趙高清

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西呂梁 033602）

0 引言

工作面開(kāi)采后，采動(dòng)覆巖發(fā)生斷裂、垮落和下沉，形成垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，其中垮落帶、裂隙帶(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“兩帶”)高度始終是煤礦安全生產(chǎn)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，精準(zhǔn)獲得“兩帶”的高度，可為確定高位鉆孔的終孔位置、高抽巷的布置層位及防止頂板突水等提供科學(xué)的依據(jù)[1-2]。

本文以斜溝煤礦18104 大采高工作面為研究對(duì)象，通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值模擬[3]，借助孔巷三維測(cè)試技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)覆巖“兩帶”發(fā)育高度，最終得到該工作面覆巖“兩帶”的高度[4]，為礦井安全生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1 18104工作面概況

斜溝煤礦距山西省呂梁市興縣縣城北直距20 km，井田位于河?xùn)|煤田北部的中南部，主采煤層為8#、13#煤。8#煤層厚度為3.00 m～7.50 m，平均厚度為4.7 m，傾角為6.9°～10.9°，平均9.4°。8#煤為自燃煤層，煤塵具有爆炸性。頂板主要為粗中細(xì)粒砂巖和泥巖，底板主要為泥巖和中細(xì)粒砂巖。

18104 工作面位于11 采區(qū)措施巷南側(cè)，西側(cè)為18102工作面采空區(qū)，南側(cè)、東側(cè)均為實(shí)煤區(qū)。工作面標(biāo)高為+765 m～+822 m，可采走向長(zhǎng)度為3 338 m，傾斜長(zhǎng)為283 m，采用綜合機(jī)械化采煤工藝進(jìn)行回采，長(zhǎng)壁后退式一次采全高采煤方法，全部垮落法管理頂板。

2 18104工作面覆巖破壞規(guī)程計(jì)算

根據(jù)斜溝煤礦18104大采高工作面所采煤層與覆巖特征，選取經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算18104 工作面冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶（包括冒落帶和裂隙帶）的高度。

冒落帶最大高度hΙ計(jì)算如下：

導(dǎo)水裂隙帶最大高度hⅡ計(jì)算如下：

式中：M為工作面采高，煤厚平均4.7 m，一次采全高；

ks為覆巖的碎脹系數(shù)，取1.35；

α為所采煤層傾角，為9.4°。

18104工作面冒落帶高度為9.53 m，導(dǎo)水裂隙帶高度為19.06 m～28.59 m。即理論冒高/采厚比約為2.03，裂高/采厚比為4.06～6.08。

3 頂板“兩帶”現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

3.1 鉆孔布置及數(shù)據(jù)采集

采用孔巷三維測(cè)試方法，分析研究18104 工作面沿著傾向和走向“兩帶”高度。在1#孔布置52個(gè)電極，電極間距為2.4 m，從1#孔向工作面方向沿著皮帶巷道頂板共布置18 個(gè)電極，電極間距為3m，2#鉆孔共布置52 個(gè)電極，電極間距為1.6 m，從2#孔鉆孔向工作面方向沿著皮帶巷道頂板布置18 個(gè)電極，電極間距為2.8 m。鉆孔施工參數(shù)見(jiàn)表1，鉆孔剖面和電極布置如圖1、圖2所示。

鉆孔每天由專(zhuān)人收集2 組以上的數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)電阻率變化較大的階段，選取比較穩(wěn)定的一組數(shù)據(jù)開(kāi)展反演與解釋工作，其他兩組數(shù)據(jù)作為對(duì)比參考。對(duì)1#孔監(jiān)測(cè)監(jiān)控32天，共采集有效的物理數(shù)據(jù)點(diǎn)29 013 個(gè)；對(duì)2#孔監(jiān)測(cè)監(jiān)控50 天，得到有效物理數(shù)據(jù)點(diǎn)201 634個(gè)。

3.2 結(jié)果分析

鉆孔64個(gè)電極不同時(shí)間電流隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)，可得出煤層開(kāi)采過(guò)程中上覆巖體變形破壞動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律。

圖1 1#孔電極布置

圖2 2#孔電極布置

表1 鉆孔現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)參數(shù)

通過(guò)研究分析電流值的變化規(guī)律來(lái)輔助判定“兩帶”的高度。不同電極電流的變化情況見(jiàn)表2。從表2 得到，垮落帶高度8.6 m～9.5 m；裂隙帶高度為27.8 m～34.7 m。

表2 統(tǒng)計(jì)不同電極電流變化情況

4 覆巖裂隙演化數(shù)值模擬

4.1 模型的的建立

依據(jù)18205 工作面實(shí)際情況構(gòu)建模型，模型尺寸為400 m（長(zhǎng)）×264 m（寬）×208 m（高），共有79 987 個(gè)節(jié)點(diǎn)，80 013個(gè)單元，采用零單元模擬采空區(qū)。設(shè)置開(kāi)挖步距為12 m，共開(kāi)挖100 m。18205工作面巖層的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

4.2 邊界條件

模型的邊界條件如下：

（1）應(yīng)力邊界：在模型的上部施加垂直方向的載荷（P=γH）；模型周?chē)┘铀降刃У貞?yīng)力。

（2）位移邊界：采用x、y 方向固定模型的周邊；在模型頂部設(shè)置自由邊界條件，在z 方向底部采用全約束邊界條件。

（3）將等效荷載（自重應(yīng)力和側(cè)向應(yīng)力）施加在模型頂端，自重應(yīng)力計(jì)算如下：

式中，γ—覆巖的重力密度；

H—模型所處深度；

側(cè)向應(yīng)力計(jì)算如下

式中，ν—覆巖的泊松比。

表3 計(jì)算模型參數(shù)

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

4.3.1 塑性破壞區(qū)模擬結(jié)果分析

隨著工作面的開(kāi)采，覆巖開(kāi)始發(fā)生剪切破壞，覆巖裂隙開(kāi)始發(fā)育，逐步演化為拉伸破壞，最后產(chǎn)生破裂冒落，因此工作面頂板的冒落是拉伸破壞。受到的采動(dòng)影響，覆巖裂隙逐步發(fā)育成“兩帶”，隨著模型開(kāi)挖步距不斷變大，覆巖垮落區(qū)域也在不斷擴(kuò)大。向前開(kāi)采80m 時(shí)，工作面沿走向和傾向的塑性破壞如圖6 所示。從圖6 得到，覆巖破壞類(lèi)型主要以剪切與拉伸破壞為主，處于覆巖塑性破壞的區(qū)域最大，呈現(xiàn)代表性的“凸”型破壞特征。

圖3 18104工作面推進(jìn)80 m時(shí)塑性破壞圖

4.3.2 應(yīng)力模擬結(jié)果分析

根據(jù)18205工作面向前開(kāi)采80 m時(shí)沿走向和傾向的垂直應(yīng)力分布情況，發(fā)現(xiàn)垂直應(yīng)力集中分布在工作面上覆巖層處，此區(qū)域存在數(shù)條“拋物線(xiàn)”型應(yīng)力帶，工作面后方和煤壁也產(chǎn)生應(yīng)力集中，工作面中間部位產(chǎn)生了地應(yīng)力分布帶。隨著工作面的持續(xù)開(kāi)采，18205工作面采空區(qū)逐漸被壓實(shí)，煤壁前方產(chǎn)生超前支撐壓力。

4.3.3 應(yīng)變模擬結(jié)果分析

根據(jù)18205工作面向前開(kāi)采80 m時(shí)沿走向和傾向的應(yīng)變分布場(chǎng)獲得：工作面上覆巖層的各點(diǎn)位移量從上到下逐漸變大，表明覆巖發(fā)育成彎曲下沉帶、斷裂帶、垮落帶，工作面底板位移量由上到下逐漸減小，兩側(cè)煤柱上方覆巖移近量較小，且隨遠(yuǎn)離工作面推進(jìn)方向逐漸變小最終無(wú)移近量。

根據(jù)模擬結(jié)果最終確定：18205 工作面垮落帶高度為9.4 m，是采高的2 倍；斷裂帶高度是35.9 m，是采高的8倍。

5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與模擬結(jié)果對(duì)比分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論計(jì)算和數(shù)值模擬，18104工作面垮落帶和裂隙帶結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表4。從表4 得到，18104 工作面垮落帶高度是8.6 m～9.5 m，裂隙帶高度是27.8 m～34.7 m，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致；而“三下”開(kāi)采規(guī)程計(jì)算的裂隙帶高度與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬結(jié)果差值較大，《“三下”采煤規(guī)程》所列出的公式在計(jì)算大采高開(kāi)采條件下裂隙帶高度時(shí)明顯偏小，已經(jīng)不再適用；同時(shí)也驗(yàn)證了FLAC3D模擬方法是采動(dòng)覆巖“兩帶”高度研究的有效手段。

表4 18104工作面不同方法獲得的“兩帶”高度值統(tǒng)計(jì)

6 結(jié)論

（1）利用FLAC3D數(shù)值模擬得到斜溝煤礦18104 工作面垮落帶和裂隙帶的高度，模擬結(jié)果證明：覆巖破壞具有代表性的“凸”型破壞特征，兩側(cè)煤柱和采空區(qū)應(yīng)力比較集中。

（2）通過(guò)理論計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬，得到斜溝煤礦18104工作面垮落帶高度是9.5 m，裂隙帶高度是34.7 m，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致；而“三下”開(kāi)采規(guī)程計(jì)算的裂隙帶高度與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬結(jié)果差值較大，《“三下”采煤規(guī)程》所列出的公式在計(jì)算大采高開(kāi)采條件下裂隙帶高度時(shí)明顯偏小，已經(jīng)不再適用；同時(shí)也驗(yàn)證了FLAC3D模擬方法是采動(dòng)覆巖“兩帶”高度研究的有效手段。