工作面上覆巖層“三帶”發(fā)育特征研究

王慧林 王文彬 王金國

（延安市禾草溝煤業(yè)有限公司，陜西 延安 717300）

煤層開采后，原始應(yīng)力被打破，因此應(yīng)力需要重新趨于平衡，采空區(qū)上方巖層必然會(huì)垮落，采空區(qū)上方形成“垮落帶”、“裂隙帶”和“彎曲下沉帶”，簡稱“三帶”[1]。采空區(qū)上覆巖層“三帶”發(fā)育高度的研究能夠?yàn)榻嚯x煤層開采、采空區(qū)抽采瓦斯提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[2]。目前，確定采空區(qū)上覆巖層“三帶”的方法主要有探測法、理論計(jì)算法、數(shù)值模擬法和相似材料模擬法。由于影響采空區(qū)上覆巖層“三帶”發(fā)育高度因素眾多，因此，僅靠其中的一種方法來確定“三帶”高度是不準(zhǔn)確的，更加合理的方法是將多種方法所測得數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，縮小誤差。禾草溝5#煤層上覆巖層賦存著厚度約11 m的油頁巖，開采過程中釋放出一定的烴類氣體，給禾草溝煤礦生產(chǎn)帶來一定的隱患，因此，采用更加合理的方法研究上覆巖層“三帶”發(fā)育高度能夠?yàn)橹卫眄搸r氣提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 工作面概況

禾草溝煤礦50205工作面煤層平均厚2.28 m，煤層傾角0°～3°。本區(qū)域煤層為一結(jié)構(gòu)簡單的穩(wěn)定型中厚煤層，煤層厚度穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，對(duì)應(yīng)地面標(biāo)高為1 249.0～1 407.0 m，煤層底板標(biāo)高在1005～1025 m之間，走向長度3 749.3 m，傾斜長度300 m。煤層直接頂為泥質(zhì)粉砂巖，厚0.98 m；基本頂為油頁巖，厚11.17 m；煤層直接底為泥質(zhì)粉砂巖，厚9.41 m。

2 “三帶”高度理論計(jì)算

禾草溝煤礦50205工作面頂板從下至上依次為：0.98 m砂質(zhì)粉砂巖、0.34 m煤、11.17 m油頁巖、16.6 m細(xì)粒砂巖等。不考慮垮落過程中頂板的下沉量，則垮落帶的最大高度Hm為[3]：

式中：Hm為垮落帶的最大高度，m；M為采高，2.28 m；α為煤層的傾角，1.5°；KP為巖層的碎脹系數(shù)，不同的巖石碎脹系數(shù)KP值可以見表1。

表1 巖石碎脹系數(shù)

根據(jù)巖石力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果，并結(jié)合表1，取Kp=1.2，計(jì)算Hm=11.4 m，取KP=1.3，計(jì)算Hm=7.6 m。50205工作面采空區(qū)上方的垮落帶最大高度為：7.6～11.4 m，取最大值做為頂板垮落帶高度，即11.4 m。

50205工作面采空區(qū)頂板導(dǎo)水裂隙帶高度（垮落帶和裂隙帶兩帶的總高度）理論計(jì)算方法如下：

（1）按《煤炭工業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算[4]

式中：Hli為導(dǎo)水裂隙帶高度，m；M為采高，m。以下同。

計(jì)算得：Hli'=25.86～37.06 m；Hli''=40.2 m。

則導(dǎo)水裂隙帶高度為40.2 m。

（2）巖體綜合強(qiáng)度預(yù)計(jì)方法計(jì)算[4]

式中：Hm為垮落帶高度，m；a、b為巖體綜合 強(qiáng) 度 系 數(shù)，a=0.107 5-0.024lnRc，b=0.155-0.029 9llnRc；Rc為覆巖的綜合強(qiáng)度，MPa。

50205工作面頂板的抗壓強(qiáng)度為37.36 MPa，考慮頂板的節(jié)理裂隙影響，影響系數(shù)取0.9，則Rc=33.624 MPa，計(jì)算得a=0.023 1，b=0.05。50205工作面采高按2.28 m計(jì)算，垮落帶頂部至裂隙帶頂部高度為22.21 m。則垮落帶和裂隙帶總高度為33.61 m。

綜合以上各式計(jì)算結(jié)果，50205工作面采空區(qū)頂板導(dǎo)水裂隙帶高度（垮落帶和裂隙帶兩帶的總高度）約為33.61～40.2 m。

3 “三帶”高度數(shù)值模擬計(jì)算

為了使工作面采動(dòng)覆巖應(yīng)力及裂隙演化規(guī)律分析更加科學(xué)合理，在綜合現(xiàn)場調(diào)研、鉆芯取樣和理論分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用FLAC3D軟件，對(duì)50205工作面上覆巖層“三帶”進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。建立三維模型的尺寸為400 m×15 m×86.8 m，共劃分944 756個(gè)單元，900 000個(gè)節(jié)點(diǎn)。數(shù)值模型建立后，對(duì)煤層進(jìn)行開挖，開挖寬度300 m，高度2.28 m。

圖1和圖2分別為50205工作面的垂直應(yīng)力云圖和水平應(yīng)力云圖。從圖1中可知，采場兩側(cè)出現(xiàn)垂直應(yīng)力升高區(qū)，最大垂直應(yīng)力達(dá)到11.89 MPa；從圖2中可以得出，也是采場兩側(cè)出現(xiàn)了水平應(yīng)力升高區(qū)，最大水平應(yīng)力達(dá)到8.65 MPa；圖3為50205工作面塑性區(qū)分布圖，從圖中可得出垮落帶+裂隙帶最大高度在33.8 m，彎曲下沉帶高度在33.8～50.7 m。

圖1 50205工作面垂直應(yīng)力云圖

圖2 50205工作面水平應(yīng)力云圖

圖3 50205工作面塑性區(qū)

4 “三帶”高度相似材料模擬試驗(yàn)

（1）相似比的選取及相似材料配比

本試驗(yàn)采用的相似模擬試驗(yàn)架尺寸為長×寬×高=2850 mm×300 mm×2000 mm。依據(jù)禾草溝煤礦實(shí)體原型尺寸和試驗(yàn)架條件，設(shè)幾何相似比為αL=100，容重相似比αγ=1.67，時(shí)間相似比取αt=10，應(yīng)力相似比取α0=166.67。試驗(yàn)選取砂子做骨料，石膏粉和石灰粉做膠結(jié)材料，根據(jù)相似材料配比表對(duì)相似材料進(jìn)行配比不同巖層[5]。

（2）50205工作面開采試驗(yàn)結(jié)果分析

開挖：根據(jù)50205工作面日進(jìn)度為9.6 m，按照前述尺寸相似比和時(shí)間相似比計(jì)算，試驗(yàn)中5號(hào)煤60 min推進(jìn)4 cm。

50205工作面距模型左端35 m處開切眼，工作面自開切眼起向前方推進(jìn)20 m時(shí)，采空區(qū)上方4 m處出現(xiàn)裂隙，推進(jìn)29 m時(shí)發(fā)生初次垮落，煤層上方1.5 m高巖層垮落，上方4 m處出現(xiàn)離層，初次來壓步距為29 m。初次垮落情況如圖4。

圖4 50205工作面推進(jìn)29 m模型狀態(tài)

工作面推進(jìn)43 m時(shí)，采空區(qū)上方頂板發(fā)生垮落，對(duì)應(yīng)的第一次周期來壓步距為14 m，采空區(qū)兩端出現(xiàn)顯著的豎向裂隙，采空區(qū)上方頂板15.5 m處出現(xiàn)顯著離層，如圖5所示。工作面推進(jìn)54 m時(shí)，采空區(qū)上方頂板發(fā)生垮落，對(duì)應(yīng)的第二次周期來壓步距為11 m，采空區(qū)上方頂板26.5 m處出現(xiàn)顯著離層。

圖5 50205工作面推進(jìn)43 m模型局部放大

工作面推進(jìn)84 m時(shí)，采空區(qū)上方頂板發(fā)生垮落，對(duì)應(yīng)的第四次周期來壓步距為16 m，采空區(qū)上方頂板26.5 m處出現(xiàn)顯著離層，如圖6。

圖6 50205工作面推進(jìn)84 m模型局部放大

隨著工作面的不斷推進(jìn)，在采空區(qū)兩端出現(xiàn)的豎向裂隙逐漸向上發(fā)育，使上覆巖層再次周期性地呈“離層-下沉-離層閉合-壓實(shí)”的現(xiàn)象。此外，在模型中部位置，5煤頂板受上煤層開采擾動(dòng)破壞較嚴(yán)重，出現(xiàn)隨采隨冒現(xiàn)象。此時(shí)5煤頂板36 m范圍內(nèi)豎向裂隙及離層均發(fā)育較顯著。

當(dāng)工作面推進(jìn)164 m，上覆巖層發(fā)生整體下沉，垮落情況如圖7。采空區(qū)兩端邊界裂隙寬度進(jìn)一步增大并貫穿至模型頂部，采空區(qū)靠近切眼位置頂板下沉量較大，靠近工作面一側(cè)頂板下沉量相對(duì)較小。開切眼處垮落角約為70°，工作面處垮落角約為65°。采空區(qū)靠近切眼方向上覆巖體下沉量相對(duì)較大，工作面后方采空區(qū)小范圍內(nèi)上覆巖體下沉量相對(duì)較小，表明采空區(qū)上覆巖體是沿推進(jìn)方向逐漸向前被壓實(shí)。

圖7 50205工作面推進(jìn)164 m模型局部放大

通過相似材料模擬試驗(yàn)得出，50205工作面推進(jìn)29 m時(shí)，頂板1.5 m處巖體垮落，頂板4 m處出現(xiàn)離層；推進(jìn)43 m時(shí)頂板垮落，頂板15.5 m處出現(xiàn)離層；工作面推進(jìn)128 m時(shí)，離層最大發(fā)育至5煤頂板36.0 m處。

5 結(jié)論

（1）理論計(jì)算得出：垮落帶高度為11.4 m，裂隙帶最大高度為33.61～40.2 m。

（2）數(shù)值模擬計(jì)算得出：垮落帶+裂隙帶最大高度在33.8 m，彎曲下沉帶高度在33.8～50.7 m。

（3）相似材料模擬得出：垮落帶高度為15.5 m，裂隙帶最大高度為36.0 m處。

以上所得“三帶”高度基本一致，并可互為補(bǔ)充，互為校驗(yàn)，取三種方法所得結(jié)果的平均值作為確定5#煤層頂板“三帶”高度，即：垮落帶高13.45 m，裂隙帶高33.67 m，彎曲下沉帶高50.7 m。