張哲鵬，黃慶享，賀雁鵬

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點實驗室，陜西 西安 710054)

0 引言

近年來陜北地區(qū)保水開采成為綠色采礦研究熱點，國內(nèi)專家學(xué)者也對導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律及高度預(yù)測進行了大量研究。黃慶享[1-2]提出隔水巖組的“上行裂隙”發(fā)育高度和“下行裂隙”發(fā)育深度都與采高成正比，合理限制一次采高可以控制裂隙帶發(fā)育高度，提高隔水巖組穩(wěn)定性；并指出，根據(jù)采空區(qū)上覆巖層垮落和移動特征，可將覆巖劃分為“冒落帶、塊體鉸接帶、似連續(xù)帶和彎曲下沉帶”的“四帶”。張杰等[3]對榆神府礦區(qū)砂基型水文地質(zhì)條件進行分類，建立導(dǎo)水裂縫帶高度計算公式。趙高博等[4]分析了上覆巖層懸空完整和懸伸穩(wěn)定力學(xué)模型，用極限懸空距和極限懸伸距為判據(jù)分析巖層破壞，得出導(dǎo)水裂縫帶高度公式。目前，針對煤層開采覆巖導(dǎo)水裂縫帶的確定方法有理論分析法、現(xiàn)場實測法、實驗?zāi)M法、數(shù)值計算法和公式預(yù)計法等。已有相關(guān)文獻通過現(xiàn)場實測手段對覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度進行了實測，確定了各礦的裂采比[5-8]。另有部分文獻采用FLAC3D和UDEC模擬了工作面覆巖垮落規(guī)律及導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律，預(yù)測了導(dǎo)水裂縫帶高度[9-13]。上述研究表明，導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育受開采和覆巖條件的影響，需要具體研究；采用物理相似模擬方法具有直觀和可靠的優(yōu)點。

為此，以陜北某礦3號煤層開采為背景，以其一盤區(qū)1309工作面為研究對象，采用物理模擬和工程類比的方法，研究1309工作面開采過程中覆巖垮落規(guī)律，以確定導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度，進而為礦井頂板水害防治和安全生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 工程背景

井田位于陜北侏羅紀(jì)煤田榆橫礦區(qū)南區(qū)的西北部，3號煤層為井田內(nèi)全區(qū)可采煤層，儲量豐富，煤層埋深最淺為135 m，平均280 m，實驗段地表160 m。煤層厚度2.80～3.36 m，工作面采高3 m，工作面寬度300 m。目前，主要開采區(qū)域在一盤區(qū)，地表有較多水系、水庫、文物遺跡等建筑物和設(shè)施，采動裂隙發(fā)育規(guī)律，對“三下”安全開采的合理煤柱等參數(shù)，具有重要應(yīng)用價值。

2 物理模擬實驗設(shè)計

根據(jù)關(guān)鍵層理論中給出的關(guān)鍵層判別方法，結(jié)合覆巖巖性計算得出，覆巖中存在3組關(guān)鍵層，分別位于4號、12號、21號巖層層位，見表1。為了更好地掌握工作面的覆巖垮落和導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律，物理模擬相似比為1∶100，采用平面應(yīng)力模型，模擬尺寸為3.0 m×0.2 m×1.6 m(長×寬×高)，模型表土層部分采用等效載荷模擬，如圖1所示。

圖1 實驗?zāi)Ｐ?/p>

表1 模擬實驗相似材料配比方案

模型從左向右開挖，每次開挖2 cm?？紤]到模型邊界效應(yīng)的影響，模型左右兩側(cè)分別設(shè)置30 cm的邊界保護煤柱。

3 導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律

3.1 覆巖垮落規(guī)律和裂隙發(fā)育特征

3.1.1初次來壓

隨工作面推進，直接頂隨采隨垮。工作面推進至30 m時，直接頂初次大范圍垮落，垮落高度為5.0 m，支架壓力從3 150 kN升高至6 520 kN。

工作面推進到46 m時，老頂初次來壓，來壓步距46 m。頂板垮落高度7.5 m，上部離層2.5 m，裂隙帶高度10.0 m，裂采比為3.33。冒落懸空老頂垮距28 m，回采側(cè)基巖垮落角51°，如圖2所示。

圖2 推進至46 m，老頂初次來壓

3.1.2 第1次周期來壓

當(dāng)工作面推進至64 m時，老頂周期破斷，工作面周期來壓，來壓步距18 m，垮落高度13.6 m，上部離層厚度4.0 m，覆巖裂隙帶高度17.6 m，裂采比5.8。老頂懸空巖層寬度34 m，回采側(cè)基巖垮落角55°，如圖3所示。

圖3 推進至64 m，第1次周期來壓

3.1.3 第2次周期來壓

工作面推進至80 m時，頂板第2次周期來壓，來壓步距16 m。回采側(cè)覆巖豎向裂隙較為發(fā)育，巖層發(fā)生彎曲下沉使已垮落巖層壓實，巖層裂隙帶高度迅速發(fā)育。此時，基巖垮落高度37.2 m，垮落巖層上方7.0 m范圍內(nèi)有明顯離層，裂隙帶高度發(fā)育至44.2 m，裂采比上升為14.7，基巖垮落角增大為59°，如圖4所示。

圖4 推進至80 m，第2次周期來壓

3.1.4 第3、4次周期來壓

工作面繼續(xù)推進至90 m時，第3次周期來壓，來壓步距10 m，垮落高度38 m，上部離層厚度8 m，裂隙帶總高度46 m。推進至106 m時，第4次周期來壓，來壓步距16 m，垮落帶高度增大為56 m，上部離層巖層厚度7.0 m，裂隙帶總高度增大為63 m，裂采比為21.0，如圖5所示。

圖5 推進至106 m，第4次周期來壓

3.1.5 第6、7次周期來壓

工作面推進至146 m時，第6次周期來壓，來壓步距為16 m，此時，豎向裂隙發(fā)育至93.7 m后保持穩(wěn)定。關(guān)鍵層彎曲下沉，下部離層開始減小或閉合，上部巖層進入彎曲下沉帶。工作面推進至156 m時，第7次周期來壓，來壓步距為10 m，覆巖整體下沉，地表明顯沉降，工作面達到充分采動，如圖6所示。此時，裂隙高度繼續(xù)向上發(fā)育了8 m，達到101.7 m，覆巖離層全部閉合，裂采比為33.9，基本穩(wěn)定在34以內(nèi)。

圖6 推進至156 m，第7次周期來壓

3.2 裂隙帶發(fā)育規(guī)律

根據(jù)實驗得出，裂隙帶發(fā)育高度隨工作面推進距離的變化規(guī)律，如圖7所示。工作面推進到146 m，第6次周期來壓前，垮落巖層上部仍然存在較明顯的離層巖層，隨推進距離的增大，離層高度為2.5～8.0 m。在第6次周期來壓后，裂隙帶頂部巖層出現(xiàn)較明顯的撓曲，離層逐漸消失，逐步過渡到彎曲下沉帶。第7次周期來壓(推近距離156 m，接近蓋山厚度)達到充分采動，地表彎曲下沉。至此，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育達到穩(wěn)定，高度為101.7 m，采高3 m，裂采比為33.9。

圖7 導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度動態(tài)

在開采過程中，豎向裂隙是影響導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育的主要因素，實驗得出隨工作面推進的豎向裂隙發(fā)育的動態(tài)演化規(guī)律，如圖8所示。當(dāng)工作面第7次周期來壓后，覆巖豎向裂隙發(fā)育到第二關(guān)鍵層處基本穩(wěn)定，不再升高，導(dǎo)水裂縫帶高度達到最大值。隨著繼續(xù)推進，上部進入彎曲下沉帶。

圖8 豎向裂隙動態(tài)發(fā)育

4 工程實例類比

通過收集榆神府礦區(qū)內(nèi)部分礦井的導(dǎo)水裂縫帶高度實測資料，見表2。

表2 工作面導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度統(tǒng)計

表中榆陽煤礦和榆樹灣煤礦與本次研究對象的開采條件相近，實測得出裂采比為27.51和27.1，本文結(jié)論所得裂采比為33.9，為實測的1.25倍，結(jié)果基本接近。

5 結(jié)論

(1)通過物理相似模擬實驗，得出該煤礦1309工作面的初次來壓步距為46 m，周期來壓步距10～18 m，導(dǎo)水裂縫帶高度101.7 m，裂采比33.9；冒落帶高度11.5 m，冒采比3.8。

(2)實驗發(fā)現(xiàn)1309工作面覆巖中第二關(guān)鍵層對該工作面的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育起主要作用。當(dāng)工作面達到充分采動時豎向裂隙發(fā)育高度達到最大值，決定了裂隙帶發(fā)育高度的最大值。