯曲下沉，直接顶第一分层与第二分层开始出现离层；推进到20m时直接顶开始呈“拱”形冒落，直接顶第二分层与第三分层出现离层；推进到26m时直接顶第一、第二分层全部垮落，冒落矸石充填采空区，冒落高度为4～6m，最大自由空间达到2m；工作面推进到30m时直接顶全部垮落，采空区被直接顶冒落的岩石所充填，冒落高度6～8m.

图2 直接顶垮落过程示意图

3.2 基本顶初次垮落过程

直接顶全部垮落后，随着工作面的继续推进，基本顶开始出现离层现象，工作面推进至26m时，基本顶第一、第二分层开始出现离层现象，工作面推进到30m时，基本顶第一、第二分层由于上覆载荷及自身重力的作用从中间断裂，断落后的岩石相互铰接；工作面推进到40m时，基本顶第二分层与第三分层离层，第一分层已全部垮落；推进到50m时，基本顶三分层全部垮落，上覆岩层随着全部垮落，工作面初次来压，来压步距50m左右。基本顶垮落过程见图3.

图3 基本顶垮落过程示意图

3.3 上覆岩层移动下沉规律

模拟过程中，在上覆岩层中沿走向方向布置6条测线，随着工作面的不断推进，上覆岩层分组或分层发生移动下沉，布置在岩层中的测点也随之移动。选取距离切眼10m，位于同一垂直线上不同高度的1号、4号、9号、16号测点的位移变化来分析不同位置的岩层移动下沉规律。各测点的累计下沉量与工作面推进距离的关系见图4.

1号测点位于直接顶下部，工作面推进到测点下方，1测点开始缓慢的下沉，推进至23m时，直接顶第一分层开始离层，下沉高度达到1.1m；推进至26 m时4号测点出现离层现象，1号测点下沉高度为4.1m；工作面推进至30m，直接顶全部垮落。9号测点位于基本顶上部，工作面推进至32m时，9号测点开始出现下沉现象，下沉量较小；当工作面推进至45 m时，9号测点的下沉量剧烈增加，表明直接顶完全断裂，1号、4号测点的下沉量缓慢增加，但趋于稳定，高度在4.7m左右。16号测点位于基本顶上部，距离煤层53m，工作面推进至48m时，下沉量为0.3 m，工作面初次来压之后，其下沉量随着工作面的推进急剧增加；工作面推进为60m时，下沉量为2.3 m，推进到85m，下沉量达3.5m，随后直到模拟结束，其下沉高度变化很小，基本维持在3.5m.

图4 顶板累计下沉量与工作面推进距离关系图

通过上述分析可知，直接顶在工作面推进后，有与基本顶出现离层的趋势，并随着工作面的不断推进，自行的发生冒落。基本顶由于强度较大，一般在工作面推进过后，开始出现缓慢下沉，直到强度不足以支撑上覆岩层压力时发生断裂，这时老顶开始来压。直接顶上的岩层基本是随着基本顶的冒落而发生冒落，变形与基本顶一致，但距离较远的上覆岩层却出现冒落滞后的现象。

3.4 “两带”高度的确定

由多次模拟试验可以发现［9-10］，采动裂隙高度与工作面开采时的初次来压步距和周期来压步距有密切关系。工作面从开切眼，到不断推进的过程，顶板裂隙不断地发育，工作面推进20m、26m、30m时顶板垮落情况见图2，工作面推进40m，50m时上覆岩层破断和运动情况见图3，工作面推进70m、110 m、140m、170m时的覆岩运动状态见图5.从工作面推进不同距离的覆岩运动状态，可以得知，工作面推进30m时，冒落带高度在12m左右，裂隙带高度约15m，裂隙主要以水平裂隙为主，垂直裂隙主要发育在冒落带内。工作面推进到50m时，冒落带高度约15m，裂隙带高度有所增加，高度在25m左右，裂隙带内主要还是以水平裂隙为主。工作面推进至80m时，冒落带高度约18m，裂隙带高度在32m左右。工作面推进到140m、170m时，冒落带高度稳定在20m左右，裂隙带高度约为30m.

图5 不同推进距离覆岩运动状态图

4 工程实例分析

在该矿150403工作面进行了钻孔瓦斯抽采试验，在工作面回风巷沿走向方向每隔50m布置一个瓦斯抽采钻场，共布置8个钻场，每个钻场沿走向顺着采空区方向布置4～6个抽采钻孔。抽采钻孔尽量布置在采空区裂隙带里面，钻场及钻孔布置见图6.钻孔施工及封孔完毕后，将抽采管连接至高负压抽采系统中，抽采负压在23.2～32kPa.为考察钻孔抽采效果，钻孔设计时采用较大的倾角，便于确定抽采最为有效的钻孔终孔的空间位置。高位抽采钻孔距离煤层顶板6～14m 时，抽采量较大，抽采浓度在10%～16%，纯瓦斯抽采量在2.1～3m3／min；高位抽采钻孔距离煤层顶板14～22m时，抽采量较钻孔高度在6～14m时有所降低，瓦斯抽采浓度有所提高，浓度在30%～45%，纯瓦斯抽采量在4～5m3／min；高位抽采钻孔距离煤层顶板26～30m时，瓦斯抽采浓度在60%～80%，纯瓦斯抽采量在6.3m3／min左右；高位抽采钻孔距离煤层顶板32～42m时，瓦斯抽采浓度约80%，纯瓦斯抽采量急剧降低，从6m3／min降到2 m3／min.实测钻孔纯瓦斯抽采量与钻孔至顶板距离见图7.据此判断采空区上覆岩层中顶板裂隙发育最为丰富的高度约为30m，为沿走向采空区方向抽采钻孔的最佳层位，这与前面数值模拟结果一致。

通过高位抽采钻孔，并把终孔高度位置布置在离煤层顶板30m位置，瓦斯抽采率达48%，有效地解决了工作面上隅角瓦斯超限的问题，为矿井的安全高效生产创造了良好条件，取得了显著的经济及社会效益。

图6 钻孔布置示意图

图7 高位钻场钻孔抽放纯量示意图

5 总 结

1）根据模拟结果，随着工作面不断推进，直接顶各分层先离层，后垮落，由于采高的增加，直接顶垮落的矸石并不能完全的充填采空区，导致直接顶向上延伸，厚度增加。

2）采空区上覆岩层的下沉具有滞后性，基本顶下沉明显滞后于直接顶，基本顶上的岩层基本随着基本顶下沉而下沉，却也有明显的滞后性。

3）通过对该煤矿15#煤层的上覆岩层的断裂移动及裂隙演化的模拟研究，综合判断得出，15#煤层的冒落带，裂隙带高度分别为20m，30m.

4）通过分析研究并对比现场抽采钻孔瓦斯抽采结果，建议高位钻场终孔的设计高度在30m左右。

［1］ 煤炭科学研究总院北京开采研究所.煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用［M］.北京：煤炭工业出版社，1983：77-79.

［2］ 钱鸣高，缪协兴，茅献彪.岩层控制的关键层理论［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1994：103-107.

［3］ 李 智，王汉鹏，李术才，等.煤层开采过程中上覆岩层裂隙演化规律研究［J］.山东大学学报（工学版），2012，41（3）：143-147.

［4］ 刘保卫.采场上覆岩层“三带”高度与岩性的关系［J］.煤矿学报，2009，29（8）：29-32.

［5］ 谢广祥.采高对工作面及围岩应力壳的力学特征影响［J］.煤矿学报，2006，31（1）：6-10.

［6］ 宋根祥，沈润生，邓云辉.综采工作面基本顶来压步距的数值模拟研究［J］.中州煤炭，2009（10）：3-5.

［7］ 付玉平，宋选民，刑平伟，等.大采高采场顶板断裂关键块稳定性分析［J］.煤炭学报，2009，34（8）：1027-1031.

［8］ 童海方，张英华.采空区上覆岩层“三带”的界定准则和仿真确定［J］.北京科技大学学报，2006（7）：609-612.

［9］ 左建平，赵洪宝，杨建立，等.大采高综放开采煤岩体冒落规律数值模拟研究［J］.煤炭科学技术，2012，41（1）：56-59.

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