申曉勇 吳瓊

（1.山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西 呂梁 033602；2.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

煤層開采后，上覆巖層在采動的影響下將發(fā)生大面積的垮落、破斷和下沉，隨著工作面持續(xù)開采，會形成三帶：垮落帶、裂隙帶及彎曲下沉帶[1-2]。其中垮落帶、裂隙帶高度始終是煤礦安全生產(chǎn)重點關(guān)注的問題，及時準(zhǔn)確獲得“兩帶”高度，能夠為確定高位鉆孔終孔位置、高抽巷布置層位、開采上限、防止頂板突水等提供良好的依據(jù)[3-4]。

本文基于巖石力學(xué)參數(shù)，通過數(shù)值模擬、理論計算和現(xiàn)場實測，主要研究分析斜溝煤礦23107工作面覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律，模擬出“三帶”高度值，對比現(xiàn)場實際測定的數(shù)據(jù)，得出基于采動裂隙演化特征的模擬試驗手段在綜放工作面“三帶”劃分上是科學(xué)有效的[5]。

1 礦井概況

斜溝煤礦隸屬河?xùn)|煤田離柳礦區(qū)。主要開采煤層是8#、13#煤，陪采6#煤，井田南北長約22km，東西寬約4.5km，面積為88.6km2。

23107 綜放工作面位于21采區(qū)回風(fēng)上山北側(cè)，西側(cè)、北側(cè)為實煤區(qū)，東北側(cè)為原斜溝煤礦舊礦13號煤采空區(qū)，上部為8號煤層18103、18105、18117采空區(qū)，上部東側(cè)為18101、18115采空區(qū)和原斜溝煤礦8號煤采空區(qū)。工作面標(biāo)高為+791～+852m，地面標(biāo)高為 +983～+1182m，煤層厚度為5.95～16.68m，平均13.88m，工作面整體為一走向近南北傾向西的單斜構(gòu)造，傾角7.9°～9.6°，平均8.8°?？刹赏七M(jìn)長度是3400m，工作面傾斜長度是242m，采用全部垮落法管理采空區(qū)頂板，采用單一走向長壁采煤法、低位綜采放頂煤工藝。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

圖1 巖層柱狀圖

2 理論計算

巖層柱狀圖如圖1所示，從巖層柱狀圖得到，13#煤層厚度是13.88m，頂板類型為細(xì)粒砂巖和泥巖，屬于中硬巖層。一直以來，通常采用《“三下”采煤規(guī)程》中提供的經(jīng)驗公式來劃分覆巖“兩帶”。當(dāng)煤層上覆巖層為中硬巖層時，綜放開采時“兩帶”高度的公式未列入在《“三下”采煤規(guī)程》中，通常依據(jù)厚煤層分層開采的經(jīng)驗公式計算。

垮落帶高度：

導(dǎo)水裂隙帶高度：

式中：

∑M-累計采厚，m。

將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)帶入，計算得到13#煤層垮落帶高度為14.28～18.68m，導(dǎo)水裂隙帶高度為48.18～59.38m。

由于綜放工作面采高較大，覆巖“兩帶”發(fā)育高度將會大于分層開采條件，此時分層開采公式已不再適用。通過采用以下公式來計算綜放面覆巖為中硬條件時“兩帶”高度：

垮落帶高度：

導(dǎo)水裂隙帶高度：

式中：

M-采厚，m；

±-中誤差。

計算得到垮落帶高度為48.84～58.26m，導(dǎo)水裂隙帶高度為120.84～143.82m。

3 23107采場覆巖裂隙演化數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

依據(jù)23107工作面具體情況，建立數(shù)值模型，應(yīng)用平面應(yīng)變模型，模型長×高是400m×264m。模型共計26400個單元，在垂直方向有132個單元，在水平方向有200個單元。數(shù)值模擬時，將性質(zhì)相近的巖層進(jìn)行合并，把強度較小的薄弱層加入巖層間，作為層理研究。借助RFPA的自重模式開展計算，數(shù)值模型如圖2所示。

圖2 建立模型

3.2 計算方案

通過RFPA系統(tǒng)的自動開挖功能，設(shè)置23107工作面數(shù)值模擬時每步10m開挖一次，累計連續(xù)開挖30步，合計開采300m。

3.3 模擬結(jié)果分析

當(dāng)工作面推進(jìn)37m時，頂板巖層出現(xiàn)破裂，繼續(xù)推進(jìn)時，直接頂裂隙逐漸發(fā)展，相繼發(fā)生破壞，破斷的巖體鉸接相連，頂板的垮落呈不規(guī)則性。當(dāng)工作面推進(jìn)54m時，初次來壓到來，這時垮落帶高度是36.84m；工作面不斷推進(jìn)中，在重力影響下老頂發(fā)生彎曲下沉，開采到72m時，老頂產(chǎn)生顯著的離層現(xiàn)象，第二次來壓發(fā)生，隨著老頂不斷垮落，工作面前方的壓應(yīng)力顯著減小，就產(chǎn)生十分明顯的覆巖“兩帶”特征，這時垮落帶高度是39.75m，裂隙帶發(fā)育的高度為64.72m。裂隙演化示意圖如圖3所示。

圖3 裂隙演化示意圖

當(dāng)23107工作面開采134m后，覆巖“兩帶”高度基本穩(wěn)定不變，裂隙發(fā)育完全，這時垮落帶高度是51.47m，裂隙帶高度是108.56m，數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測、理論計算基本吻合。

4 頂板巖層裂隙現(xiàn)場實測

為了得到斜溝煤礦綜放開采條件下采場裂隙帶發(fā)育高度及演化特征，進(jìn)而準(zhǔn)確劃分出“三帶”高度，在23107工作面材料巷1700m處（距離工作面100m）施工三個頂板巖層裂隙觀測孔，以觀察裂隙發(fā)育情況。設(shè)計23107工作面觀測孔的長度為80m，傾角分別為40°、45°、50°，鉆孔的終孔地點距離23107工作面頂板分別為51.42m、56.57m、61.28m。借助CXK6礦用本安型鉆孔成像儀來觀察各觀測孔在未開采時和開采后的覆巖裂隙發(fā)育情況，同時做好裂隙出現(xiàn)異常區(qū)的地點。

當(dāng)23107工作面開采到距離觀測孔25m以上時定為未開采地點，當(dāng)工作面開采到距離工作面最多8m時定為開采后地點。通過分析鉆孔橫向和縱向裂隙、裂縫的發(fā)展規(guī)律，觀察結(jié)果證明采后的裂隙顯著多于采前的，采后裂隙裂縫發(fā)育擴展程度較高，觀測結(jié)果可靠。

各個觀測孔未開采時和開采后覆巖裂隙最密集區(qū)域距離23107工作面頂板的垂距見表2。由表2得到，未開采時1#、2#、3#觀測孔覆巖裂隙發(fā)育密集區(qū)在距煤層的垂距分別為48.62～49.54m、48.73～49.98m、48.31～49.88m，采后在距13#煤頂板垂高為49.87～50.94m、49.73～50.82m、49.59～50.67m處是裂隙密集區(qū)。實測結(jié)果證明23107工作面上覆巖層裂隙最為發(fā)育位置是在距工作面頂板垂距為48.31～50.67m處。

表2 上覆巖層裂縫裂隙發(fā)育情況

對比垮落帶的計算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)對于采用綜采放頂煤的采煤工藝，采用《規(guī)程》計算結(jié)果明顯偏小，通過經(jīng)驗公式得到三帶的高度雖稍有偏大，但基本與探測孔實測情況相符合，適合現(xiàn)場計算綜放面采場覆巖“兩帶”高度。

5 結(jié)論

（1）通過數(shù)值模擬和窺視儀現(xiàn)場實測方法，研究了煤層開采后覆巖在采動影響下縱橫向裂隙的分布、發(fā)育及相互貫通規(guī)律，此方法具有互補性、可靠性，可作為精準(zhǔn)界定“三帶”高度的有效方法。

（2）通過理論計算、現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬，得到斜溝煤礦23107工作面垮落帶高度是48.31～50.67m，斷裂帶高度是50.67～108.56m，理論計算、現(xiàn)場實測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致；驗證了RFPA模擬方法是采動覆巖“兩帶”高度研究的有效手段。

（3）通過研究采場覆巖的運動演化規(guī)律，進(jìn)而準(zhǔn)確地得到三帶高度，為工作面高位鉆孔的鉆場布置、采空區(qū)瓦斯治理提供科學(xué)的依據(jù)，確保礦井安全生產(chǎn)。