斜沟煤矿采动覆岩裂隙运移规律试验研究

赵高清

（山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西吕梁 033602）

0 引言

工作面开采后，采动覆岩发生断裂、垮落和下沉，形成垮落带、裂隙带和弯曲下沉带，其中垮落带、裂隙带(以下简称“两带”)高度始终是煤矿安全生产重点关注的问题，精准获得“两带”的高度，可为确定高位钻孔的终孔位置、高抽巷的布置层位及防止顶板突水等提供科学的依据[1-2]。

本文以斜沟煤矿18104 大采高工作面为研究对象，通过理论计算和数值模拟[3]，借助孔巷三维测试技术现场实测覆岩“两带”发育高度，最终得到该工作面覆岩“两带”的高度[4]，为矿井安全生产奠定基础。

1 18104工作面概况

斜沟煤矿距山西省吕梁市兴县县城北直距20 km，井田位于河东煤田北部的中南部，主采煤层为8#、13#煤。8#煤层厚度为3.00 m～7.50 m，平均厚度为4.7 m，倾角为6.9°～10.9°，平均9.4°。8#煤为自燃煤层，煤尘具有爆炸性。顶板主要为粗中细粒砂岩和泥岩，底板主要为泥岩和中细粒砂岩。

18104 工作面位于11 采区措施巷南侧，西侧为18102工作面采空区，南侧、东侧均为实煤区。工作面标高为+765 m～+822 m，可采走向长度为3 338 m，倾斜长为283 m，采用综合机械化采煤工艺进行回采，长壁后退式一次采全高采煤方法，全部垮落法管理顶板。

2 18104工作面覆岩破坏规程计算

根据斜沟煤矿18104大采高工作面所采煤层与覆岩特征，选取经验公式计算18104 工作面冒落带和导水裂隙带（包括冒落带和裂隙带）的高度。

冒落带最大高度hΙ计算如下：

导水裂隙带最大高度hⅡ计算如下：

式中：M为工作面采高，煤厚平均4.7 m，一次采全高；

ks为覆岩的碎胀系数，取1.35；

α为所采煤层倾角，为9.4°。

18104工作面冒落带高度为9.53 m，导水裂隙带高度为19.06 m～28.59 m。即理论冒高/采厚比约为2.03，裂高/采厚比为4.06～6.08。

3 顶板“两带”现场监测

3.1 钻孔布置及数据采集

采用孔巷三维测试方法，分析研究18104 工作面沿着倾向和走向“两带”高度。在1#孔布置52个电极，电极间距为2.4 m，从1#孔向工作面方向沿着皮带巷道顶板共布置18 个电极，电极间距为3m，2#钻孔共布置52 个电极，电极间距为1.6 m，从2#孔钻孔向工作面方向沿着皮带巷道顶板布置18 个电极，电极间距为2.8 m。钻孔施工参数见表1，钻孔剖面和电极布置如图1、图2所示。

钻孔每天由专人收集2 组以上的数据，采集数据过程中发现电阻率变化较大的阶段，选取比较稳定的一组数据开展反演与解释工作，其他两组数据作为对比参考。对1#孔监测监控32天，共采集有效的物理数据点29 013 个；对2#孔监测监控50 天，得到有效物理数据点201 634个。

3.2 结果分析

钻孔64个电极不同时间电流随时间变化的曲线，可得出煤层开采过程中上覆岩体变形破坏动态发育规律。

图1 1#孔电极布置

图2 2#孔电极布置

表1 钻孔现场监测参数

通过研究分析电流值的变化规律来辅助判定“两带”的高度。不同电极电流的变化情况见表2。从表2 得到，垮落带高度8.6 m～9.5 m；裂隙带高度为27.8 m～34.7 m。

表2 统计不同电极电流变化情况

4 覆岩裂隙演化数值模拟

4.1 模型的的建立

依据18205 工作面实际情况构建模型，模型尺寸为400 m（长）×264 m（宽）×208 m（高），共有79 987 个节点，80 013个单元，采用零单元模拟采空区。设置开挖步距为12 m，共开挖100 m。18205工作面岩层的力学参数见表3。

4.2 边界条件

模型的边界条件如下：

（1）应力边界：在模型的上部施加垂直方向的载荷（P=γH）；模型周围施加水平等效地应力。

（2）位移边界：采用x、y 方向固定模型的周边；在模型顶部设置自由边界条件，在z 方向底部采用全约束边界条件。

（3）将等效荷载（自重应力和侧向应力）施加在模型顶端，自重应力计算如下：

式中，γ—覆岩的重力密度；

H—模型所处深度；

侧向应力计算如下

式中，ν—覆岩的泊松比。

表3 计算模型参数

4.3 实验结果及其分析

4.3.1 塑性破坏区模拟结果分析

随着工作面的开采，覆岩开始发生剪切破坏，覆岩裂隙开始发育，逐步演化为拉伸破坏，最后产生破裂冒落，因此工作面顶板的冒落是拉伸破坏。受到的采动影响，覆岩裂隙逐步发育成“两带”，随着模型开挖步距不断变大，覆岩垮落区域也在不断扩大。向前开采80m 时，工作面沿走向和倾向的塑性破坏如图6 所示。从图6 得到，覆岩破坏类型主要以剪切与拉伸破坏为主，处于覆岩塑性破坏的区域最大，呈现代表性的“凸”型破坏特征。

图3 18104工作面推进80 m时塑性破坏图

4.3.2 应力模拟结果分析

根据18205工作面向前开采80 m时沿走向和倾向的垂直应力分布情况，发现垂直应力集中分布在工作面上覆岩层处，此区域存在数条“抛物线”型应力带，工作面后方和煤壁也产生应力集中，工作面中间部位产生了地应力分布带。随着工作面的持续开采，18205工作面采空区逐渐被压实，煤壁前方产生超前支撑压力。

4.3.3 应变模拟结果分析

根据18205工作面向前开采80 m时沿走向和倾向的应变分布场获得：工作面上覆岩层的各点位移量从上到下逐渐变大，表明覆岩发育成弯曲下沉带、断裂带、垮落带，工作面底板位移量由上到下逐渐减小，两侧煤柱上方覆岩移近量较小，且随远离工作面推进方向逐渐变小最终无移近量。

根据模拟结果最终确定：18205 工作面垮落带高度为9.4 m，是采高的2 倍；断裂带高度是35.9 m，是采高的8倍。

5 现场监测与模拟结果对比分析

通过现场实测、理论计算和数值模拟，18104工作面垮落带和裂隙带结果对比见表4。从表4 得到，18104 工作面垮落带高度是8.6 m～9.5 m，裂隙带高度是27.8 m～34.7 m，现场实测结果与数值模拟结果基本一致；而“三下”开采规程计算的裂隙带高度与现场实测、数值模拟结果差值较大，《“三下”采煤规程》所列出的公式在计算大采高开采条件下裂隙带高度时明显偏小，已经不再适用；同时也验证了FLAC3D模拟方法是采动覆岩“两带”高度研究的有效手段。

表4 18104工作面不同方法获得的“两带”高度值统计

6 结论

（1）利用FLAC3D数值模拟得到斜沟煤矿18104 工作面垮落带和裂隙带的高度，模拟结果证明：覆岩破坏具有代表性的“凸”型破坏特征，两侧煤柱和采空区应力比较集中。

（2）通过理论计算、现场实测和数值模拟，得到斜沟煤矿18104工作面垮落带高度是9.5 m，裂隙带高度是34.7 m，现场实测结果与数值模拟结果基本一致；而“三下”开采规程计算的裂隙带高度与现场实测、数值模拟结果差值较大，《“三下”采煤规程》所列出的公式在计算大采高开采条件下裂隙带高度时明显偏小，已经不再适用；同时也验证了FLAC3D模拟方法是采动覆岩“两带”高度研究的有效手段。