孔慶軍 , 劉 柱 , 李希建 , 郭隆鑫

（1. 兗礦貴州能化有限公司，貴州貴陽550081；2. 貴州大學礦業(yè)學院，貴州貴陽550025；3. 復雜地質(zhì)礦山開采安全技術工程中心，貴州貴陽550025；4. 貴州大學瓦斯災害防治與煤層氣開發(fā)研究所，貴州貴陽550025）

0 引 言

貴州西南地區(qū)多數(shù)礦井煤層群附存狀態(tài)復雜[1]，首采層開采過程中，存在瓦斯超限、煤與瓦斯突出、煤層頂板覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律復雜的現(xiàn)象。通過對首采層上覆巖層頂板“兩帶”發(fā)育規(guī)律的研究，確認“兩帶”高度范圍，將有效確定瓦斯抽采鉆孔的位置、頂板支護具體參數(shù)[2]。

對于首采層開采的研究，眾多學者在理論及現(xiàn)場實踐進行了大量的研究，首采層的開采將影響鄰近煤層的瓦斯運移及應力變化。劉清泉等[3]在分析首采層應力狀態(tài)的基礎上，提出了解析- 擴散效應及煤與瓦斯氣固耦合模型。李青松等[4]構(gòu)建了一票否決和綜合類指標結(jié)合的方法，用于選取最佳的首采層。王新琨[5]提出了井上下聯(lián)合采動卸壓技術，消除首層開采的危險性。在首采層開采的基礎上，在“兩帶”發(fā)育規(guī)律中，尹光志[6]等在三維采動應力條件下對覆巖裂隙演化規(guī)律進行了試驗研究，得出了真三軸應力下裂隙發(fā)育的高度。尹增德[7]在有限元分析基礎上增加粘彈塑性分析，定義了點安全度巖層破壞判據(jù)，對采動邊界破壞規(guī)律進行了研究。任強[8]通過數(shù)值模擬研究覆巖破壞規(guī)律，并針對裂隙發(fā)育的因素進行敏感性分析。

本文以發(fā)耳礦50105 工作面為研究對象，首先對煤層群通過Flac3D 進行幾何建模并數(shù)值模擬采動過程中圍巖的應力變化；然后通過經(jīng)驗公式計算工作面冒落帶和裂縫帶理論最大高度；最后根據(jù)經(jīng)驗公式結(jié)果，確定鉆孔施工方位，采用YTJ- 20 型巖層探測記錄儀拍攝鉆孔內(nèi)" 兩帶" 裂隙的發(fā)育情況。理論分析與現(xiàn)場觀測結(jié)果相互結(jié)合，多方位、多角度的勘探鉆孔，提高了“兩帶”發(fā)育高度的準確性。

1 煤層群開采模型建立及數(shù)值分析

1.1 幾何模型建立

本次模擬以發(fā)耳礦50105 工作面為研究對象，其走向長643.5m～704m，傾向平均寬度145.3m，面積111211.7m2，工作面標高+868～+916m。在對五采區(qū)地層深入分析并加以抽象及簡化的基準上，對巖層采用Brick 模型，巖性相近的歸為一組巖層[9]。模型 X 方向長度為 160m，Y 方向長度為 500m，Z 方向為150m。巖石在塑性變形時伴有明顯的體積變形，因而計算中覆巖采用彈塑性本構(gòu)模型，屈服準則采用摩爾- 庫倫準則。巖層物理力學參數(shù)見表1.

表1 發(fā)耳礦煤巖體物理力學參數(shù)

為了觀察所研究工作面區(qū)域的形態(tài)變化，對模型的邊界進行條件設定。規(guī)定X，Y，底板均為固定邊界。頂板不受約束，并施加縱向載荷10MPa 模擬重力對頂板的影響。模型的重力加速度設置為10m2/s。此研究區(qū)域所要研究的需求不同，按照重要程度對網(wǎng)格疏密進行設定，使50105 工作面所在的1 號煤層及其附近巖層網(wǎng)格密布，其他巖層網(wǎng)格稀疏，減少運算時間的同時提高研究區(qū)域的計算精度[10]。

1.2 數(shù)值計算

模型設定X 方向長度為160m，Y 方向長度為500m，Z 方向為150m，故設定工作面長度為120m，開挖寬度為140m，分6 次開挖，每次開挖進尺20m，總長度為120m。

1.3 采動覆巖應力分布特征

所研究區(qū)域的巖體在開挖之后，破壞了原巖應力平衡狀態(tài)，隨著生產(chǎn)的推進轉(zhuǎn)變?yōu)閼袪顟B(tài)[11]。采空區(qū)頂板的下沉位移，頂板壓力繼而得到釋放。循環(huán)往復，直至工作面生產(chǎn)周期結(jié)束。本次模型分為6 步開挖，分別是 20m、40m、60m、80m、100m、120m，其圍巖沿走向剖面的垂直應力分布如圖1 所示。

原本支撐頂板和底板的煤巖體被采出，采空區(qū)頂板覆巖應力發(fā)生變化，應力集中區(qū)域顯示為藍色，卸壓區(qū)域顯示為紅色。頂板及底板壓力轉(zhuǎn)移到用于支撐上覆巖層的兩腳上，即工作面和開切眼位置，且頂板卸壓大于底板卸壓。而采空區(qū)上覆巖層卸壓區(qū)域?qū)ΨQ分布。卸壓區(qū)域面積隨著工作面的連續(xù)推進采空區(qū)面積的增加而增加，但是應力集中區(qū)域仍然是兩腳區(qū)域。通過圖中可見，工作面推進前方煤體應力在推進過程中處于：原巖應力平衡- 應力平衡破壞- 應力集中- 卸壓- 應力再平衡。在此過程中，卸壓區(qū)域及兩腳應力集中區(qū)域的高度最終維持在一個穩(wěn)定值。[12]

圖1 沿走向剖面的垂直應力分布圖

1.4 采動覆巖破壞規(guī)律

Flac3D 模擬中以塑性區(qū)的形式來表明由于采動造成的上覆巖層破壞形態(tài)，上覆巖因應力變化所受的破壞的形態(tài)和程度則通過網(wǎng)格的塑性變形分布情況來判斷，上覆巖三帶的高度及其影響的范圍通?？梢罁?jù)巖層的損傷破壞程度計算。[13]

圖2 沿走向剖面的采動覆巖破壞圖

煤層開挖后，上覆巖層在自身重力作用下首先發(fā)生剪切破壞，在剪切破壞之后繼而發(fā)生拉伸破壞。頂板巖石抗壓能力顯著大于抗拉能力，拉伸破壞致使其產(chǎn)生微小裂隙，裂隙在發(fā)展到一定程度之后，無法支撐頂板上覆巖層將發(fā)生垮落作用。隨著工作面不斷推進，采動作業(yè)致使塑性區(qū)面積不斷擴大，影響整個采空區(qū)上覆巖層的原始應力狀態(tài)，關鍵層斷裂，繼而發(fā)生周期來壓。

2 經(jīng)驗公式計算下兩帶發(fā)育高度

根據(jù)經(jīng)驗計算公式，對于開采單一煤層的冒落帶最大高度：

式中，Hm為煤層法線方向的冒落帶高度；M 為煤層開采厚度；W 為冒落過程中頂板下沉值；K 為冒落巖石碎脹系數(shù)；α 煤層傾角。

裂縫帶高度經(jīng)驗計算法有2 中測算方法：

計算公式（1）：

式中：Hli為煤層法線方向的裂縫帶高度。

計算公式（2）：

在對礦井實際考察中，工作面煤厚1.9m，冒落過程頂板下沉值取0，中硬頂板壓實作用下碎脹系數(shù) k取值 1.2，平均傾角 9°。根據(jù)公式（1）（2）（3）[14]計算得，50105 工作面預計冒落帶和裂縫帶高度最大值分別為15.2m 和50.5m～53.7m。

3 首采層工作面兩帶高度現(xiàn)場觀測

3.1 50105 首采層頂板兩帶高度觀測平面布置

為準確測量50105 工作面頂板兩帶高度，頂板需要充分垮落，避免因上分層未采煤層支撐頂板，導致測量不準確，故鉆場的施工位置需要選擇距離切眼133m 煤層合并開采線50m 以外的位置選擇鉆場[15]。綜合以上條件，選擇距離切眼245m 和299m兩處設置鉆場，其中245m 處為設計鉆場，299m 處為備選鉆場。根據(jù)實際情況為了不影響生產(chǎn)及減少施工量，觀測鉆孔位置選擇平行于50105 運輸巷的頂抽巷中，共施工4 個觀測鉆孔。長鉆孔向采空區(qū)上方預計裂縫帶最大高度以上施工，用于觀察裂縫帶發(fā)育情況。短鉆孔想采空區(qū)上方預計冒落帶最大高度以上施工，用于觀測冒落帶發(fā)育情況，鉆孔設計參數(shù)見表2。

表2 觀測鉆孔設計參數(shù)表

3.2 實測結(jié)果數(shù)據(jù)及發(fā)育規(guī)律

3.2.1 裂縫帶實測結(jié)果

1# 鉆孔為長鉆孔用于觀察裂縫帶，設計仰角45 度，實際施工孔深68m，開孔高度3m。①1# 鉆孔未見垮落區(qū)，孔深8m 區(qū)段開始出現(xiàn)孔壁不光滑現(xiàn)象，此處距離工作面頂板17m。因50105 運順進行了切頂留巷，導致孔壁不光滑現(xiàn)象的產(chǎn)生。②孔深18m 位置開始孔壁不完整，出現(xiàn)裂隙并破碎，此點距離1 號煤層頂板23.3m。③孔深18m～54m 區(qū)間出現(xiàn)大量孔壁破裂區(qū)域，整體呈現(xiàn)間隔性孔壁破裂，孔壁破裂明顯并破裂成都逐漸加深，此區(qū)域距離1號煤層頂板23.3m～43.7m；④孔深60m～67m 區(qū)域，出現(xiàn)大量碎石堆積，但隨著深度增加，碎石數(shù)量減少最終消失，鉆孔末端孔壁恢復完整狀態(tài)。根據(jù)采動覆巖破壞規(guī)律，考慮此區(qū)域已進入導水裂縫帶頂部區(qū)域，見圖3。

圖3 1# 鉆孔探測攝像圖

3.2.2 鉆孔冒落帶實測結(jié)果

2# 鉆孔為短鉆孔用于觀察冒落帶，設計仰角10°，設計長度50.3m，實際施工長度51m，開孔高度0.9m。實際觀測過程中探頭深入9m 左右，因泥水和碎石干擾，無法進行觀測，見圖4。

圖4 2# 鉆孔探測攝像圖

3# 鉆孔為短鉆孔，設計仰角12°，相較于2#鉆孔抬升角度2°。設計長度50.7m，實際施工長度51m，開孔高度0.9m，觀測深度34m。①孔深10m處，出現(xiàn)較為細碎的巖石粉末，此處距離工作面頂板10.8m；②孔深15m～34m 區(qū)域出現(xiàn)碎石堆積現(xiàn)象，此區(qū)域距離工作面頂板11.2m～12.1m?？變?nèi)整體呈現(xiàn)巖粉堆積于碎石堆積的現(xiàn)象，未出現(xiàn)明顯的巖層斷裂現(xiàn)象。巖層破壞特征見圖5。

圖5 3# 鉆孔探測攝像圖

4# 鉆孔為短鉆孔，設計仰角14°，設計長度51m，實際施工長度51m，觀測深度31m。①孔深12m 位置孔壁完整，無破裂現(xiàn)象，此處距離工作面頂板11,7m；②孔深13m 位置開始出現(xiàn)孔壁破裂現(xiàn)象，距離頂板11.8m；③孔深 18.4m～31m 區(qū)域，此區(qū)域距離頂板12m～13.5m，分別進入碎石堆積- 大塊碎石堆積- 石塊堆積。巖層破壞特征見圖6。

圖6 4# 鉆孔探測攝像圖

3.2.3 采動“兩帶”發(fā)育規(guī)律分析

如果主關鍵層處于彎曲下沉帶內(nèi)，主關鍵的控制巖層仍然處于彎曲下沉帶內(nèi)，但是其巖層的上部會出現(xiàn)較少裂縫。若主關鍵層處于彎曲下沉帶下部，主關鍵層控制的巖層在覆巖活動過程中，可能會出現(xiàn)變形甚至破裂，存在破斷裂縫，建立了離層間瓦斯運移的通道。

由于50105 煤層頂板巖性相對較弱，1 號煤層頂板的4.5m 粉砂巖，厚度2.4m～4.3m，平均厚度3.35m，為主要關鍵層，影響著1 煤層的頂板移動規(guī)律，及50105 工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。但粉砂巖距離1 號煤層距離很近，僅為4.5m 左右，根據(jù)理論經(jīng)驗計算與試驗對比，垮落帶發(fā)育高度，遠遠高于粉砂巖距離1 號煤層頂板高度，處于垮落帶發(fā)育高度范圍之內(nèi)。由于采空區(qū)垮落區(qū)域可分壓實區(qū)和裂縫圈，所以采空區(qū)四周為瓦斯抽采有利區(qū)。

通過數(shù)值模擬、經(jīng)驗公式計算與實際觀測綜合分析，冒落帶高度為15m，裂縫帶高度為51m。50105工作面平均采高為2.9m，計算得出運輸順槽觀測點范圍內(nèi)的垮采比范圍為5.17，裂縫比為17.91。

4 結(jié) 論

1）攝像法觀測點垮落帶巖層破壞形態(tài)在距離1 號煤層頂板13.5m 位置，發(fā)生變化，進入裂縫帶發(fā)育區(qū)。攝像法位于孔深65m 位置，距離1 號煤層頂板垂高50.8m 出現(xiàn)少量石渣，且穿過此區(qū)段后，孔壁完整?？咨?6.97m 距離1 號煤層頂板51.9m，孔壁完整，無采動影響破壞現(xiàn)象，無裂縫帶發(fā)育特征。

2）受采動影響，上覆巖層垮落，隨著時間的推移與工作面的向前推進，垮落區(qū)巖石處于不斷壓實的過程，導致回采時與回采后一段時間，垮落帶高度發(fā)生變化，也體現(xiàn)了一定的滯后性。

3）裂縫帶受采動影響后，巖層應力平衡遭到破壞，伴隨著周期來壓，采空區(qū)上覆巖層裂縫不斷向上發(fā)展，處于動態(tài)發(fā)育過程，直至穩(wěn)定。