工作面上覆岩层“三带”发育特征研究

王慧林 王文彬 王金国

（延安市禾草沟煤业有限公司，陕西 延安 717300）

煤层开采后，原始应力被打破，因此应力需要重新趋于平衡，采空区上方岩层必然会垮落，采空区上方形成“垮落带”、“裂隙带”和“弯曲下沉带”，简称“三带”[1]。采空区上覆岩层“三带”发育高度的研究能够为近距离煤层开采、采空区抽采瓦斯提供基础数据[2]。目前，确定采空区上覆岩层“三带”的方法主要有探测法、理论计算法、数值模拟法和相似材料模拟法。由于影响采空区上覆岩层“三带”发育高度因素众多，因此，仅靠其中的一种方法来确定“三带”高度是不准确的，更加合理的方法是将多种方法所测得数据进行融合，缩小误差。禾草沟5#煤层上覆岩层赋存着厚度约11 m的油页岩，开采过程中释放出一定的烃类气体，给禾草沟煤矿生产带来一定的隐患，因此，采用更加合理的方法研究上覆岩层“三带”发育高度能够为治理页岩气提供准确的基础数据。

1 工作面概况

禾草沟煤矿50205工作面煤层平均厚2.28 m，煤层倾角0°～3°。本区域煤层为一结构简单的稳定型中厚煤层，煤层厚度稳定，结构简单，对应地面标高为1 249.0～1 407.0 m，煤层底板标高在1005～1025 m之间，走向长度3 749.3 m，倾斜长度300 m。煤层直接顶为泥质粉砂岩，厚0.98 m；基本顶为油页岩，厚11.17 m；煤层直接底为泥质粉砂岩，厚9.41 m。

2 “三带”高度理论计算

禾草沟煤矿50205工作面顶板从下至上依次为：0.98 m砂质粉砂岩、0.34 m煤、11.17 m油页岩、16.6 m细粒砂岩等。不考虑垮落过程中顶板的下沉量，则垮落带的最大高度Hm为[3]：

式中：Hm为垮落带的最大高度，m；M为采高，2.28 m；α为煤层的倾角，1.5°；KP为岩层的碎胀系数，不同的岩石碎胀系数KP值可以见表1。

表1 岩石碎胀系数

根据岩石力学参数测试结果，并结合表1，取Kp=1.2，计算Hm=11.4 m，取KP=1.3，计算Hm=7.6 m。50205工作面采空区上方的垮落带最大高度为：7.6～11.4 m，取最大值做为顶板垮落带高度，即11.4 m。

50205工作面采空区顶板导水裂隙带高度（垮落带和裂隙带两带的总高度）理论计算方法如下：

（1）按《煤炭工业设计规范》计算[4]

式中：Hli为导水裂隙带高度，m；M为采高，m。以下同。

计算得：Hli'=25.86～37.06 m；Hli''=40.2 m。

则导水裂隙带高度为40.2 m。

（2）岩体综合强度预计方法计算[4]

式中：Hm为垮落带高度，m；a、b为岩体综合 强 度 系 数，a=0.107 5-0.024lnRc，b=0.155-0.029 9llnRc；Rc为覆岩的综合强度，MPa。

50205工作面顶板的抗压强度为37.36 MPa，考虑顶板的节理裂隙影响，影响系数取0.9，则Rc=33.624 MPa，计算得a=0.023 1，b=0.05。50205工作面采高按2.28 m计算，垮落带顶部至裂隙带顶部高度为22.21 m。则垮落带和裂隙带总高度为33.61 m。

综合以上各式计算结果，50205工作面采空区顶板导水裂隙带高度（垮落带和裂隙带两带的总高度）约为33.61～40.2 m。

3 “三带”高度数值模拟计算

为了使工作面采动覆岩应力及裂隙演化规律分析更加科学合理，在综合现场调研、钻芯取样和理论分析的基础上，应用FLAC3D软件，对50205工作面上覆岩层“三带”进行数值计算。建立三维模型的尺寸为400 m×15 m×86.8 m，共划分944 756个单元，900 000个节点。数值模型建立后，对煤层进行开挖，开挖宽度300 m，高度2.28 m。

图1和图2分别为50205工作面的垂直应力云图和水平应力云图。从图1中可知，采场两侧出现垂直应力升高区，最大垂直应力达到11.89 MPa；从图2中可以得出，也是采场两侧出现了水平应力升高区，最大水平应力达到8.65 MPa；图3为50205工作面塑性区分布图，从图中可得出垮落带+裂隙带最大高度在33.8 m，弯曲下沉带高度在33.8～50.7 m。

图1 50205工作面垂直应力云图

图2 50205工作面水平应力云图

图3 50205工作面塑性区

4 “三带”高度相似材料模拟试验

（1）相似比的选取及相似材料配比

本试验采用的相似模拟试验架尺寸为长×宽×高=2850 mm×300 mm×2000 mm。依据禾草沟煤矿实体原型尺寸和试验架条件，设几何相似比为αL=100，容重相似比αγ=1.67，时间相似比取αt=10，应力相似比取α0=166.67。试验选取砂子做骨料，石膏粉和石灰粉做胶结材料，根据相似材料配比表对相似材料进行配比不同岩层[5]。

（2）50205工作面开采试验结果分析

开挖：根据50205工作面日进度为9.6 m，按照前述尺寸相似比和时间相似比计算，试验中5号煤60 min推进4 cm。

50205工作面距模型左端35 m处开切眼，工作面自开切眼起向前方推进20 m时，采空区上方4 m处出现裂隙，推进29 m时发生初次垮落，煤层上方1.5 m高岩层垮落，上方4 m处出现离层，初次来压步距为29 m。初次垮落情况如图4。

图4 50205工作面推进29 m模型状态

工作面推进43 m时，采空区上方顶板发生垮落，对应的第一次周期来压步距为14 m，采空区两端出现显著的竖向裂隙，采空区上方顶板15.5 m处出现显著离层，如图5所示。工作面推进54 m时，采空区上方顶板发生垮落，对应的第二次周期来压步距为11 m，采空区上方顶板26.5 m处出现显著离层。

图5 50205工作面推进43 m模型局部放大

工作面推进84 m时，采空区上方顶板发生垮落，对应的第四次周期来压步距为16 m，采空区上方顶板26.5 m处出现显著离层，如图6。

图6 50205工作面推进84 m模型局部放大

随着工作面的不断推进，在采空区两端出现的竖向裂隙逐渐向上发育，使上覆岩层再次周期性地呈“离层-下沉-离层闭合-压实”的现象。此外，在模型中部位置，5煤顶板受上煤层开采扰动破坏较严重，出现随采随冒现象。此时5煤顶板36 m范围内竖向裂隙及离层均发育较显著。

当工作面推进164 m，上覆岩层发生整体下沉，垮落情况如图7。采空区两端边界裂隙宽度进一步增大并贯穿至模型顶部，采空区靠近切眼位置顶板下沉量较大，靠近工作面一侧顶板下沉量相对较小。开切眼处垮落角约为70°，工作面处垮落角约为65°。采空区靠近切眼方向上覆岩体下沉量相对较大，工作面后方采空区小范围内上覆岩体下沉量相对较小，表明采空区上覆岩体是沿推进方向逐渐向前被压实。

图7 50205工作面推进164 m模型局部放大

通过相似材料模拟试验得出，50205工作面推进29 m时，顶板1.5 m处岩体垮落，顶板4 m处出现离层；推进43 m时顶板垮落，顶板15.5 m处出现离层；工作面推进128 m时，离层最大发育至5煤顶板36.0 m处。

5 结论

（1）理论计算得出：垮落带高度为11.4 m，裂隙带最大高度为33.61～40.2 m。

（2）数值模拟计算得出：垮落带+裂隙带最大高度在33.8 m，弯曲下沉带高度在33.8～50.7 m。

（3）相似材料模拟得出：垮落带高度为15.5 m，裂隙带最大高度为36.0 m处。

以上所得“三带”高度基本一致，并可互为补充，互为校验，取三种方法所得结果的平均值作为确定5#煤层顶板“三带”高度，即：垮落带高13.45 m，裂隙带高33.67 m，弯曲下沉带高50.7 m。