采空區(qū)覆巖垮落及孔隙率演化規(guī)律研究

高常華 王成穩(wěn) 王 鵬

（山東新河礦業(yè)有限公司，山東 濟寧 272415）

隨著煤礦從淺層向深層開采，上覆巖層受載越來越大，因此采空區(qū)產(chǎn)生了大量不規(guī)則形變的坍塌巖體、殘存的煤體，使整個采空區(qū)的壓實程度有所下降，使瓦斯等氣體滲透的通道和空間增加[1]。這就造成了綜放采空區(qū)存在遺煤（可燃物）、漏風(fēng)（氧）、瓦斯等方面的不利因素，致使采空區(qū)發(fā)生煤自燃、瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出等問題[2-3]。因此，對采空區(qū)覆巖垮落的分布特點和孔隙率演變規(guī)律進行深入的研究，有助于掌握采空區(qū)的孔隙率及流場演化規(guī)律，為劃分采空區(qū)遺煤自燃危險區(qū)域提供理論基礎(chǔ)[4]。

1 工程概況

新河煤礦7312 工作面3 煤層均厚7.17 m，采用綜采放頂煤工藝，全部垮落法管理頂板，逐次開挖作業(yè)。3 煤屬Ⅱ類自燃煤層，最短自然發(fā)火期40 d。瓦斯絕對涌出量3.6 m3/min。柱狀圖見表1。

表1 新河3 煤7312 工作面煤巖層綜合柱狀圖

2 離散元模擬

2.1 模擬參數(shù)的確立

使用PFC 軟件時，確定與宏觀材料特性相匹配的細觀參數(shù)，才能得到符合實際宏觀力學(xué)性能的模擬結(jié)果[5]。材料的宏觀參數(shù)可以利用經(jīng)驗公式轉(zhuǎn)換為相匹配的細觀參數(shù)[6]。經(jīng)驗公式如下：

1）彈性模量經(jīng)驗公式

式中：E為彈性模量，GPa；Ec為楊氏模量，GPa；kn/ks為剛度比；a=1.652；b=-0.395。

2）泊松比經(jīng)驗公式

式中：v為泊松比；c=0.209；d=0.111。

3）單軸抗壓強度回歸性分析

式 中：σt為 抗 拉 強 度，MPa；d=-0.174；e=0.463；f=0.289。

各巖層的宏觀參數(shù)見表2。由式（1）～（4）進行了相關(guān)參數(shù)的反演，得出了相應(yīng)的細觀參數(shù)見表3。

表2 各巖層宏觀參數(shù)

表3 各巖層反演細觀力學(xué)參數(shù)

2.2 煤層模型的建立

在現(xiàn)場地質(zhì)柱狀圖的基礎(chǔ)上，建立了相應(yīng)的PFC 模型。模型長100 m、寬100 m、高49.35 m，分為九層，上部為第一層，下部為第九層，如圖1（a）。為了還原實際開采過程，對7312 工作面分成10 個區(qū)塊進行回采，每段回采間隔10 m，如圖1（b）。

圖1 建立的PFC 模型及模型煤層回采

3 模擬結(jié)果分析

3.1 覆巖垮落分布特征

回采過程如圖2，當回采第一塊結(jié)束后，直接頂沒有垮落，仍然起到支撐作用。當?shù)诙K回采結(jié)束后，采空區(qū)直接頂開始松動，逐漸開始垮落。當?shù)谌龎K回采結(jié)束后，第一塊采空區(qū)上部的直接頂已經(jīng)垮落結(jié)束，第二塊采空區(qū)上部的直接頂開始松動但并沒有開始垮落。當?shù)谒膲K回采結(jié)束后，第一塊采空區(qū)直接頂垮落已經(jīng)穩(wěn)定，第二塊采空區(qū)發(fā)生垮落，第三塊采空區(qū)的頂板及覆巖出現(xiàn)松動，但未出現(xiàn)明顯垮落。即從第三塊采空區(qū)開始，每回采一步，前面的采空區(qū)頂板及覆巖都會發(fā)生垮落，當前回采面的前一層采空區(qū)的直接頂雖然出現(xiàn)松動但并不會發(fā)生垮落，這種規(guī)律延續(xù)到回采結(jié)束。

圖2 煤層回采過程采空區(qū)垮落模擬圖

當回采進入第二步時，煤層直接頂出現(xiàn)松動，開始出現(xiàn)裂隙，基本頂未發(fā)生變化，各層高度沒有發(fā)生變化；當工作面回采進入第三步時，基本頂承受壓力不斷增加，不再具有支撐作用而發(fā)生垮落現(xiàn)象，此時覆巖中裂隙不斷增加；當工作面回采進入第十步時，模擬試驗基本結(jié)束，各巖層中裂隙增長速度減慢，但裂隙數(shù)量還在繼續(xù)增加，隨垮落矸石的不斷堆積，最終裂隙數(shù)量將會減少至一個穩(wěn)定值。

3.2 覆巖孔隙率演化規(guī)律

根據(jù)回采7312 工作面后采空區(qū)情況，將其看作是一種多孔介質(zhì)空間，確定出相關(guān)參數(shù)，對其進行了數(shù)值模擬與分析，總結(jié)孔隙率變化規(guī)律。

由圖3 可知，煤層在未回采時，煤層及上方覆巖整體的孔隙率較小，在0.16～0.24 之間，分布較均勻。煤層覆巖隨工作面的推進不斷垮落與堆積，孔隙率發(fā)生變化。通過圖4 得出，回采第一次時煤層大部分區(qū)域處于未開采狀態(tài)，孔隙率呈現(xiàn)較低的狀態(tài)，孔隙率在0.1 左右，巖層和關(guān)鍵層無明顯變化。

圖3 煤層未回采階段孔隙

圖4 煤層回采過程中孔隙率變化圖

回采第四步時，回采已進行了一半，孔隙率產(chǎn)生較大變化。在煤層中，工作面附近處于應(yīng)力降低區(qū)域，直接頂未垮落，導(dǎo)致這部分區(qū)域孔隙率較高，孔隙率約為0.91～0.98。尤其是在工作面兩端位置，由于煤柱對頂板的支撐作用，兩端位置未垮落區(qū)域比其他位置更長，較大的孔隙率分布更廣。其他位置采空區(qū)頂板垮落基本穩(wěn)定，孔隙率最大為0.42，最小為0.28。在直接頂位置，工作面附近上部的直接頂區(qū)域沒有垮落，但產(chǎn)生了明顯的裂縫，造成孔隙率增大，從原來的0.12 變?yōu)?.21。工作面后部的采空區(qū)上方直接頂基本完全垮落，孔隙率基本穩(wěn)定在0.42 左右，約為未開采時的3.5 倍。

4 結(jié)論

在回采距離10 m 的情況下，由于直接頂?shù)闹?，上部巖層未出現(xiàn)明顯的崩塌；從回采距離30 m 開始，每回采一步，前面的采空區(qū)頂板及覆巖都會發(fā)生垮落，這種規(guī)律延續(xù)到回采結(jié)束。在未開采時煤層孔隙率范圍在0.16～0.24 之間；當工作面全部回采完畢后，孔隙率基本穩(wěn)定在0.42 左右，約為未開采時的3.5 倍。模擬結(jié)果對解決瓦斯抽采以及合理布置鉆孔位置具有重要的意義。