木瓜煤礦中厚煤層采場覆巖破斷規(guī)律研究

張 剛

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦，山西 方山 033100）

1 工程概況

木瓜煤礦10-201 工作面位于二盤區(qū)，主采煤層為9 號(hào)煤層，煤層平均厚度3.92 m，煤層傾角平均為8°，煤層賦存深度為315 m；直接頂為平均厚度2.5 m 的泥巖，老頂為灰?guī)r和泥巖互層，直接底為平均厚度5.21 m 的粉砂巖，老底為平均厚度10.25 m 的砂質(zhì)泥巖，10-201 工作面煤層產(chǎn)狀整體為一單斜構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造簡單。煤層頂?shù)装迩闆r見表1，綜合柱狀圖如圖1 所示。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

圖1 煤層綜合柱狀圖

2 采場覆巖破斷規(guī)律數(shù)值模擬

2.1 建立模型

借助UDEC 數(shù)值模擬軟件，根據(jù)木瓜煤礦10-201 工作面建立數(shù)值模型，尺寸為寬×高=600 m×200 m，為保證模擬的準(zhǔn)確性，模型左右邊界各留100 m 保護(hù)煤柱，同時(shí)對左右邊界及地面施加約束，限制模型發(fā)生變形，在模型上部施加豎向荷載q=6.5 MPa，巖層力學(xué)參數(shù)見表2，模型見圖2。

表2 巖層力學(xué)參數(shù)

圖2 數(shù)值模型

2.2 采場覆巖破壞規(guī)律

設(shè)計(jì)每步開挖尺寸為5 m，共開挖300 m，采場覆巖變化情況如圖3 所示。

圖3 回采過程中采場覆巖破斷規(guī)律

如圖3（a）所示，工作面推進(jìn)到 10 m 位置，直接頂巖層開始破斷、垮落，裂隙逐漸發(fā)育到基本頂巖層；如圖3（b）所示，工作面推進(jìn)到 20 m 位置，直接頂巖層完全垮落充填采空區(qū)，基本頂巖層塑性區(qū)范圍向上發(fā)育，高度約為14 m；如圖3（c）所示，工作面推進(jìn)到35 m 位置，基本頂巖層破斷、翻轉(zhuǎn)，引起工作面初次來壓，采場上覆巖層塑性區(qū)發(fā)育高度約為19 m，此后工作面推進(jìn)過程中，基本頂巖層破斷結(jié)構(gòu)處于平衡狀態(tài)；如圖3（d）所示，工作面推進(jìn)到55 m位置，基本頂巖層破斷結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，引起工作面周期來壓，采場上覆巖層塑性區(qū)發(fā)育高度約為26 m，此后工作面推進(jìn)過程中，基本頂巖層破斷結(jié)構(gòu)再次處于平衡狀態(tài)；如圖3（e）所示，工作面推進(jìn)到75 m 位置，基本頂巖層破斷結(jié)構(gòu)再次失穩(wěn)，引起工作面第2次周期來壓，采場上覆巖層塑性區(qū)發(fā)育高度約為32 m。此后，在工作面回采過程中，基本頂巖層破斷結(jié)構(gòu)處于失穩(wěn)- 穩(wěn)定- 再失穩(wěn)- 再穩(wěn)定的循環(huán)過程，從而引起工作面周期來壓[1-3]，周期來壓步距約為20 m，采場上覆巖層塑性區(qū)發(fā)育高度也不斷增加，直到工作面推進(jìn)到150 m 位置，采場覆巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，裂隙帶發(fā)育高度不再增加，表明已經(jīng)達(dá)到充分采動(dòng)狀態(tài)，最大裂隙帶發(fā)育高度為45 m。

3 采場覆巖破斷規(guī)律現(xiàn)場監(jiān)測

為深入了解采場覆巖破斷、變形規(guī)律，對10-201工作面液壓支架工作阻力進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，通過工作面回采過程中液壓支架工作阻力的變化情況，得到工作面初期來壓步距及周期來壓步距，從而分析基本頂破斷規(guī)律；同時(shí)，在10-201 回風(fēng)巷進(jìn)行了“兩帶”高度現(xiàn)場實(shí)測，研究了10-201 工作面采場覆巖裂隙帶發(fā)育高度，并與數(shù)值模擬所得結(jié)論相互驗(yàn)證。

3.1 工作面液壓支架工作阻力現(xiàn)場監(jiān)測

10-201 工作面傾斜長度220 m，共安設(shè)147 架液壓支架，每隔10 架液壓支架安裝1 臺(tái)工作阻力監(jiān)測儀，共安裝15 臺(tái)液壓支架工作阻力監(jiān)測儀，現(xiàn)場監(jiān)測曲線如圖4 所示。

圖4 工作面液壓支架工作阻力監(jiān)測曲線

如圖4 所示，當(dāng)工作面推進(jìn)到20 m 位置，液壓支架工作阻力增大明顯，此時(shí)直接頂巖層全部垮落，充填采空區(qū)；當(dāng)工作面推進(jìn)到38 m 位置，采場初次來壓，液壓支架工作阻力急劇增大達(dá)到第1 次峰值，此時(shí)基本頂巖層破斷、變形；之后，工作面回采過程中，液壓支架工作阻力波動(dòng)較小，基本頂巖層破斷結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)，直到工作面推進(jìn)到52 m 位置，采場第1次周期來壓，來壓期間液壓支架工作阻力急劇增大達(dá)到第2 次峰值，此時(shí)基本頂巖層再次失穩(wěn)翻轉(zhuǎn)；然后，隨著工作面的推進(jìn)，液壓支架工作阻力值較小，直到工作面推進(jìn)到75 m 位置，采場第2 次周期來壓，液壓支架工作阻力急劇增大達(dá)到第3 次峰值，此時(shí)基本頂巖層破斷結(jié)構(gòu)再一次失穩(wěn)翻轉(zhuǎn)。在工作面回采過程中，采場基本頂巖層破斷結(jié)構(gòu)處于失穩(wěn)-穩(wěn)定-再失穩(wěn)-再穩(wěn)定的循環(huán)過程，導(dǎo)致工作面出現(xiàn)周期來壓現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場對工作面液壓支架工作阻力的監(jiān)測及對采空區(qū)頂板巖層的觀測可知，當(dāng)工作面推進(jìn)到10 m 位置，直接頂巖層開始垮落，工作面推進(jìn)到20 m位置，直接頂巖層全部垮落充填采空區(qū)，工作面推進(jìn)到38 m 位置，采場初次來壓，周期來壓步距約為20 m，與數(shù)值模擬結(jié)果較為吻合。

3.2 “兩帶”高度現(xiàn)場實(shí)測

考慮到10-201 回風(fēng)巷機(jī)械設(shè)備較少，更便于鉆孔施工及觀測，因此，選擇在回風(fēng)巷進(jìn)行工作面“兩帶”高度觀測。如圖5 所示，在距開切眼300 m 與310 m 位置，施工2 個(gè)鉆孔用于觀測裂隙帶發(fā)育高度，2 個(gè)鉆孔仰角均為28°，與10-201 回風(fēng)巷軸線呈90°與78°夾角，鉆孔長度設(shè)計(jì)為140 m。

圖5 鉆孔位置示意圖

為了觀測得到工作面回采過程中采場覆巖裂隙帶發(fā)育情況，當(dāng)鉆孔距離工作面80 m 時(shí)開始觀測，此后工作面每推進(jìn)10 m，采用鉆孔窺視儀觀測采場覆巖裂隙發(fā)育情況[4]，其中鉆孔1 和鉆孔2 所得具有代表性圖像分別如圖6 和圖7 所示。

圖6 鉆孔1 觀測圖像

圖7 鉆孔2 觀測圖像

如圖6 所示，當(dāng)鉆孔1 距離工作面較遠(yuǎn)時(shí)，工作面回采過程并未對頂板巖層造成影響，鉆孔內(nèi)部無明顯裂隙；當(dāng)鉆孔1 距離工作面40 m 范圍內(nèi)時(shí)，受工作面回采擾動(dòng)影響，鉆孔1 內(nèi)部出現(xiàn)裂隙；當(dāng)鉆孔1 距離工作面20 m 時(shí)，鉆孔1 內(nèi)部裂隙較多，在垂直高度51 m 范圍內(nèi)均能見到較大尺寸的節(jié)理裂隙；當(dāng)鉆孔1 距離工作面10 m 時(shí)，鉆孔1 內(nèi)部裂隙充分發(fā)育，在鉆孔1 內(nèi)部垂直高度62m 范圍內(nèi)不僅有縱向裂隙，還有大量軸向裂隙，在鉆孔1 垂直高度16 m 處可看到巖層破碎且發(fā)生離層現(xiàn)象，表明采場上覆垮落帶高度約為16 m，裂隙帶高度約為46 m。

如圖7 所示，鉆孔2 的觀測結(jié)果與鉆孔1 類似，同樣是距離工作面40 m 位置，鉆孔2 內(nèi)部開始出現(xiàn)少量裂隙；在距離工作面20 m 時(shí)，在鉆孔2 內(nèi)部垂直高度54 m 范圍內(nèi)，出現(xiàn)大量裂隙；當(dāng)鉆孔2 距離工作面10 m 時(shí)，在鉆孔2 內(nèi)部垂直高度63 m 范圍內(nèi)，節(jié)理、裂隙充分發(fā)育，在垂直高度15 m 位置觀測到巖層破碎帶并出現(xiàn)離層現(xiàn)象，表明采場上覆垮落帶高度約為15 m，裂隙帶發(fā)育高度約為48 m。

綜合鉆孔1 和鉆孔2 的觀測結(jié)果，10-201 工作面垮落帶高度約為15.5 m，裂隙帶發(fā)育高度約為47 m，與數(shù)值模擬結(jié)果較為接近。

4 結(jié) 論

1）數(shù)值模擬結(jié)果表明，10-201 工作面回采20 m時(shí)，直接頂全部垮落充填采空區(qū)，初次來壓步距35 m，周期來壓步距20 m，裂隙帶發(fā)育高度45 m。

2）根據(jù)工作面液壓支架工作阻力監(jiān)測曲線及采空區(qū)頂板巖層觀測結(jié)果，工作面回采20 m 時(shí)，直接頂巖層全部垮落充填采空區(qū)，初次來壓步距38 m，周期來壓步距約20 m，與數(shù)值模擬結(jié)果較為吻合。

3）通過在10-201 回風(fēng)巷進(jìn)行“兩帶”高度觀測，結(jié)果表明10-201 工作面垮落帶高度約15.5 m，裂隙帶發(fā)育高度約為47 m，與數(shù)值模擬結(jié)果較為接近。