高明濤，辛恒奇，郭忠平，莫 技，龐繼祿

(1.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東 泰安 271200；3.煤礦充填開采國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安 271200)

0 引 言

煤礦井下煤巖體一經(jīng)采動(dòng)，在采動(dòng)應(yīng)力作用下，采動(dòng)影響范圍內(nèi)煤巖層產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)、損傷和破壞，巖層將由下而上發(fā)生垮落、斷裂、離層、彎曲下沉等運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，呈現(xiàn)分帶發(fā)育特征，進(jìn)而形成采場(chǎng)上覆巖層縱向分布的“三帶”[1，2]，即冒落帶、裂隙帶及彎曲下沉帶，其中“三帶”巖層的分布范圍及其運(yùn)動(dòng)破壞規(guī)律，是礦井確定合理開采邊界、開采程序和采掘布局的基礎(chǔ)，也是礦井安全災(zāi)害防治的關(guān)鍵。

近年來，山東科技大學(xué)宋振騏院士團(tuán)隊(duì)在以巖層運(yùn)動(dòng)為中心的實(shí)用礦山壓力理論基礎(chǔ)上，研究了采場(chǎng)上覆巖層運(yùn)動(dòng)破壞規(guī)律及其結(jié)構(gòu)形態(tài)，建立了采場(chǎng)結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，確定了各巖層分布范圍及其應(yīng)力場(chǎng)分布，為采場(chǎng)頂板控制、沖擊地壓、突水等動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測(cè)及防治提供了依據(jù)[1-2]。錢鳴高院士創(chuàng)立了“砌體梁”和關(guān)鍵層理論分析了上覆巖層破斷及巖塊咬合運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和判斷準(zhǔn)則，廣泛應(yīng)用于煤礦瓦斯抽采、覆巖離層和控制地表沉陷等方面[3-4]；蔣金泉教授以新汶礦區(qū)孫村煤礦為工程背景，深入分析了采動(dòng)覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律及裂隙巖層分帶特征并進(jìn)行了詳細(xì)劃分，建立了上行卸壓開采效果和可行程度評(píng)價(jià)方法[5]；尹增德教授利用彈塑性力學(xué)和礦山壓力控制理論研究了覆巖破壞影響因素、覆巖破壞分帶及形態(tài)特征[6]；高延法、張慶松等從“三下一上”特殊開采系統(tǒng)控制角度出發(fā)從巖層運(yùn)動(dòng)及巖層運(yùn)動(dòng)破壞完成后形成結(jié)構(gòu)提出了巖移“四帶”、“五帶”模型，都是對(duì)傳統(tǒng)“三帶”模型中從不同研究角度進(jìn)行了更細(xì)致劃分[7]。采場(chǎng)上覆巖層破壞范圍確定主要采用理論計(jì)算、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等研究方法，其中兩帶高度實(shí)測(cè)主要包括井下鉆孔注水測(cè)漏法[8]和微震等地球物理探測(cè)兩大類[9-10]。

前人在長(zhǎng)期理論研究與工程實(shí)踐中對(duì)在不同開采條件下，根據(jù)各自研究對(duì)象做出了巨大努力并不斷完善與發(fā)展了各自方向的理論與技術(shù)。黃河北煤田為我國(guó)十四大煤炭基地之一魯西煤炭基地尚未開采的煤田，考慮到煤礦開采的特殊性，不同開采條件呈現(xiàn)出不同的規(guī)律，在前人的研究基礎(chǔ)上，針對(duì)黃河北煤田是大水高瓦斯厚沖積層薄基巖復(fù)雜開采條件，研究大水厚沖積層薄基巖綜采工作面采場(chǎng)上覆巖層縱向分帶發(fā)育規(guī)律進(jìn)行研究，對(duì)實(shí)現(xiàn)礦井合理開拓布局、薄煤層綜采支架選型、頂板控制和瓦斯抽采合理參數(shù)確定具有重要意義。

1 采場(chǎng)上覆巖層縱向運(yùn)動(dòng)破壞規(guī)律及其結(jié)構(gòu)形態(tài)理論分析

煤層被開挖后，在采動(dòng)影響下上覆巖層發(fā)生運(yùn)動(dòng)。采場(chǎng)上覆各巖層的運(yùn)動(dòng)破斷規(guī)律、范圍以及裂隙發(fā)育程度等都是由煤巖層組成的整體從開采前的應(yīng)力與空間平衡狀態(tài)到不平衡狀態(tài)的過程中相互響應(yīng)的結(jié)果，并受煤巖層的強(qiáng)度、厚度、應(yīng)力狀態(tài)及采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)分布等因素影響。在工作面推采過程中，上覆巖層的運(yùn)動(dòng)和破壞形態(tài)具有明顯的分帶特征。在采用全部垮落法開采的工作面，在一定的開采深度，采場(chǎng)上覆巖運(yùn)動(dòng)過程中呈現(xiàn)“三帶”分帶特征[2，9-11]，如圖1所示。在采動(dòng)條件的影響下，采場(chǎng)上覆巖層中參與運(yùn)動(dòng)破壞的巖層結(jié)構(gòu)形態(tài)，主要包括以下3個(gè)部分。

1)在采場(chǎng)推進(jìn)方向上由支架或煤壁臨時(shí)支撐的巖層(即直接頂)，在采場(chǎng)內(nèi)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在采場(chǎng)推進(jìn)方向上不能始終保持傳遞力的作用，該部分巖層為冒落帶(或垮落帶)。

2)在采場(chǎng)推進(jìn)方向上受采動(dòng)應(yīng)力作用下發(fā)生破斷損傷的巖層。該部分巖層由同時(shí)運(yùn)動(dòng)(或近乎同時(shí)運(yùn)動(dòng))且在推進(jìn)方向上始終能保持傳遞力聯(lián)系的“傳遞巖梁”組成[1]。由于各巖梁在推進(jìn)方向上的形成了一系列保持相互作用力的斷裂塊體，即“砌體梁”結(jié)構(gòu)，形成了采場(chǎng)上覆巖層中砌體梁帶，該部分巖層為導(dǎo)水裂隙帶[6-8]。

3)處于沉陷運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的巖層，包括裂斷拱兩側(cè)和頂部處于沉陷運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的全部巖層，稱為彎曲下沉帶(或緩沉帶)[2，12]。這部分巖層在工作面開采過程中上覆巖層運(yùn)動(dòng)相對(duì)滯后的部分，一般在工作面開采一段時(shí)間后才顯現(xiàn)出來。這部分巖層在運(yùn)動(dòng)結(jié)束穩(wěn)定后，巖層所受破斷和裂隙損傷程度都要裂斷拱內(nèi)巖梁低得多，該部分巖層運(yùn)動(dòng)的結(jié)果是引起地表沉。

圖1 采場(chǎng)上覆巖層縱向運(yùn)動(dòng)分帶情況Fig.1 Movement zoning model of stope overlying strata

2 采場(chǎng)上覆巖層縱向分帶發(fā)育規(guī)律及結(jié)構(gòu)形態(tài)數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型

2.1.1 計(jì)算模型建立

利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)趙官煤礦1705

西工作面上覆巖層運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，模型坐標(biāo)系按如下規(guī)定，垂直煤層回采方向?yàn)閤軸，平行煤層回采方向?yàn)閥軸；鉛直方向即重力方向?yàn)閦軸，向上為正。根據(jù)這一坐標(biāo)系規(guī)定，計(jì)算模型沿x軸方向的長(zhǎng)度約為120 m，即工作面長(zhǎng)度為120 m；y方向的長(zhǎng)度約為400 m，即回采進(jìn)尺約為400 m，沿z軸方向的高度為70 m.在煤層近似看作水平，平均厚度取1.25 m.煤層平均埋深為415 m.

2.1.2邊界條件

在模型的四個(gè)側(cè)面采用法向約束，頂面即地表為應(yīng)力和位移自由邊界，底面為x，y，z3項(xiàng)全部約束，均為固定鉸支座。

2.1.3 模型網(wǎng)格剖分

根據(jù)地質(zhì)巖層情況，劃分網(wǎng)格時(shí)盡可能在煤層開采范圍內(nèi)使網(wǎng)格尺寸足夠小，并且性狀規(guī)則，不出現(xiàn)畸形單元。模型中的單元類型全部為8節(jié)點(diǎn)六面體單元，最終模型的單元總數(shù)為84 000個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為90 241個(gè)。整個(gè)模型如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型Fig.2 Numerical model

2.2 計(jì)算參數(shù)

依據(jù)趙官礦煤、巖物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果得到模型的計(jì)算參數(shù)見表1.

表1 模型計(jì)算參數(shù)表

2.3 模擬步驟

計(jì)算模擬步驟分為一下2個(gè)步驟。

1)在自重荷載條件下計(jì)算巖體的初始應(yīng)力；

2)通過理論計(jì)算確定了采場(chǎng)直接頂和老頂?shù)某醮慰迓洳骄?、周期垮落步距及工作面“見方”的特殊?jié)點(diǎn)位置，即分別對(duì)工作面推采到15，32，45，60，120，150 m的位置進(jìn)行模擬，并切片垂直工作面方向上覆巖層應(yīng)力和位移云圖。

2.4 計(jì)算結(jié)果與分析

工作面回采到不同距離時(shí)上覆巖層縱向的應(yīng)力和位移云圖如圖3～圖8所示。

圖3 工作面推進(jìn)15 m時(shí)應(yīng)力和位移云圖Fig.3 Stope and displacement after working-face advancing to 15 m

圖4 工作面推進(jìn)32 m時(shí)應(yīng)力和位移云圖Fig.4 Stope and displacement after working-face advancing to 32 m

圖5 工作面推進(jìn)45 m時(shí)應(yīng)力和位移云圖Fig.5 Stope and displacement after working-face advancing to 45 m

圖6 工作面推進(jìn)60 m時(shí)應(yīng)力和位移云圖Fig.6 Stope and displacement after working-face advancing to 60 m

圖7 工作面推進(jìn)120 m時(shí)應(yīng)力和位移云圖Fig.7 Stope and displacement after working-face advancing to 120 m

圖8 工作面推進(jìn)150 m時(shí)應(yīng)力和位移云圖Fig.8 Stope and displacement after working-face advancing to 150 m

通過以上應(yīng)力和位移云圖得以下結(jié)論

1)當(dāng)工作面開采后，采場(chǎng)上覆巖層各點(diǎn)最大主應(yīng)力的方向由開采前的垂直方向逐漸向采空區(qū)兩側(cè)的偏移，如以上各圖在工作面兩側(cè)煤柱所承受的壓力，隨著工作面的推進(jìn)逐漸應(yīng)力不斷升高，在采場(chǎng)兩側(cè)形成了應(yīng)力集中分布。從圖可以看出，采場(chǎng)兩側(cè)支承壓力呈“拱”型結(jié)構(gòu)形態(tài)作用在上覆巖層中，稱其為采場(chǎng)支承壓力拱[13-15]，由于采場(chǎng)支承壓力拱的存在，并其將壓力拱上覆巖層的壓力傳遞采場(chǎng)工作面兩側(cè)的煤柱，位于支承壓力拱范圍下方的巖層處于卸壓狀態(tài)，該范圍內(nèi)的巖層所受壓力比未采動(dòng)前小的多。在采動(dòng)應(yīng)力和自重作用下，該范圍內(nèi)低位巖梁發(fā)生運(yùn)動(dòng)損傷、破壞和斷裂，向已采空區(qū)方向運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生彎曲變形。由于采場(chǎng)上覆巖層各巖層的巖性、強(qiáng)度、厚度以及所處不同力學(xué)環(huán)境，致使上下各巖層在時(shí)間和空間上的運(yùn)動(dòng)不同步，當(dāng)下位巖層繞度大于上位巖層的時(shí)，上下位巖層便產(chǎn)生了離層[16-18]。

2)煤層開采后，在采動(dòng)應(yīng)力的作用下導(dǎo)致上覆巖層發(fā)生破裂和移動(dòng)。隨工作面從開切眼位置開始不斷推進(jìn)，上覆各巖層自下而上逐一經(jīng)歷逐漸沉降→離層→端部(或中部)斷裂→冒落(或鉸接)。采場(chǎng)覆巖運(yùn)動(dòng)的破壞程度受開采范圍和強(qiáng)度的影響，最終形態(tài)可以分為非充分采動(dòng)和充分采動(dòng)2種形態(tài)[1]。在非充分采動(dòng)條件下，上覆巖層在采動(dòng)影響下最終形成垮落帶、裂隙帶、離層帶、彎曲下沉帶；在充分采動(dòng)條件下，上覆巖層最終形成垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶如圖1所示。

3)當(dāng)工作面推進(jìn)15 m時(shí)，如圖3所示在距離煤層最近上覆巖層在垂直方向的位移為2.75 m，隨著工作面的不斷推進(jìn)，采場(chǎng)覆巖在縱向上總的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)是自下而上逐步發(fā)展的，裂斷拱中覆巖運(yùn)動(dòng)的發(fā)展過程具體包括以下2個(gè)階段：①第1次裂斷運(yùn)動(dòng)階段。該階段是從工作面切眼開始推進(jìn)，至到采場(chǎng)上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶中最上部的一個(gè)“傳遞巖梁”完成第1次斷裂運(yùn)動(dòng)為止，如圖10所示。在該運(yùn)動(dòng)階段，隨著工作面的不斷推進(jìn)，采場(chǎng)上覆各巖層的運(yùn)動(dòng)損傷和破裂范圍不斷變大，采場(chǎng)上方的裂斷拱的范圍在橫向和縱向上由小到大不斷向工作面上方和前方巖層擴(kuò)展[13-14]；②正常運(yùn)動(dòng)階段。該階段是從裂斷拱中導(dǎo)水裂隙帶最上部的一個(gè)傳遞巖梁完成第一次斷裂運(yùn)動(dòng)(即工作面推進(jìn)至接近工作面長(zhǎng)度位置時(shí))到回采工作面推進(jìn)結(jié)束的全部過程(圖11)。依據(jù)宋振騏院士相關(guān)研究結(jié)果表明，當(dāng)工作面推采距離達(dá)到工作面長(zhǎng)度時(shí)，即工作面采空區(qū)“見方”，此時(shí)裂斷拱在工作面縱向上擴(kuò)展到最高處，裂斷拱內(nèi)破斷巖層的厚度總合也就是導(dǎo)水裂隙帶的高度，大約為工作面長(zhǎng)度的1/4-1/2.如圖7所示，當(dāng)工作面推進(jìn)距離達(dá)到120 m時(shí)，裂斷拱向上擴(kuò)展到最高處，破斷巖層的高度達(dá)到最大值25 m，如圖8所示，當(dāng)工作面推采到150 m時(shí)，裂斷拱不再向上方巖層擴(kuò)展[13，15]。在此過程中，裂隙帶(砌體梁帶)中下位多個(gè)傳遞巖梁已完成了初次斷裂運(yùn)動(dòng)和數(shù)個(gè)周期斷裂運(yùn)動(dòng)，隨著工作面的不斷推進(jìn)而向前方擴(kuò)展，拱高基本保持不變，即裂隙帶的高度不再發(fā)生變化。

圖10 裂隙帶覆巖第一次運(yùn)動(dòng)階段Fig.10 First movement stage of fracture zone

圖11 裂隙帶覆巖正常運(yùn)動(dòng)階段 Fig.11 Normal movement stage of fracture zone

裂斷拱內(nèi)部巖層包括工作面采場(chǎng)縱向分帶發(fā)育中的冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶，它們隨著工作面煤層開采后，不斷在運(yùn)動(dòng)中彎曲、斷裂，失去了承載上部巖層重量的能力；裂斷拱外部是“三帶”中的彎曲下沉帶，從彎曲下沉帶以上的巖層裂隙損傷破壞程度低，具有較好的完整性，能夠形成支托層，承擔(dān)自身和上部巖層重量，而使裂斷拱內(nèi)巖層不必承擔(dān)上部巖層的重量[17-19]。因此，斷裂拱也可以稱為下部巖層的免壓拱。拱內(nèi)部的巖層重量是由采空區(qū)的矸石和兩側(cè)煤柱來共同支承，此范圍內(nèi)巖層處于卸壓狀態(tài)，巖層裂隙發(fā)育充分，該范圍巖層是采場(chǎng)頂板控制、礦井頂板水防治和瓦斯抽放關(guān)鍵研究對(duì)象。

綜上研究分析，趙官煤礦綜采工作面采場(chǎng)上覆巖層縱向分帶發(fā)育規(guī)律和其結(jié)構(gòu)形態(tài)即在采動(dòng)應(yīng)力作用下，采場(chǎng)上覆巖層開始呈現(xiàn)較平的“枕型”，隨著采場(chǎng)支承壓力不斷增加，采動(dòng)破壞巖層逐漸演化為的呈“拱型”結(jié)構(gòu)形態(tài)，當(dāng)工作面推采距離達(dá)到工作面長(zhǎng)度時(shí)，采場(chǎng)上覆破壞巖層在工作面縱向上擴(kuò)展到最高處，此后隨著工作面的不斷推進(jìn)，斷裂拱高保持不變，而拱腳不斷向前方擴(kuò)展，呈現(xiàn)出“平頂拱型”結(jié)構(gòu)形態(tài)。為工作面采場(chǎng)頂板控制、支架選型和瓦斯高位鉆場(chǎng)抽放設(shè)計(jì)提供理論設(shè)計(jì)依據(jù)。

3 “兩帶”高度理論計(jì)算

根據(jù)本井田勘探資料和實(shí)際開采情況，依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》在緩傾斜煤層(傾角≤35°)長(zhǎng)壁垮落法開采條件下，當(dāng)煤層頂板覆巖為堅(jiān)硬、中硬、軟弱、極軟弱巖層或其互層時(shí)，煤層開采后的垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶最大高度計(jì)算公式分別見表2和表3，“兩帶”高度計(jì)算如圖12所示。

圖12 “兩帶”高度計(jì)算示意圖Fig.12 Schematic diagram for calculating the height of “two belts”

覆巖巖性(單向抗壓強(qiáng)度及主要巖石名稱)/MPa計(jì)算公式/m堅(jiān)硬(40～80,石英砂巖、石灰?guī)r、砂質(zhì)頁巖、礫巖)H=100M2.1M+16±2.5中硬(20～40,砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r、砂質(zhì)灰?guī)r、頁巖)H=100M4.7M+19±2.2軟弱(10～20,泥巖、泥質(zhì)砂巖)H=100M6.2M+32±1.5極軟弱(<10,鋁土巖、風(fēng)化泥巖、粘土、砂質(zhì)粘土)H=100M7.0M+63±1.2

注：計(jì)算公式中±號(hào)項(xiàng)為中誤差。

“兩帶”高度計(jì)算分析，由于1705西工作面頂板為碳質(zhì)泥巖和泥巖，故按頂板為軟弱巖層考慮。

3.1 垮落帶高度

方法一：根據(jù)表2，選取垮落帶高度的計(jì)算公式為

(1)

式中M為累計(jì)采高，m.

取M=1.2 m，代入式(1)，得

Hm=1.54～3.04 m

表3 導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算公式

注:∑M為累計(jì)采厚;公式應(yīng)用范圍:單層采厚1～3 m，累計(jì)采厚不超過15 m.

方法二：本次利用巖層質(zhì)量指數(shù)計(jì)算方法來進(jìn)行冒落帶高度的計(jì)算。煤系地層屬于沉積巖，煤層采出后，頂板將由下而上運(yùn)動(dòng)。就單一巖層而言，影響其運(yùn)動(dòng)的因素有：厚度、強(qiáng)度、分層厚度、節(jié)理裂隙間距、組分的均勻性、水的作用程度等。在這些因素中起主要作用的是巖石的強(qiáng)度、分層厚度和節(jié)理裂隙間距，稱之為“三因子”，要想確定上覆巖層運(yùn)動(dòng)破壞范圍，首先需確定工作面巖層巖石的強(qiáng)度、分層厚度和節(jié)理裂隙間距，進(jìn)而計(jì)算巖層質(zhì)量指數(shù)，由此來確定采場(chǎng)上覆巖層運(yùn)動(dòng)破壞范圍[12]。

趙官煤礦7#層煤1705西工作面的生產(chǎn)技術(shù)條件見表4，該工作面煤層上方直接頂測(cè)試的抗壓強(qiáng)度見表5.

表4 1705西工作面的生產(chǎn)技術(shù)條件

根據(jù)表5實(shí)驗(yàn)結(jié)果可計(jì)算出7#煤直接頂巖層抗壓強(qiáng)度平均值為36 MPa.

根據(jù)巖層抗壓強(qiáng)度由表6可確定巖層分層厚度、節(jié)理裂隙間距。

分層厚度與節(jié)理裂隙間距存在式(2)的近似關(guān)系。

f=-0.389d2+0.786d+0.175(d<0.7)

f=d-0.1(d≥0.7)

(2)

因子等級(jí)中心值與相應(yīng)的碎脹系數(shù)關(guān)系見表7.

表5 趙官煤礦7煤直接頂及煤的力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表6 分層厚度、節(jié)理裂隙間距各等級(jí)數(shù)值及其關(guān)系

備注:石灰?guī)r層另行處理，f～d關(guān)系由回歸得到，r為相關(guān)系數(shù)。

表7 因子等級(jí)中心值與相應(yīng)的碎脹系數(shù)關(guān)系

根據(jù)公式(3)、(4)、(5)計(jì)算頂板各巖層單軸抗壓強(qiáng)度、分層厚度和節(jié)理裂隙間距對(duì)巖層質(zhì)量的隸屬度uR,uD,uF.

uR=0.321(10σc)0.279-1

(3)

uD=3.745 7e-1.458 7/(d+1)-1

(4)

uF=3.745 7e-1.458 7/(f+1)-1

(5)

式中uR為巖層單軸抗壓強(qiáng)度對(duì)巖層質(zhì)量的隸屬度；uD為巖層分層厚度對(duì)巖層質(zhì)量的隸屬度；uF為巖層節(jié)理裂隙間距對(duì)巖層質(zhì)量的隸屬度；σc為巖層單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；d為巖層分層厚度；f為巖層節(jié)理裂隙間距。

巖層質(zhì)量指數(shù)u(x)的計(jì)算

(6)

根據(jù)趙官煤礦7#煤巖力學(xué)參數(shù)，可得到頂板各巖層單軸抗壓強(qiáng)度、分層厚度和節(jié)理裂隙間距對(duì)巖層質(zhì)量的隸屬度。

第一層：根據(jù)表5實(shí)驗(yàn)結(jié)果可計(jì)算出7煤第一層巖層抗壓強(qiáng)度平均為36 MPa，由表6可知巖層分層厚度d為0.6，由式(2)可計(jì)算出第一層巖層節(jié)理裂隙間距f為0.79.

根據(jù)公式(3)、(4)、(5)可計(jì)算頂板各巖層單軸抗壓強(qiáng)度、分層厚度和節(jié)理裂隙間距對(duì)巖層質(zhì)量的隸屬度uR,uD,uF.

uR=0.312(10σc)0.269-1=0.52

uD=3.745 7e-1.458 7/(d+1)-1

=3.745 7e-1.458 7/(0.6+1)-1=0.5

uF=3.745 7e-1.458 7/(f+1)-1

=3.745 7e-1.458 7/(0.6+1)-1=0.658

由式(6)可計(jì)算出巖層質(zhì)量u(x)

質(zhì)量指數(shù)

(7)

可判定該巖層質(zhì)量為“一般”的巖層。

3)直接頂厚度計(jì)算

①?gòu)?#層煤巖層柱狀圖可知，采高h(yuǎn)=1.2 m；由表7可知直接頂平均碎脹系數(shù)1.35

第一層

顯然，YH=2.6 m

Mc=d×INT(YH/d)=0.6×INT(2.6/0.6)=2.4 m

剩余厚度B=4.5-2.4=2.1 m.

此時(shí)直接頂分成兩部分運(yùn)動(dòng)，下部2.4 m跨落，在采場(chǎng)推進(jìn)方向上由支架或煤壁臨時(shí)支撐的巖層即冒落帶[1]，上部2.1 m直接頂將不再垮落轉(zhuǎn)化為老頂。冒落帶的高度即為直接頂厚度Mz=2.4 m，層數(shù)Z=1，符合方法一計(jì)算結(jié)果的范圍，與上述數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)采場(chǎng)距離煤層最近上覆巖層在垂直方向的位移為2.75 m結(jié)果大致相同，再通過現(xiàn)場(chǎng)礦壓實(shí)測(cè)，冒落帶高度為2.4 m與現(xiàn)場(chǎng)情況也基本吻合，綜上對(duì)比分析，確定該開采條件下工作面冒落帶高度為2.4 m.

3.2 裂隙帶高度

根據(jù)表2，選取裂隙帶高度的計(jì)算公式為

(8)

式中M為累計(jì)采高，m.

取M=1.25 m，代入式(8)，得

H=10.1～18.1 m

4 現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)

本次采用山東科技大學(xué)專利“鉆孔雙端封堵測(cè)漏裝置”進(jìn)行“兩帶”高度探測(cè)，根據(jù)鉆孔漏失量的大小來判斷上覆巖各巖層的裂隙發(fā)育狀況，從而確定導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度[6，8]。觀測(cè)地點(diǎn)選在1705西軌道巷停采線位置，本次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)主要以能夠探測(cè)裂隙帶高度為原則，根據(jù)工作面開采條件和前面理論計(jì)算及數(shù)值模擬結(jié)果，確定施工探測(cè)鉆孔垂直高度H應(yīng)不小于預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶最大高度(18.1 m)。若取H=18.1 m，按α=50°～75°傾角，根據(jù)公式(3)計(jì)算，鉆孔斜長(zhǎng)L應(yīng)為18.7～23.6 m.

L=H/sinα

(9)

式中L為鉆孔斜長(zhǎng)，m；H為鉆孔垂直高度，H≥18.1 m；α為鉆孔傾角，50°≤α≤75°.

4.1 測(cè)場(chǎng)布置

現(xiàn)場(chǎng)布置3個(gè)測(cè)空，鉆孔標(biāo)號(hào)為1，2，3.采前1#孔：方位角為1705西軌巷軸線方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)30°，仰角50°指向1705西軌巷右側(cè)未采區(qū)域，鉆孔斜長(zhǎng)22 m；采后2#孔：與1705西軌巷成15°夾角，仰角55°指向1705西工作面采空區(qū)，鉆孔斜長(zhǎng)20 m；采后3#孔：與1705西軌道巷成30°夾角，仰角55°指向1705西工作面采空區(qū)，鉆孔斜長(zhǎng)22 m.

圖13 “兩帶”觀測(cè)鉆孔布置圖Fig.13 “Two belts” observation borehole layout

4.2 觀測(cè)數(shù)據(jù)整理及分析

4.2.1 觀測(cè)數(shù)據(jù)整理

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)各鉆孔漏失量整理如下。

表8 采前1#孔注水漏失量測(cè)量表

Table 8 Injection leakage measurement of

1#hole water before production

α=50°

鉆桿根數(shù)斜距/m垂高/m高程靜壓/MPa注水壓力/MPa漏失量L/min46.34.830.0480.1482.9057.35.590.0560.1562.8868.36.360.0640.1643.0579.37.120.0710.1712.90810.37.890.0790.1792.97911.38.660.0870.1873.071012.39.420.0940.1942.731113.310.190.1020.2022.771214.310.950.1100.2102.951315.311.720.1170.2172.861416.312.490.1250.2253.001517.313.250.1330.2333.091618.314.020.1400.2402.961719.314.780.1480.2483.071820.315.550.1550.2553.001921.316.320.1630.2632.942022.317.080.1710.2713.00

表9 采后2#鉆孔注水漏失量測(cè)量表

Table 9 Injection leakage measurement of

2#hole water before production

α=55°

鉆桿根數(shù)斜距/m垂高/m高程靜壓/MPa注水壓力/MPa漏失量L/min46.35.160.0520.1524.2057.35.980.0600.1604.0068.36.800.0680.1684.4679.37.620.0760.1764.24810.38.440.0840.1844.63911.39.260.0930.1934.601012.310.080.1010.2016.351113.310.890.1090.2096.081214.311.710.1170.2175.121315.312.530.1250.2254.531416.313.350.1340.2344.251517.314.170.1420.2423.661618.314.990.1500.2502.951719.315.810.1580.2583.00

表10 采后3#鉆孔注水漏失量測(cè)量表

Table 10 Injection leakage measurement of

3#hole water before production

α=55°

鉆桿根數(shù)斜距/m垂高/m高程靜壓/MPa注水壓力/MPa漏失量L/min46.35.160.0520.1523.9657.35.980.0600.1604.0068.36.800.0680.1684.1479.37.620.0760.1764.06810.38.440.0840.1844.20911.39.260.0930.1934.401012.310.080.1010.2014.211113.310.890.1090.2094.381214.311.710.1170.2176.131315.312.530.1250.2255.941416.313.350.1340.2345.401517.314.170.1420.2425.111618.314.990.1500.2504.201719.315.810.1580.2583.641820.316.630.1660.2663.041921.317.450.1740.2742.952022.318.270.1830.2833.00

4.2.2 觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表8～10中的數(shù)據(jù)，得出采前、采后鉆孔注水漏失量變化曲線，如圖14～18所示。

圖14 采前1#鉆孔(傾角50°)漏失量變化曲線Fig.14 Variation curve of leakage amount of 1# drilling hole(inclination 50°)before mining

圖15 采后2#鉆孔(傾角55°)漏失量變化曲線Fig.15 Variation curve of leakage amount of 2# drilling hole(inclination 55°)after mining

圖16 采后3#鉆孔(傾角55°)漏失量變化曲線Fig.16 Variation curve of leakage amount of 3# drilling hole(inclination 55°)after mining

圖17 采前1#孔與采后2#孔鉆孔漏失量對(duì)比示意圖Fig.17 Comparison leakage of 1# hole before mining and 2# hole after mining

圖18 采前1#孔與采后3#孔漏失量對(duì)比示意圖Fig.18 Omparison leakage of 1# hole before mining and 3# hole after mining

1)采前孔觀測(cè)數(shù)據(jù)分析。從表8和圖14可知，采前鉆孔未受任何采動(dòng)影響，數(shù)據(jù)有所起伏，主要是因?yàn)橼w官煤礦7煤層上覆巖體中含有碳質(zhì)泥巖層、泥巖、粉砂巖細(xì)粒砂巖層等，從探測(cè)結(jié)果來看，泥巖段注水漏失量較小，并且各段泥巖漏失量基本一致；而在砂巖段，注水漏失量比泥巖段略大。從上面的注水漏失量變化曲線可以看出，在鉆孔淺部6 m以內(nèi)的區(qū)段沒有測(cè)試，考慮到測(cè)試的目的，觀測(cè)主要集中在鉆孔中部與深部，以便探測(cè)出裂隙帶發(fā)育的高度，因此實(shí)際測(cè)試是從6.3 m處開始的(垂高為4.83 m)。由觀測(cè)數(shù)據(jù)可見，在觀測(cè)范圍內(nèi)不同的巖層漏水量不同，測(cè)得漏水量二維曲線也是高低起伏，規(guī)律性較強(qiáng)，沒有異常現(xiàn)象發(fā)生。即整個(gè)孔段均有大小不等的漏失量，同時(shí)也表明采前鉆孔揭露到的上部巖層具有相對(duì)完整性，裂隙不發(fā)育。

2)采后孔觀測(cè)數(shù)據(jù)分析。本次兩帶高度探測(cè)在趙官煤礦1705西工作面停采線位置，雖然該面已停采，但工作面支架還沒撤出，鉆孔施工點(diǎn)前方一段距離，由于支架支撐上覆巖層尚未垮落，鉆孔穿過該段區(qū)域時(shí)漏失量是較小的，這表現(xiàn)在圖15與圖16曲線凸點(diǎn)之前，從淺部到中部(垂高5.16～10.08 m)孔段的注水漏失量比采前孔的注水漏失量略大；凸點(diǎn)處漏失量最大，說明該點(diǎn)位于采空區(qū)上覆巖層中，從凸點(diǎn)往后漏失量的遞減是趨勢(shì)是符合導(dǎo)水裂隙帶分帶特征的，由巖層破壞較嚴(yán)重的部位，往深部發(fā)展，直至進(jìn)入裂隙發(fā)育不充分位置，孔段的注水漏失量增加變緩，直至其漏失量與采前孔基本一致。

通過采后孔的注水漏失量與采前孔的注水漏失量的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，如圖17，18所示，從圖17中可以看出采后2#孔漏失量曲線與采前孔在14.99 m位置處相交，這就說明采后2#鉆孔的垂直深度14.99 m位置為導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育位置，再往鉆孔深部，上部巖層與采前孔相對(duì)比，其漏失量基本一致；從圖18中可以看出采后3#孔漏失量曲線與采前孔在16.63 m位置處相交，這就說明采后3#鉆孔的垂直深度16.63 m位置為導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育位置，再往鉆孔深部，其余位置鉆孔漏失量與采前孔觀測(cè)的漏失量基本上一致。由于本次兩帶高度探測(cè)在趙官煤礦1705西工作面停采線位置，附近有一傾斜正斷層，斷層落差2.5～3 m，因此考慮到斷層影響必須對(duì)以上確定的采前孔與采后孔漏失量基本吻合的位置進(jìn)行修正，修正后采后2#孔導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育位置為17.5 m，采后3#孔導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育位置為19.1 m.

綜合理論計(jì)算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)對(duì)比分析，最終確定趙官煤礦7層煤導(dǎo)水裂隙帶最大高度19.1 m，趙官煤礦7煤層導(dǎo)水裂隙帶高度的預(yù)計(jì)公式近似為

H裂=15.3M

(10)

式中M—開采厚度，m.

5 結(jié) 論

1)通過理論分析、數(shù)值模擬對(duì)黃河北煤田厚沖積層薄基巖綜采工作面采場(chǎng)上覆巖層縱向分帶發(fā)育規(guī)律進(jìn)行了研究，得到了采場(chǎng)上覆巖層縱向運(yùn)動(dòng)破壞規(guī)律及其結(jié)構(gòu)形態(tài)，即在采動(dòng)應(yīng)力作用下，采場(chǎng)上覆巖層開始呈現(xiàn)較平的“枕型”，隨著采場(chǎng)支承壓力不斷增加，采動(dòng)破壞巖層逐漸演化為呈“拱型”結(jié)構(gòu)形態(tài)，當(dāng)工作面推采距離達(dá)到工作面長(zhǎng)度時(shí)，采場(chǎng)上覆破壞巖層在工作面縱向上擴(kuò)展到最高處，此后隨著工作面的不斷推進(jìn)，斷裂拱高保持不變，而拱腳不斷向前方擴(kuò)展，呈現(xiàn)出“平頂拱型”結(jié)構(gòu)形態(tài)。

2)通過采用“鉆孔雙端封堵測(cè)漏裝置”進(jìn)行導(dǎo)水裂隙帶高度現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)，得到了黃河北煤田7層煤導(dǎo)水裂隙帶高度為19.1 m，預(yù)測(cè)公式為H裂=15.3M；冒落帶(垮落帶)高度約為2.4 m，為礦井合理開采程序和采掘布局、采場(chǎng)圍巖控制、沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害防治、“三下”特殊開采、瓦斯抽采參數(shù)確定及地表沉陷控制等提供了科學(xué)依據(jù)。

3)該研究成果已在趙官煤礦成功應(yīng)用，根據(jù)采場(chǎng)上覆巖層運(yùn)動(dòng)破壞規(guī)律和分帶范圍，確定了采場(chǎng)頂板控制模型，進(jìn)行了綜采液壓支架選型，確定了薄煤層綜采ZY3200/7.5/16支架，實(shí)現(xiàn)了大水高瓦斯采高1.2 m薄煤層綜合機(jī)械化開采;結(jié)合趙官煤礦采場(chǎng)上覆巖層運(yùn)動(dòng)破壞規(guī)分帶范圍發(fā)育規(guī)律和采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律，瓦斯鉆孔抽放高度確定為12～19.1 m，現(xiàn)場(chǎng)抽放效果良好，為實(shí)現(xiàn)工作面安全高產(chǎn)高效奠定了基礎(chǔ)。