煤矿采动顶板“上三带”分布规律研究

樊鹏

【摘要】在正常条件下，根据覆岩采动破坏程度及其次生的透水透沙能力，从开采煤层的顶板开始，由下而上大致可划分为三个不同的破坏影响带，即：冒落带、裂缝带和弯曲带。准确地理解采动顶板“上三带”的分布规律，是合理设计顶板疏水巷和施工顶板疏水钻孔的关键，这关乎顶板水治理效果的好坏。

【关键词】覆岩；厚度；采动；裂隙

1.覆岩遭受破坏的根本原因和各种不同的破坏影响

1.1 破坏性采动影响和非破坏性采动影响

采后覆岩大面积缓慢整体移动或下沉，一般不产生连通性的导水裂缝，岩层的原始渗透性不发生明显的变化，屬于非破坏性采动影响。如果覆岩在发生变形、位移过程中伴有开裂、破碎、脱落等使岩层原有的导水、隔水性能改变，就属于破坏性采动影响。

1.2 规律性采动破坏和非规律性采动破坏

以长壁工作面为代表的大面积均匀采煤，造成采高大致相同的采出空间，它的采动影响在垂直剖面上是以采场为中心，以顶底板及煤壁为起点向四周扩散，并逐渐减弱或消失，因而它具有一定的分带性，并且分布比较有规律，故称为规律性采动破坏。与之相反，以落垛、托煤顶等采煤方法为代表的采场，采高很不均匀，常常由于局部采高超出煤层而向上抽冒，采出空间极不规则，覆岩的采动破坏在垂直剖面上不具备分带性，没有规律可循，称为非规律性采动破坏。这类破坏在局部地点可以象“宝塔”一样向上发展直达地表，形成漏斗状塌陷坑，它对于地表水体下采煤，具有极大的危险性。

2.覆岩采动破坏的分带性

在正常条件下，根据覆岩采动破坏程度及其次生的透水透沙能力，从开采煤层的顶板开始，由下而上大致可划分为三个不同的破坏影响带，即：冒落带、裂缝带和弯曲带。如图1。

（1）冒落带。采煤工作面放顶后，顶板发生逐层冒落，直到冒落矸石接触上覆岩层，此冒落破坏范围为冒落带。冒落带高度一般为采厚的2-6倍，其最大高度一般不超过响应裂缝带高度的0.5倍。

（2）裂缝带。在顶板岩石自由冒落后，冒落带上方的岩层继续下沉弯曲，当其弯曲超过本身强度时，将产生张裂隙，以至断裂。这一过程逐层向上发展，直到上覆岩层整体下沉弯曲为止，这部分称为裂缝带或裂隙带。

（3）弯曲带。此带位于裂缝带上方直到地表的整个覆岩。岩层呈平稳的弯曲，没有大的断裂，但有时产生离层，甚至在拉伸部位产生局部的微小张裂隙；但这些裂隙的连通性很弱或不连通，局部有可能导致渗透性加大，但不影响整体。

3.导水裂隙带的发育因素

影响导水裂隙带发育的因素主要有：

（1）煤层开采厚度的影响。在其他条件不变的情况下，随着煤层采厚的增加，导水裂隙带高度（简称导水裂高）不断增大。

（2）开采面积的影响。采出空间是造成覆岩破坏的根本原因，但开采面积的大小，只有在尚未达到充分采动时才有明显的影响。一次连续回采的阶段垂高越大，覆岩破坏高度就越大。

（3）覆岩岩性的影响。上覆岩层的顶板岩性及其组合关系，对煤层采出后导水裂隙带的发育有极大的影响，岩层愈硬，导水裂隙带愈高（其他条件相同时）；顶板岩层愈软，导水裂隙带愈低。

（4）煤层倾角的影响。煤层倾角不同，其覆岩破坏后的导水裂隙带发育形态也不同。

（5）断层的影响。位于采面上半部的高角度张性断层或导水断层，是引起导水裂高沿着断层破碎带向上冒裂的危险因素；位于正常冒落带以上的断层，有可能使冒落带向上发展到该断层；位于正常冒落带范围内倾角比较平缓的断层，一般对冒落带高度影响不大。

（6）采煤方法的影响。采煤方法对覆岩最大导水裂高的影响极大；不同的采煤方法所引起的地表变形、覆岩破坏程度也不同。

（7）顶板管理方法的影响。尤氏煤炭有限责任公司采用的全部陷落顶板管理方法，使覆岩破坏最严重，一般都将发生冒落性和开裂性破坏，并具有三带特征。

4.滑体构造破碎带下顶板三带的数值模拟

应用F-RFPA2D分析系统，对煤层顶板随开挖的进行，岩层破坏逐步向上发展的全过程进行了模拟，从模拟过程中能充分的提取顶板变形的足够相关信息，比如顶板的变形、破坏过程。

4.1 岩石破裂过程分析程序F-RFPA2D原理

岩石破裂全过程分析系统RFPA2D运用现代计算力学原理和计算机可视化技术，基于有限元理论和全新的材料破裂过程算法思想，可通过考虑材料的非均匀性来模拟材料的非线性，通过单元的弱化来模拟材料变形、破坏的非连续行为；是一个以弹性力学为应力分析工具、以弹性损伤理论及修正的Coulomb破坏准则为介质变形和破坏分析模块的分析系统；可用于研究岩石（岩体）材料从细观损伤到宏观破坏的全部过程。

破坏分析则是根据一定的破坏准则来检查材料中是否有单元破坏。对破坏单元采用刚度特性退化（处理分离）和刚度重建（处理接触）的办法进行处理。另外，本分析系统的一个显著特点是将岩石类材料的不均匀性参数引入到计算单元，以概率统计方法描述其离散性，充分考虑了岩石介质的非均匀性。

4.2 计算模型及参数

根据相关资料表明，上破碎带平均厚度为28.7m，下破碎带的平均厚度为9.6m，夹在中间的断裂带平均厚度为8.56m，为了数值模拟的需要，对上述三个带分别进行了适当的调整，按次序调整为28m、10m和8m。

综合工作面范围内的钻孔柱状图所描述的各岩层岩性特征和相关地质资料，列出各岩层的岩石力学参数。

主要几何参数是依据开采方案并考虑采动影响范围确定的。模型长600m，高400m至地表，约束条件取两侧为限制水平方向位移的滑动支座，底部为限制垂直方向位移的滑动支座，底边与侧边的两个角点处为限制水平方向与垂直方向位移的固定支座。模型共划分300×200个基元，假定岩层细观单元为均质、各向同性线弹脆性体，为了充分考虑岩石类材料的非均匀性，假定各岩层细观单元的物理力学性质参数（见表1）均服从韦伯（Weibull）分布φ（m，u）（其中参数m反映材料的非均匀程度，m值越大，材料越均匀，u为反映岩层材料平均性质的参数），从而使每一岩层具有相似的物理力学性质。在整个加载过程中采用位移控制的加载方式，加载位移量Δs=0.01mm，数值模型的具体力学及控制参数见表2。将开挖工程岩体介质概化为：由具有开挖孔洞的分层所组成的非线性空岩体，各分层具有相似物理力学性质，非均质各向同性。模型的左右两侧近似为无穷远处的固定边界，在水平方向上不产生位移，只在垂直方向上滑动，底部视为铅垂方向的简支约束。在试验过程中，采用修正的带拉伸截断（tensilecut-off）的库仑准则作为破坏的判别准则。

4.3 覆岩破坏模拟结果

根据数值模拟的结果，冒落带的高度约为36m。由于该区域内的岩层完全失去了原有的连续性和层状结构，水体极易通过。冒落带内的岩层由于进一步的破碎，具有较大的碎胀系数，在堆积一定高度后，就能接触到上部岩层，这样就会对上部岩层的起到支撑作用。上部岩层又会进一步压实冒落区内的破碎岩块，因而冒落带上方的岩层会发生变形、离层、断裂但未脱离于原岩体，形成了裂隙带，根据数值模拟的结果，裂隙带的高度约为66m。冒落带和裂隙带合称为导水裂隙带，高度为102m。该区内岩层部分断开，裂隙间的连通性极好，具有良好的透水性。导水裂隙带上部的岩层由于是完整的，其上覆岩层只有微小裂隙，连通性不好，透水性微弱，并且越往上部岩层发展，几乎就不再产生裂隙。从模拟的结果看，第四系水不受开采扰动的影响。