覆岩采动裂隙演化规律相似材料模拟试验

2021-04-06林建成郭林生郭魏虎付航航夏海斌

陕西煤炭 2021年2期

林建成，郭林生，李可，郭魏虎，付航航，夏海斌，龙航

(1.陕西彬长小庄矿业有限公司，陕西彬州 713500；2.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安 710054)

0 引言

我国著名学者钱鸣高院士[1]和刘天泉院士等[2]通过对煤层上覆岩层的破断、运动规律深入系统的研究，提出了“横三区”“竖三带”的理论体系。在煤层开采后，由垮落带、裂隙带和弯曲下沉带组成的上覆岩层形态简称为“三带”，覆岩性质、煤层倾角、煤层厚度、采面布置、采煤方法、顶板管理以及地质构造等因素会直接影响“三带”的发育特征。覆岩裂隙演化规律的研究对指导矿井安全生产具有重要的实用价值。

目前，井下仰孔测漏法、微震监测、钻孔窥视法、电法测试等[3-6]是我国煤矿现场观测覆岩“三带”演化的常用方法，在覆岩裂隙演化范围的实测方面均有不错的效果。为了能够在试验室通过测试手段观测采动覆岩裂隙的演化形态，物理模拟、理论分析和数值模拟的方法相继被采用，对此，国内外众多学者也开展了一系列相关研究。林海飞等[7]采用物理相似模拟试验结合现场工程实际的方法，建立了“采动裂隙圆角矩形梯台带”工程简化模型。杨科等[8]将覆岩裂隙演化形态描述为“型高帽状”。赵鹏翔等[9]基于山西和顺某高瓦斯矿井主采工作面，开展了不同推进速度下的“三带”演化规律物理相似模拟试验，得到了“三带”高度、平均来压步距与推进速度之间的关系。黄志安等[10]利用FLAC软件进行数值模拟，提出了“三带”的界定准则，通过现场实测数据分析瓦斯抽采效果，证明了该界定方法在上覆岩层的“三带”高度划分中的合理、有效性。

鉴于此，基于岩体破坏特性，采用相似材料模拟试验，对陕西彬长集团小庄煤矿40309工作面覆岩“三带”高度进行研究，分析顶板覆岩变形破坏过程中裂隙的分布发育规律。

1 试验设计

1.1 模型搭建及布置

表1 原型煤岩层的物理力学性质Table 1 Physical and mechanical properties of coal and rock

表2 上覆岩层模拟高度Table 2 Simulated height of overlying strata

1.2 模型配比计算

依据相似材料的性质及模型的特点，试验选取沙子、石膏、淀粉、云母粉、煤粉等作为主要材料，试验的材料配比计算见式(1)

G=(lmhγm×103)/g

(1)

式中，G为每个岩层中所有材料的总质量，kg；l为模型的长度，m；m为模型的厚度，m；h为模型中分层的高度，m；γm为模型中分层材料的容重，kN/m3；g为重力加速度，取9.8 N/kg。

在计算得出每层总质量的基础上，根据每层中各材料在该层的占比，可求得各材料的用量，模型搭建配比表，见表3。

表3 煤岩层材料配比表Table 3 Material proportioning of coal and rock

1.3 试验过程

试验共分为模型搭建与模型开采2个阶段。首先将模型按要求铺设完成；待模型自然风干后，按工作面埋深在岩层上方加载对应的配重，并设置位移测点，其位移测点的布置如图1所示。在模拟回采时，工作面两侧各留设10 m煤层作为煤柱，开切眼距离为8 m，并按时间相似比1∶10模拟工作面推进的过程。根据现场实际情况，使每次来压步距与现场实际更加接近，在模拟工作面推进时，分别按照2 m、3 m依次循环推进。在每次开采完成后，待岩层活动稳定，拍照记录岩层垮落形态，并测量出每个位移测点的下沉量、岩层贯通度、离层量及冒落带高度与裂隙带高度等。

图1 位移测点布置示意Fig.1 Layout of displacement measuring points

2 覆岩裂隙演化规律分析

2.1 覆岩“三带”分布规律

2.1.1 “三带”演化过程

物理相似模拟试验模拟工作面推进的岩层垮落形态变化，得到在采动过程中覆岩裂隙演化规律，图2为工作面走向“三带”演化分布特征。

在工作面回采过程中，采空区上覆岩层由弹性阶段逐渐向塑性阶段发展，并在此过程中逐渐下沉和垮落，最终形成覆岩“三带”分布形态。在工作面推进10 m时，煤层直接顶产生裂隙，裂隙高度为9.5 m。当工作面推进至34 m处，直接顶垮落，垮落高度距煤层底板13.7 m，如图2(a)所示。工作面推进154 m时，覆岩垮落高度58.5 m，离层裂隙距煤层底板最远87.1 m，如图2(b)所示。工作面推进200 m，垮落高度距煤层底板93.1 m，离层裂隙距煤层底板最远109.4 m，如图2(c)所示，可以清晰地看出主采工作面物理相似模拟试验开挖过程中共经历3次周期来压，平均来压步距38.7 m，老顶每次周期来压时，垮落顶板都会显示出特定的规律性，覆岩越靠上，垮落边界就越靠后，垮落边界在上位煤层的投影距离工作面越远。煤层在未受采动影响前，处于原始的应力平衡状态。当煤层开采后，在采空区上方的覆岩由弹性状态逐渐向塑性状态转变。

图2 覆岩垮落“三带”演化图Fig.2 Evolution map of “three zones” of overburden caving

2.1.2 裂隙区域

将压实区边界与裂隙区边界用直线相连，可得到当模型内覆岩主关键层未接触垮落矸石时，采场覆岩层平面轮廓为梯台状，随着工作面的推进，采场覆岩层平面轮廓为梯形状(如图3所示)，沿煤层平面可形成“O”形圈或“回”形圈，即在三维空间上可形成典型的“采动裂隙圆角矩形梯台带”。裂隙区宽度在切眼附近约23.8 m(即0.7倍初次来压步距)，回风巷及进风巷附近约17 m(约0.5倍初次来压步距)，在工作面附近38.7～77.4 m(即1～2倍周期来压步距)变化。

2.2 基于分形维数的裂隙演化规律分析

2.2.1 二值图分析

对图3进行二值图分析，如图4所示。可以看出压实区处于中部，裂隙区位于压实区的两侧和上方，对岩石区是半包围的形态。上方的裂隙区内的裂隙主要为层间裂隙，周围的裂隙区形成了沟通上、下工作面开切眼的裂隙区，并且按垮落角方向延展。为了更好地对研究区域内裂隙变化情况进行分析，将图片进行分区处理，如图5所示。其中，1～12为覆岩裂隙场分区编号，将裂隙场划分为纵向12区和横向12区，共144个子区域。由图5可以看出，6-B，7-B，5-C，5-D，8-D等子区域裂隙占位明显大于中间压实区和两边岩层区域；而沿横向6、7区上部也有少量裂隙分布。采空区中部垮落及断裂带裂隙特征是工作面中部的很大一部分有压实的裂隙闭合现象，在靠近进回风巷方向，裂隙有产生并扩展的特征；模型裂隙密集区几乎是沿横向6、7区竖直向上发育的，而右边裂隙密集区发育比较平缓。

图3 走向模型裂隙区域划分Fig.3 Fracture zone division of strike model

图4 覆岩垮落最终形态二值图Fig.4 Binary diagram of final form of overburden caving

图5 覆岩裂隙场分区编号Fig.5 Zoning number for overburden fracture field

2.2.2 分形维数分析

由于整个裂隙场分区比较多，涉及裂隙位置也较多的原因，仅在此对纵向B，F区域裂隙占位面积的分形维值进行定量分析，如图6所示。从图6可以看出，纵向B区分形维数最大是在6-B、7-B区域附近，而纵向F区域分形维数分布中间小，两边大，是因为中间有压实区域存在，而两边裂隙区一直向上发展，其它纵向区域同理，算出所有区域分形维数值，选取分维值大于1.4作为裂隙带，可得到拟合曲线类似于椭拋带形状。综合裂隙的定量描述，通过分析裂隙分维值的大小得出椭圆抛物带区域是形成瓦斯流动的主要区域，是瓦斯抽采设计首要考虑布置抽采钻孔的位置。

图6 不同区域分形维数变化情况Fig.6 Variation of fractal dimension in different regions

3 工程实践

3.1 高位钻孔布置参数设置

40309综放工作面主要利用预抽(边采边抽)、高抽巷抽采、高位钻孔抽采、上隅角插管、回风巷排瓦斯治理工作面瓦斯，其中预抽(边采边抽)系统与高位钻孔抽采系统同属2#抽采系统，高抽巷抽采系统由3#抽采系统进行，上隅角插管抽采系统由5#抽采系统进行。通过对工作面瓦斯抽采系统的抽采纯量、抽采占比与时间等因素关系的分析，可以得到该工作面的瓦斯抽采规律。

3.2 瓦斯抽采效果分析

40309综采工作面绝对瓦斯涌出量由瓦斯抽采量与瓦斯风排量组成，定义工作面瓦斯抽采量与绝对瓦斯涌出量的比值为瓦斯抽采占比。工作面抽采量与抽采率随时间的变化如图7所示。由图7可知，工作面瓦斯抽采量为17.55～38.15 m3/min，平均24.75 m3/min，瓦斯抽采率为81.4%～91.2%，平均86.2%。瓦斯抽采占比与量大致呈同增同减状态，变化规律一致。