大采高工作面采空區(qū)“三帶”高度判定研究

崔鵬飛，陳向軍

(1.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454003； 2.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003； 3.晉能控股煤業(yè)集團 成莊煤礦，山西 晉城 048000)

在采用全部垮落法管理頂板的工作面中，沿工作面的走向方向，頂板一般呈現(xiàn)“橫三區(qū)、豎三帶”分布[1]。隨著采面的向前推進，瓦斯將沿離層區(qū)的垮落帶向上飄移，從而在裂隙帶積聚大量瓦斯[2]。受到采空區(qū)漏風、大氣壓力變化或采空區(qū)矸石垮落的影響，采空區(qū)瓦斯會涌入采煤工作面或生產(chǎn)巷道，影響正常生產(chǎn)，甚至釀成重大事故[3]。高位鉆孔抽采瓦斯作為治理采空區(qū)瓦斯的有效措施被廣泛應用，其抽采層位的選擇尤為關鍵[4]。選擇抽采層位時主要依據(jù)上覆巖層的“三帶”分布[5]。因此，研究覆巖“三帶”的分布不但對礦井瓦斯災害防治和煤層氣資源高效利用有重要意義，而且對水害防治和水資源的保護有著重要作用[6]。

1 工作面概況

成莊礦屬于高瓦斯礦井，目前開采3號煤層，生產(chǎn)能力為840萬t/a,4321大采高工作面位于一水平四盤區(qū)。工作面標高最高584 m,最低504 m，地面標高最高920 m，最低1 086 m。走向長度1 871.73 m，傾斜長度286.98 m，煤層平均厚度6.4 m，可采儲量488.4萬t。開采方式為大采高一次采全高，工作面采用三巷布置，“三進一回”U型通風系統(tǒng)，其中43213巷為主進風巷(膠帶巷)、43211巷、43214巷為輔助進風巷、43212巷為回風巷。巷道布置如圖1所示。

圖1 4321工作面巷道布置圖

1.1 工作面地質參數(shù)

4321工作面所采煤層傾角為1～11°，平均4°。煤層結構簡單，穩(wěn)定程度為穩(wěn)定，無明顯層理、節(jié)理發(fā)育，煤質普氏硬度f=2.7～3.2，地壓：12.55～10.4 MPa。煤層老頂為細粒砂巖，平均厚度為5.00 m，煤層直接頂為砂質泥巖，平均厚度為3.42 m，煤層直接底、老底為砂質泥巖，總厚度為9.38 m。工作面頂?shù)装逶敿毲闆r見表1。

表1 4321工作面頂?shù)装逶敿毲闆r

2 采空區(qū)三帶高度理論計算

垮落帶指由采礦引起的上覆巖層破裂并向采空區(qū)塌落的巖層范圍。裂隙帶指采空區(qū)上覆巖層中產(chǎn)生裂縫、離層及斷裂但仍保持層狀結構的巖層范圍。彎曲下沉帶巖層結構相對較完整,位于裂隙帶之上直到地表[7]。

4321工作面3號煤層直接頂為砂質泥巖，平均抗壓強度32.25 MPa，工作面采空區(qū)覆巖垮落帶高度可按公式(1)[8]計算：

=13.04±2.2 m

(1)

式中:Hm為垮落帶高度，m；M為開采煤層的厚度，m；垮落帶高度Hm取13.04±2.2 m。

4321工作面老頂為細粒砂巖和粉砂巖，采空區(qū)覆巖裂隙帶高度可按公式(2)[9]計算：

(2)

式中:Hf為垮落帶高度，m；M為開采煤層的厚度，m；即4321工作面裂隙帶高度為60.6 m。

3 覆巖三帶高度數(shù)值模擬分析

3.1 RFPA數(shù)值模擬軟件簡介[10]

RFPA軟件是基于RFPA方法(真實破裂過程分析方法)研發(fā)的一款能夠模擬材料漸進破壞過程的數(shù)值試驗工具。它是一種基于有限元應力分析和統(tǒng)計損傷理論的材料破壞過程分析數(shù)值計算方法，是一個能夠模擬材料漸進破裂直至失穩(wěn)全過程的數(shù)值試驗工具。

3.2 RFPA數(shù)值模擬程序求解步驟

1) 模型的建立。新建模型尺寸為300 m×200 m，代表長300 m，高200 m的地層范圍，見圖2。圖2中黑色長條代表煤層，煤層厚度為6.42 m。數(shù)值模型參數(shù)如表2和表3所示。

圖2 新建模型示意

表2 建模基元的力學參數(shù)

表3 建?；南嘧儨蕜t

2) 網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分為300×200個基元，假設水平方向位置為固定，垂直方向位移自由。

3) 插入模型結構及開挖控制。網(wǎng)格劃分完成后，開始插入模型結構，同時也對每個地層的物理力學參數(shù)進行了賦值，各分層力學參數(shù)見表4。然后插入開挖工具，需要開挖出一個長方形空洞來模擬工作面煤層的推進，開挖高度即為成莊礦4321工作面煤層采高6.4 m，沿工作面推進方向每步開挖20 m，共開挖5步，模擬上分層工作面推進100 m過程中采空區(qū)及上覆巖層的變化過程。

表4 各分層單元的力學參數(shù)和相變參數(shù)

4) 加載邊界條件。對上述設計好的模型進行邊界條件的加載以及系統(tǒng)自定義參數(shù)賦值，自重加載方向為Y方向，工作面埋深取500 m，模型取巖層的近似密度為2.6×103kg/m3，該均布載荷的大小qy與上覆巖層的巖性和埋藏深度h有關，見式3。

qy=∑ρgh

(3)

式中:ρ為上覆巖層的密度，kg/m3；g為重力加速度，取g=9.8 m/s2；h為煤層埋深，m。

計算得:qy=12.74 MPa。

在X方向，初始水平應力見公式(4)。

qx=k·qy

(4)

式中：k為圍壓系數(shù)，k=ν/1-ν；ν為泊松比，取0.25。計算得:qx=4.246 MPa。

加載位移為每步0.02 mm，控制信息加載總步數(shù)為6步，其他均取默認值。

5) 數(shù)值模擬計算。選擇連續(xù)運行方式進行運行計算，沿工作面推進方向共運行6步，第2步起開始開挖，共開挖5步，每步開挖20 m，共開挖100 m。

3.3 數(shù)值模擬計算結果

通過模擬計算得到了4321工作面推進100 m過程中采空區(qū)上覆巖層垮落過程的聲發(fā)射分布圖和剪應力圖，如圖3和圖4所示。圖3中每一個圓心代表一個聲發(fā)射源，圓圈的大小代表聲發(fā)射釋放能量的大小，方格數(shù)量代表裂隙的發(fā)育程度。其中黑色為破壞單元，紅色為拉伸破裂，白色為剪切破裂。圖4中灰度代表應力值的大小，應力值越大顏色越白、越亮，反之，顏色則較為暗淡。

圖4 RFPA2D數(shù)值模擬應力圖

分析圖3圖4中的(b)可知，當工作面推進到20 m左右時，采空區(qū)上部出現(xiàn)聲發(fā)射現(xiàn)象，但聲發(fā)射能量較小，呈無序狀。上部巖層內(nèi)部應力場分布出現(xiàn)非均勻性，開切眼和前方煤壁處出現(xiàn)應力集中區(qū),上覆巖層出現(xiàn)輕微破壞。

分析圖3圖4中的(c)可知，當工作面推進40 m左右時，聲發(fā)射能量源進一步增加，出現(xiàn)聲發(fā)射積聚現(xiàn)象，上覆巖層破裂范圍明顯增多，應力場分布明顯發(fā)生變化。采空區(qū)上覆巖發(fā)生小部分斷裂，煤層頂板裂隙帶高度達到17 m左右。

分析圖3圖4中的(d)可知，當工作面推進60 m左右時，聲發(fā)射能量繼續(xù)增大且聲發(fā)射能量高度也發(fā)生了明顯提升。分析認為，老頂可能出現(xiàn)初次來壓現(xiàn)象，應力場平衡被嚴重破壞，基本頂巖層逐步分層向采空區(qū)垮落，垮落帶高度7 m左右，裂隙帶高度繼續(xù)向上發(fā)育擴展至27 m左右。

通過圖3圖4中的(e)可以看出，隨著工作面的推進至80 m，聲發(fā)射能量急劇增大，在已經(jīng)受到破壞影響的采空區(qū)上覆巖層內(nèi)，離層裂隙和豎向破斷裂隙持續(xù)向上發(fā)育，同時，老頂?shù)纳衔卉泿r層協(xié)同直接頂?shù)目迓溟_始彎曲下沉，進而形成了大量的離層裂隙，裂隙帶高度達到60 m。

通過圖3圖4中的(f)可以看出,當工作面推進100 m左右時，聲發(fā)射能量場在垂向上的高度已無明顯變化，僅隨工作面的推進在水平方向發(fā)生延展，老頂呈現(xiàn)周期性垮落趨勢。裂隙發(fā)育比較密集的區(qū)域為采空區(qū)垂向上28～40 m范圍內(nèi)。工作面推進100 m時，所呈現(xiàn)出的頂板巖層垮落變化規(guī)律與推進80 m時一致?？迓鋷Ц叨然颈３衷?6 m左右，裂隙帶高度達到60 m。

數(shù)值模型模擬運算結束后，提取了數(shù)值模型中部在垂直方向上200個基元的位移數(shù)據(jù)并繪制圖5。從圖5中可以看出，垂直方向上從上到下1～167個基元在X方向上的位移很小，基本上為零。自上而下168～192個基元在X方向上的位移量出現(xiàn)波動，最大位移第170個單元，位移296.7 mm。自上而下192～200個基元在X方向上的位移量較小，總體上保持在-10～10 mm之間。在Y方向上，1～121基元的位移量基本保持在240 mm左右，122～167個基元的位移量緩慢增大，且在168和169個單元突然激增至3 377 mm和3 387 mm，但之后170～185個單元基本保持在2 400 mm左右；自上而下185～191個單元位移直線下降，192～200個基元在Y方向的位移量總體上保持在-50～50 mm之間。

圖5 數(shù)值模型基元位移圖

結合采空區(qū)上覆巖層分區(qū)分帶理論分析可知，0～121個基元中的上覆巖層由于裂隙不發(fā)育，只出現(xiàn)一定的彎曲下沉，可劃分為采空區(qū)覆巖的彎曲下沉帶，模型中其彎曲下沉量約為0.24 m；122～167個基元中的上覆巖層在Y方向上的位移量突然增大，但又小于模型中的開挖高度，可劃分為裂隙帶，對應實際物理模型其高度范圍為煤層頂板上部17～63 m，由于裂隙帶下部離層裂隙和豎向破斷裂隙較為發(fā)育，所以在Y方向從上至下的位移量逐漸增大；168～185個基元由于位移量較大，X方向上也出現(xiàn)了一定的位移變化波動，可劃分為垮落帶，對應的物理模型高度范圍為煤層頂板上部0～17 m；由于模型的邊界條件設置為底端固定，192～200個基元中的覆巖的位移量基本為零。由此可知，根據(jù)基元位移量劃分的采空區(qū)上覆巖層“三帶”高度和模擬圖分析結果大體上相一致。

至此，煤層頂板“豎三帶”的分布范圍模擬結果為：3號煤煤層頂板上方0～17 m的垮落巖層為垮落帶，3號煤層頂板上方17～63 m的破裂巖層為裂隙帶，裂隙帶往上為彎曲下沉帶。

4 裂隙帶最佳瓦斯抽采層位判斷

瓦斯密度比空氣小，會在裂隙帶內(nèi)形成高濃度瓦斯，離層區(qū)則為瓦斯水平流動創(chuàng)造了條件[11]。裂隙帶上部巖層裂隙規(guī)模小且發(fā)育不均勻，瓦斯?jié)舛雀叩笟庑圆?，無法形成有效的瓦斯流動通道[12]。只有將瓦斯抽采鉆孔終孔位置布置于裂隙區(qū)的中下部，同時位于離層區(qū)即“O”型圈[13]，在二者重疊區(qū)域，一方面不易發(fā)生鉆孔被垮落的巖石破壞堵塞，另一方面裂隙發(fā)育，能夠相互連通形成瓦斯流動的有效通道[14]，才能獲得較高的瓦斯抽采效率。

本次通過實際測試各層位高位鉆孔抽采效果，分析裂隙帶最佳瓦斯抽采層位。在43212/1巷橫川2巷側南幫施工高位鉆孔，43211和43212巷中間煤柱40.84 m。高位鉆孔俯視圖如圖6所示、高位鉆孔軌跡如圖7和圖8所示。

圖6 4321工作面高位鉆孔俯視圖

圖7 高位鉆孔俯視軌跡圖

圖8 高位鉆孔側視軌跡圖

高位鉆孔X長度表示鉆孔開孔位置距終孔位置的走向距離，Y長度表示鉆孔開孔位置距終孔位置傾向距離，Z長度表示鉆孔開孔位置距終孔位置的垂直距離。X長度決定鉆孔進入采空區(qū)開始抽采的先后順序，Y距離決定鉆孔終孔位置是否位于“O”型圈內(nèi)，Z距離決定鉆孔終孔位置是否位于裂隙帶中，所以Y和Z距離共同決定鉆孔抽采的效果。

43211/2巷25號橫川施工長距離高位鉆孔，鉆孔抽采濃度和抽采純量如圖9和圖10所示，鉆孔終孔位置如表5所示。

圖9 25號橫川高位鉆孔抽采濃度曲線圖

圖10 25號橫川高位鉆孔抽采純量曲線圖

表5 25號橫川高位鉆孔終孔位置

從圖10瓦斯抽采效果來看，依次排序為3號鉆孔最好，2號、4號鉆孔次之，1號最差。1號鉆孔和2號鉆孔終孔位置對比，Z距離相差不大，而Y距離上1號鉆孔比2號鉆孔多10 m，且1號高位鉆孔內(nèi)有濃度無流量，以此判斷1號鉆孔終孔位置距煤柱57.16 m位于采空區(qū)壓實區(qū)，而2號鉆孔終孔位置距煤柱47.16 m位處在采空區(qū)“O”型圈內(nèi)。

43211/2巷19號橫川施工長距離高位鉆孔，鉆孔抽采濃度和抽采純量如圖11和圖12所示，鉆孔終孔位置如表6所示。

圖11 19號橫川高位鉆孔抽采濃度曲線圖

圖12 19號橫川高位鉆孔抽采純量曲線圖

表6 19號橫川高位鉆孔終孔位置

從圖12瓦斯抽采效果看，依次排序為3號、4號鉆孔最好，1號、2號鉆孔最差。與抽采效果最好的3號、4號鉆孔相比，1號、2號鉆孔在終孔位置最明顯的差異為Y距離過遠。判斷1號、2號終孔位置進入采空區(qū)壓實區(qū)。

43211/2巷13號橫川施工長距離高位鉆孔，高位鉆孔施工位置位于巷道下坡段底部，坡頂位置距鉆孔施工地點水平距離442 m,垂直距離65 m。鉆孔抽采濃度和抽采純量如圖13和圖14所示，鉆孔終孔位置如表7所示。

圖13 13號橫川高位鉆孔抽采濃度曲線圖

圖14 13號橫川高位鉆孔抽采純量曲線圖

表7 19號橫川高位鉆孔終孔位置

從圖14瓦斯抽采效果依次排序，3號鉆孔最好，4號、2號次之1號鉆孔最差。與抽采效果好的2號、3號、4號鉆孔相比，1號鉆孔在終孔位置最明顯的差異為Y距離過遠。判斷終孔位置進入采空區(qū)壓實區(qū)。

比較13號橫川3號高位鉆孔和25號橫川3號高位鉆孔，Y距離相差不大，當鉆孔位置距煤層頂板垂高在54～39 m時，抽采純量隨垂高的降低逐漸增大。比較13號橫川4號高位鉆孔和19號橫川4號高位鉆孔，Y距離相差不大，當鉆孔位置距煤層頂板垂高在50～26 m時，抽采純量隨垂高的降低逐漸增大。從整體抽采效果看，13號橫川高位鉆孔比25號橫川高位鉆孔抽采效果好，13號橫川高位鉆孔終孔位置Y距離和25號橫川相差不大的基礎上，13號橫川鉆孔終孔位置距煤層垂直距離26～39 m。

根據(jù)抽采效果分析表明,4321工作面采空區(qū)裂隙帶最佳瓦斯抽采層位,傾斜方向上分布在距煤壁小于50 m的范圍內(nèi)，垂直方向上分布層位高度26～39 m左右范圍。尤其是當抽放鉆孔布置于距煤壁35 m，層位高度39 m時，抽采效果最好。

5 結 語

1) 根據(jù)試驗工作面的實際情況，運用經(jīng)驗公式對采空區(qū)上覆巖層的垮落帶和裂隙帶的高度范圍進行了計算，得出垮落帶高度范圍為10.84～15.24 m，裂隙帶的高度為60.6 m。

2) 運用RFPA2D軟件模擬結果得出煤層頂板上方0～17 m的垮落巖層為垮落帶，煤層頂板上方17～63 m的破裂巖層為裂隙帶，裂隙帶上方直至地表為彎曲下沉帶。

3) 采空區(qū)裂隙帶最佳瓦斯抽采層位水平分布在距煤壁小于50 m的區(qū)域，垂直分布在距煤層26～39 m的區(qū)域。尤其是當抽放鉆孔布置于距煤壁35 m，層位高度39 m時，抽采效果最佳。與數(shù)值模擬結果相吻合，兩者相互驗證。

4) 綜合經(jīng)驗公式計算、數(shù)值模擬、工程實踐結果，4321工作面采空區(qū)上覆巖層的“三帶”高度范圍可初步劃分為：垮落帶距3號煤煤層頂板上方0～17 m，裂隙帶距3號煤煤層頂板上方17～63 m，3號煤煤層頂板63 m以上為彎曲下沉帶。