采空区顶板裂隙带发育高度判定方法

杜 忠

(山西汾西矿业集团水峪煤业公司，山西 孝义 032300)

0 引言

高瓦斯矿井采空区瓦斯抽放的关键是确定合理的抽放钻孔参数，裂隙带发育高度，合理布置钻孔，提高抽放效果。文中基于关键层理论并结合经验公式确定采动覆岩裂隙带发育高度，为确定采空区高位钻孔参数提供依据。

1 工程概况

某矿北二采区可采煤层3层，从上到下依次是2#、3#和5#煤层，平均厚度分别为4.27 m、1.04 m 和3.3 m，3#煤层上距2#煤层平均14.5 m，下距5#煤层平均5.6 m。该区整体呈单斜构造，煤层倾角平均5°。2027工作面为该采区第7个采煤工作面，工作面初采长度220 m，后期为260 m，采煤方法为倾斜长壁采煤法，采用“Y”型通风，布置4条巷道，轨道巷长1 690 m、配风巷长773 m，轨道巷与配风巷间布置4个连巷；胶带巷长1 613 m，回风巷长1 642 m，两巷间煤柱宽度为45 m，28个连巷。2027工作面上覆岩层参数见表1。

2 裂隙带高度的确定

在采场覆岩中存在厚度不等、强度不同的多个岩层时，对采场上覆岩层局部或全部(直至地表)岩层起主要控制作用的岩层叫关键层[4-5]。

2.1 直接顶及基本顶厚度的确定

从表1可以看出，3#煤层上方5.5 m的砂质泥岩、0.59 m厚的粉砂岩和0.50 m厚的砂质泥岩组成了直接顶岩层，直接顶岩层总厚度6.59 m。

直接顶上方有一层厚度为4.5 m的中砂岩，且中砂岩比较坚硬、完整性好、不易垮落，同时该岩层活动空间较小，可以认为该层为基本顶。

2.2 关键层的判定

由关键层相关理论，结合表1判别得出，第1、第9、第17层为坚硬岩层，且各坚硬岩层所受载荷分别为：

q1=237.1 kPa；q2= 415 kPa；q3= 314 kPa。

表1 基本顶上部岩层力学参数表

因基本顶的抗拉强度σk=415 kPa，则基本顶初次断裂步距为

基本顶周期来压步距为

第9层初次断裂步距为

则第17层初次断裂步距为

因L1

通过以上计算得出，基本顶为4.5 m厚的中砂岩，破断距为34.58 m，可认为基本顶为第一亚关键层；基本顶上方第9层为7.3 m厚的中砂岩，破断距为42.4 m，可认为第9层岩层为第二亚关键层；基本顶上方第17层为8.3 m的中砂岩，破断距为55.4 m，可认为第17层为主关键层。

2.3 关键层破断条件

煤层上方基本顶为4.5 m厚的中砂岩，为工作面上覆岩层的亚关键层，基本顶岩层破断后将引起上部4层岩层协调同步破断。当工作面直接顶冒落后，由于基本顶的强度较大，继续呈悬露状态，随着工作面继续推进，将引起覆岩第一亚关键层(基本顶岩层)的破断和运动，当基本顶达到初次破断时的垮距即极限破断距(也称初次断裂步距)时，则工作面基本顶达到破断条件，产生破断，初次断裂步距为34.58 m。也就是当直接顶冒落后，基本顶悬露达34.58 m时，就达到了3#煤层上覆岩层第一亚关键层(基本顶)的破断条件，以此类推，当第二亚关键层悬露达42.4 m，主关键层悬露达55.4 m 时，才会发生初次破断。

2.4 基于关键层位置的裂隙带判别

2027工作面3#煤层厚4.17 m，采用一次采全高开采技术。

文献[5-6]通过相似模拟实验及现场实测的方法提出了基于关键层位置的裂隙带判别方法，预计方法的具体步骤如下。

首先，结合表1岩层参数，计算关键层位置。

其次，计算出裂隙带临界高度，因煤层采高为4.17 m，所以临界高度[8]为煤层厚度(M)的7～10倍，即29.19～41.7 m。

再计算出各关键层距开采煤层顶板高度h1=6.59 M。

第一亚关键层(4.5 m厚中砂岩)距开采煤层顶板高度为：h1=6.59 M。

第二层关键层(7.3 m厚中砂岩)距开采煤层顶板高度为：h2=17.56 M。

主关键层(8.3 m厚中砂岩)距开采煤层顶板高度为：h3=46.2 M。

因第一亚关键层h1和第二亚关键层的h2均小于临界高度HL，所以破断裂隙会贯通这两层关键层，并贯通其上所控制的上覆岩层。对于主关键层h3>HL，则主关键层距开采煤层顶部的距离大于临界高度。所以裂隙带不能贯通主关键层。

3 冒落带高度的确定

对于基本顶处于冒落带还是裂隙带的问题，最早的判别方法是前苏联学者格·恩·库兹涅佐夫在其铰接岩块假说中提出的，即当基本顶厚度大于其下部自由空间高度Δ时，该基本顶就进入了裂隙带的范围，于是得出基本顶进入裂隙带的判别公式

(1)

式中：h1—由下而上第i层基本顶的分层厚度，m；M—煤层采高，m；k1—基本顶及其以上岩层的碎胀系数，取1.15～1.33；∑h—直接顶厚度，m；kz—直接顶岩层碎胀系数，取1.33～1.50。

由“砌体梁”理论可知，基本顶岩层进入裂隙带必须满足2个条件。

一是基本顶断裂岩块的长度与其厚度的比值>2，即

li>2hi

(2)

二是基本顶分层厚度应远大于其下岩层冒落后剩余的自由空间高度Δ，即

(3)

式中含义同式(1)。

考虑到基本顶断裂时，其断裂块体要想进入裂隙带且能形成平衡结构，岩块之间必须要有一定的水平推力，使挤压面上受到的摩擦力足以承受基本顶自身及上部岩层的重量，这就要求岩块之间的挤压部分要有足够的面积。也就是基本顶岩层的厚度要明显大于其下部岩层冒落后剩余的自由空间高度。因此“砌体梁”理论提出的判别方法更符合实际。

究竟基本顶分层厚度比其下自由空间大多少时，基本顶会进入冒落带，我国学者通过基本顶初次断裂形成的三铰拱式平衡及受力进行了研究，基本顶初次断裂岩块拱式平衡模型如图1所示。

图1 基本顶初次断裂岩块拱式平衡模型

A、B、C分别为拱的3个铰点，Q为岩块质量；T为水平挤压力；RA为摩擦力；l为基本顶断裂岩块长度。三铰拱达到平衡的条件之一是C点A，B两点的连线上，即

h-a-s>0

(4)

a=(h-lsinα/2)/2

(5)

s=lsinα

(6)

式中：a—岩块铰点挤压接触面高度；s—岩块下沉量；α—基本顶岩块回转角。由以上3式可得出h>3lsinα/2=3s/2，又因，Smax=Δ，则

h>1.5Δ

(7)

式(7)说明三铰平衡的条件之一是基本顶分层厚度应大于其下自由空间高度的1.5倍。

最终可得出具体理论判别公式

(8)

如果满足式(8)中2个条件说明基本顶岩层已进入裂隙带。

采用上述判别方法对2027工作面煤层上方基本顶是否进入裂隙带进行判别：由图1可知，煤层采高为4.17 m，直接顶厚度为6.59 m，基本顶厚度为4.5 m，初次来压步距为34.58 m，周期来压为14.12 m。我们把基本顶整层看做一个分层，则i=1，M=4.17 m，∑h=6.59 m。一般情况下直接顶碎胀系数取1.33～1.5，基本顶碎胀系数取1.15～1.33。我们按最坏的情况来取值，取直接顶碎胀系数kz=1.33，基本顶碎胀系数取k1=1.15，代入公式判别

=1.5{4.17-[6.59(1.33-1)]}=2.99 m

左边h1=4.5 m，右边=2.99 m，左边>右边。

已知基本顶周期来压步距L1=14.12 m，即基本顶断裂岩块的长度l1=14.12 m，又知基本顶厚度为h1=4.5 m。可得：l1>2h1。

因此可以判定2027工作面煤层上方的基本顶已进入裂隙带，基本顶下方6.59 m的直接顶岩层属于冒落带范围，即冒落带高度为6.59 m。

由前文分析可得：2027综采工作面采空区上方冒落带高度为6.59 m，裂隙带厚度为HLI= 46.24-6.59=39.65 m，处于煤层上方6.59～46.24 m的范围内，而46.24 m 以上岩层属于弯曲下沉带。

4 结语

基于2027综采工作面上覆岩层基本特征，用关键层理论的计算方法确定了上覆岩层关键层层数及位置，得出2027综采工作面上覆岩层存在3层关键层，分别为位于煤层上方6.59 m的第一亚关键层，位于煤层上方17.56 m 的第二亚关键层和位于煤层上方46.24 m 的主关键层。基于关键层理论的裂隙带判别方法，确定了2027工作面覆岩破坏裂隙带的上边界为煤层上方46.24 m处。通过理论公式确定了冒落带高度为6.59 m，得出裂隙带下边界为煤层上方6.59 m处，最终确定采动裂隙带范围为煤层上方6.59～46.24 m。