寺家庄煤矿15106采煤工作面覆岩裂隙“三带”规律研究

2021-03-24余北建

中国矿业 2021年3期

余北建

(阳泉煤业(集团)有限责任公司，山西阳泉 045000)

传统“三带”理论认为[1]，工作面向前推进，顶板岩层悬露继而破坏垮落，在顶板垮落过程中，上覆岩层可形成垮落带、裂隙带和弯曲下沉带，三个岩层移动和变形各有特点的空间区域。煤炭在地下开采过程中，岩体不断受到扰动，应力重新分布并引起采场围岩破断垮落[2]。国内外学者就矿山压力与岩层移动开展了大量研究工作，提出了“压力拱假说”“自然平衡拱”“悬臂梁假说”“预成裂隙假说”“胶接岩块假说”和“传递岩梁假说”等多种理论假说[3-5]。

寺家庄煤矿布置底抽巷抽采上覆煤层瓦斯掩护巷道掘进，回采期间需布置高位瓦斯抽放巷、低位瓦斯抽放巷以治理采空区与上隅角瓦斯，一个工作面的回采需要布置6条巷道，致使煤矿现场施工管理条件复杂、工程量大、采掘衔接异常困难，将底板岩石抽放巷与低位瓦斯抽放巷合二为一，既可用于预抽本煤层瓦斯掩护煤巷掘进，也可兼顾抽采上隅角与采空区瓦斯。因此应先研究工作面回采过程中上覆岩层裂隙动态发育规律，分析划定裂隙发育带区域。寺家庄煤矿15106工作面覆岩破坏规律的研究手段包括理论分析[6]、数值模拟[7-9]、相似材料模拟实验[10-13]，得到覆岩裂隙动态发育规律，划分“三带”高度。

1 工程概况

寺家庄煤矿15106综采工作面主采15#煤层，平均埋深480 m。 15106工作面可采走向长度1 484 m，采长286.2 m，共有5条巷道，分别为进风巷、工作面底板岩石预抽巷、高抽巷、工作面低位抽放巷、回风巷，采用“一进两回”通风方式。工作面正常日推进度定为6.4 m，15106工作面15#煤层平均厚度为5.4 m，平均倾角4°，赋存稳定。15#煤层硬度f≤5，矿井为突出矿井，工作面原始瓦斯含量最高达到11.04 m3/t；预抽后瓦斯含量小于8 m3/t，突出危险性较小。工作面瓦斯压力较小，在0.1～0.5 MPa之间。15106综采工作面存在2个地面钻孔，结合矿井综合柱状图得到采面覆岩岩性及厚度。

2 覆岩“三带”理论计算

“三带”是指当煤层开采后，采空区周围岩体便会产生岩体的移动变形，当岩体的变形和移动超过围岩体极限变形时，岩体便会发生破坏。根据覆岩移动破坏程度，可以将上覆岩层移动区域分为“三带”，即冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。

根据矿压控制相关理论，一般工作面顶板上覆岩层垮落带最大高度中硬覆岩用式(1)计算，坚硬覆岩用式(2)计算。

(1)

(2)

式中，M采为煤层采高，取5.4 m。

紧挨煤层上部是较薄的泥岩，上部具有较厚的细砂岩，再往上是坚硬的石灰岩，整体属于中硬和坚硬之间，所以垮落带高度为14.37～17.25 m。裂隙带最大高度坚硬覆岩计算见式(3)。

(3)

式中，M裂为裂隙带高度,m。

由于覆岩具有较多的石灰岩和砂岩，整体属于坚硬岩石，所以裂隙带高度为54.8～72.6 m。

3 覆岩裂隙UDEC软件模拟

3.1 数值模型

通用离散元程序UDEC6.0软件中，基于15106面上覆岩层岩性及厚度建立500 m×120 m的二维模型，依据岩性选取Mohr-Coulomb塑性模型对应的岩层参数，主要研究区域采用细网格单元划分，其他研究区域采用逐渐增大的不等单元网格划分，网格划分见图1。根据煤层赋存条件，设定重力加速度，模型顶部简化为均布载荷9.5 MPa，重力梯度设为24 kPa/m，侧压系数设为1，模型底部和两侧的垂直方向位移速度设为零。模型设计共计回采25次，每次8 m，共回采200 m，模型中距离煤层低板分别为0 m、5.4 m、23.4 m、41.4 m、71.4 m处即煤层底板、煤层顶板、k2石灰岩底板、k3石灰岩底板、k4石灰岩底板设置监测线、监测位移和应力。

图1 网格划分模型图

3.2 模拟结果

模型分别回采40 m、112 m、200 m时，分别距离煤层底板0 m、41.4 m、71.4 m处监测线垂直应力分布见图2。回采至40 m处，未出现垮落，采空区两端呈现垂直应力集中，采空区内部在煤层底板处垂直应力接近为零，临近覆岩处垂直应力降低。回采至112 m时顶板已经垮落，回采至200 m时，采空区中心部分覆岩重新压实，垂直应力增大，煤层底板和k3石灰岩底板处应力变化较大，k4石灰岩底板处应力变化较小，受采动影响较小。

回采200 m时的覆岩裂隙分布见图3。图3中下方方框区域岩块已经完全垮落，失去原有形态，裂隙分布较多。其高度为k2石灰岩底板，距离煤层顶板18 m，即为跨落带高度。图3中上方方框区域，裂隙分布较较为广泛，不仅有离层裂隙，穿层裂隙也较为均匀分布，其高度位于k4石灰岩底板，距离煤层顶板66 m，为裂隙带。而66 m以上，采空区中部岩层近乎没有穿层裂隙，这些岩层基本符合整体移动，是弯曲下沉带。

图2 监测线处垂直应力分布

图3 回采200 m时裂隙分布图

4 覆岩裂隙相似模拟实验

4.1 实验模型

相似模拟实验是为了研究工作面覆岩裂隙发育规律，基于试验台尺寸：长×宽×高为3 000 mm×250 mm×2 000 mm。设定模型与实体之间的几何相似比为200、时间相似比为14.14、应力相似比为320。实验模型中设定位移观测点，相似材料为沙子、石灰、石膏和水，按照相似比配比模型材料。模型模拟煤岩层范围：底板以下12.6 m，顶板以上至地表480 m，煤层平均厚5.4 m，共计模拟煤岩层高度约498 m，采用模拟材料高度约280 m，其余高度才用配重模拟至地表，配重高约218 m。

4.2 回采过程

模型中每次回采5 cm，然后记录位移、应变、破断角、垮落距、垮落高、裂隙发育情况等，其中回采58 cm、120 cm、208 cm时模型状态见图4。

4.3 覆岩裂隙形态分析

回采距离称为采距用L表示。直接顶每次破断长度、高度称直接顶跨距、跨高。煤层上覆岩层每次的最高破断长度、高度称为老顶跨距、跨高。回采中覆岩破断距及破断层高见图5。直接顶垮落层高基本为2 cm，初次破断距为28 cm，周期破断距基本稳定在7 cm。老顶垮落层高基本稳定在9 cm，初次破断距38 cm，周期破断距基本稳定在15 cm。老顶垮落破断距大致是直接顶垮落破断距的二倍。可得垮落带高度为9 cm，实际为18 m。

图4 监测线处垂直应力分布

图5 采距与垮落关系

煤层上覆岩层受煤层回采影响，发生明显移动的岩层高度称为移动层高，用H表示，移动层高与上部未发生移动的岩层间空隙的垂距称空隙高，用h表示。采距与移动层高、空隙高关系见图6。

采距大致为移动层高的二倍，随工作面回采移动层高稳定一段距离后会跳跃式升高。随工作面回采，空隙高在开始达到最大值后逐渐降低，且下降幅值逐渐减小，达到最小值后，采空区重新压实后，空隙高略有上升，推测此后空隙高随移动高呈现周期变化，变动幅值不大。

覆岩的碎胀性可由移动层高的差值与空隙高差值比表征，分别分析回采过程中累计及移动层高的差值与空隙高差值比，见图7。煤层回采85 cm时，移动层高为32 cm，煤层回采90 cm时，移动层高为47 cm。分析煤层回采过程中空隙高差比上移动层高差的值与移动层高关系可知，移动层高为32 cm时其值平稳较大，移动层高达到47 cm时其值有较大下降并持续下降，可以得出覆岩高32 cm时岩石碎胀性较大，其裂隙也发育，高出32 cm后覆岩碎胀性较小其裂隙发育也不充分。由此可以得出裂隙带上限高为32 cm，实际为64 m。