趙鵬翔，劉李東，李樹剛,2，徐培耘，李 剛，魏宗勇,2，賈永勇

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 西部礦井開采及災害防治教育部重點試驗室，陜西 西安 710054；3.新疆維吾爾自治區(qū)煤炭科學研究所，新疆 烏魯木齊 830091)

0 引 言

我國煤層賦存條件差異大、整體透氣性差，瓦斯直接抽采效果不佳，因此卸壓瓦斯抽采顯得十分重要[1-3]。而采動覆巖壓實區(qū)對卸壓瓦斯抽采系統(tǒng)的各項布置參數(shù)具有重要的影響，掌握其相關規(guī)律有助于提高抽采系統(tǒng)的瓦斯治理效果。目前，圍繞采后巖層變化特征及其最終形態(tài)，李樹剛等[4-6]通過物理相似模擬及數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，煤層開采之后采動覆巖裂隙空間形態(tài)可以用橢拋帶表征。伍永平等[7-9]、來興平等[10-12]、羅生虎等[13-14]建立了大傾角煤層走向長壁開采巖體結構空間模型，對非對稱煤巖的滑落失穩(wěn)，進而誘發(fā)動力學災害的機理進行了深入分析，并確定了維持大傾角工作面穩(wěn)定性的區(qū)段煤柱合理尺寸。徐玉勝等[15]結合卸荷巖體力學與損傷力學分析研究了采高對采空區(qū)頂板卸荷及瓦斯通道演化的影響，得到了不同采高下瓦斯通道的卸荷損傷范圍。劉洪永等[16]結合數(shù)值仿真對不同推進速度下的優(yōu)勢瓦斯通道的誘導與控制作用進行研究，建立了采動優(yōu)勢瓦斯通道帶的時空形態(tài)理論模型?；陉P鍵層理論，吳仁倫等[17]就工作面寬度對煤層群開采瓦斯卸壓運移“三帶”范圍的影響進行了深入研究，提出不同的工作面寬度將極大地影響覆巖關鍵層的移動、破壞形態(tài)，進而進一步影響瓦斯卸壓運移“三帶”范圍。張春雷等[18]結合UDEC數(shù)值模擬對近距離煤層群開采不同層間巖層結構下圍巖裂隙演化規(guī)律進行了研究，發(fā)現(xiàn)亞關鍵層的層數(shù)、位置會影響覆巖裂隙的發(fā)育和分布，但不會影響裂隙的發(fā)展高度。7目前從上覆巖層的厚度[19-20]、強度[21-23]以及關鍵層層位[24]、工作面的采高[25-26]、推進速度[27]、推進距離[28]等方面對采動覆巖裂隙的演化規(guī)律及機理的研究較多，但煤層傾角這一對覆巖垮落形態(tài)及規(guī)律的重要影響因素開展研究較少。以山西和順某高瓦斯煤礦主采工作面為試驗原型，研究在不同煤層傾角條件下仰斜綜采工作面覆巖裂隙網(wǎng)絡壓實區(qū)的演化規(guī)律，并結合采動覆巖裂隙橢拋帶理論，構建考慮煤層傾角的采動覆巖裂隙演化模型，為仰斜綜采工作面卸壓瓦斯富集區(qū)精準探測提供一定的基礎。

1 試 驗

1.1 試驗依據(jù)

試驗以山西和順某高瓦斯煤礦主采工作面為原型，開采水平為+1 150 m，平均埋深410 m，煤層平均厚度5.1 m，工作面采用走向長壁綜合機械化一次采全高采煤法。直接頂為泥巖，局部含有砂質；基本頂為中砂巖。試驗采用平面走向模型，煤巖層物理力學參數(shù)及上覆巖層高度見表1、表2。

表1 煤巖層物理力學參數(shù)Table 1 Physical-mechanical parameters of coal and rock

表2 上覆巖層模擬高度Table 2 Simulation height of overlying strata

1.2 試驗設計

試驗利用自主研發(fā)的變化自角物理相似模擬試驗臺(圖1)，搭建相似比例為1∶100的物理模型。首先，在試驗臺底部均勻鋪設適宜的應力傳感器，然后，按試驗具體要求將模型搭建在其上方，待模型自然風干后，再布置相應的位移測點及頂部配重。根據(jù)物理相似模擬的特點，模型需滿足幾何、容重、應力、時間、強度以及泊松比相似的條件，見表3。

表3 模型相似常數(shù)Table 3 Similarity constant of model

圖1 物理相似模擬試驗模型Fig.1 Physically similar simulation test model

通過調整試驗平臺的角度(0°、15°、30°)，搭建3個只有傾角不同的試驗模型。在模擬工作面推進時，兩側先各留寬10 cm煤柱，然后分別按2、3 cm依次循環(huán)推進的形式沿煤層走向方向仰斜回采。每次開采完成后，待巖層活動穩(wěn)定之后拍照記錄，并測量各位移測點的下沉量以及巖層的離層量。同時，通過預先埋設的應力傳感器采集煤層底板應力。

2 試驗結果

2.1 上覆巖層來壓規(guī)律

工作面回采過程中，采空區(qū)上覆巖層內(nèi)的原始應力遭到破壞，當工作面推進到一定距離時，高層位巖層逐漸產(chǎn)生彎曲斷裂，加大了低水平巖層的豎向受力。同時下方懸臂梁隨工作面的推進不斷變長，導致下部巖層無法承受上部巖層的應力作用而產(chǎn)生周期性垮落，如圖2所示。

圖2 來壓分布Fig.2 Distribution of periodic pressure

不同煤層傾角條件下周期來壓顯現(xiàn)時的推進距離不同，0°的平均來壓步距為12.5 m，分別是15°以及30°的1.08、1.20倍。壓實區(qū)是采空區(qū)上覆巖層受采動影響垮落堆積后，其中瓦斯?jié)B透、運移明顯更困難的局部區(qū)域，一般在1～2次周期來壓后初步形成。煤層傾角越大，周期來壓到來所需推進距離越短，因此，壓實區(qū)的發(fā)育周期不斷變短，為之后的緩慢充分的發(fā)育提供了更為充足的時間。

2.2 覆巖離層量分布規(guī)律

覆巖離層量即相鄰巖層間的裂隙寬度，是定量描述采動過程中覆巖離層的動態(tài)變化的重要指標。覆巖離層量分布如圖3所示，在受采動影響的采空區(qū)邊緣，覆巖的離層量較大，而采空區(qū)中部因高層位的巖層破斷及垮落，擠壓低層位的巖層，迫使離層裂隙壓縮變窄，甚至閉合，從而離層量較小。根據(jù)文獻[6]中對壓實區(qū)的判定準則，即壓實區(qū)采動覆巖離層量相對于兩側邊界較小且在采空區(qū)底板會形成應力集中現(xiàn)象，兩者結合可判定壓實區(qū)邊界。因此，結合圖3，可大致判定中部的壓實區(qū)和邊界的裂隙區(qū)所在區(qū)域。

圖3 覆巖離層量分布Fig.3 Abscission layer distribution of rock

由于裂隙區(qū)的離層量普遍大于壓實區(qū)，故在二者交界區(qū)域離層量的大小會有較明顯的變化。隨著煤層傾角的增加，中部壓實區(qū)和兩側裂隙區(qū)所對應的離層量也逐漸增加，但受巖層自身硬度、厚度以及層位的影響，最大離層量的增加值在減小。而在壓實區(qū)中，受采動影響后不同層位的巖層垮落形成的堆砌狀態(tài)以及所受到的外力大小及方向都存在一定差別，因此，壓實區(qū)覆巖離層量的數(shù)值會有一定的波動。

2.3 工作面底板應力分布特征

通過分析模型底板處應力傳感器監(jiān)測到的回采期間的應力數(shù)據(jù)，如圖4所示，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)底板的應力相較于回采前明顯變小，且應力集中系數(shù)在0.05～0.45波動。由于中部的壓實區(qū)直接受到上位巖層向下的重力，而兩側的裂隙區(qū)得益于垮落時形成的鉸接結構的支撐作用，中部的壓實區(qū)應力集中系數(shù)要比兩側裂隙區(qū)的大一些，在3個區(qū)域的交界處，其應力集中系數(shù)會有較為明顯的變化，如圖4中的局部放大的區(qū)域所示。同時，結合覆巖離層量的分布規(guī)律可知，不同煤層傾角壓實區(qū)的寬度擴展5～7 m。

圖4 工作面底板應力分布Fig.4 Stresses distribution of bottom plater

2.4 壓實區(qū)的空間演化規(guī)律

根據(jù)文獻[6]中對壓實區(qū)的判定準則，再結合模擬試驗中周期來壓具體時段、覆巖裂隙發(fā)育情況、以及底板應力分布規(guī)律，繪制不同煤層傾角的壓實區(qū)演化形態(tài)(圖5)。

圖5 不同煤層傾角壓實區(qū)演化形態(tài)Fig.5 Different mining angle of evolution form of compacted area

由圖5可知，隨著回采工作面的不斷推進，壓實區(qū)也不斷的擴展。周期來壓依次顯現(xiàn)時，壓實區(qū)明顯在沿工作面方向擴展，同時也在向更高層位發(fā)展。在壓實區(qū)向更高層位發(fā)展時，覆巖會形成一定的垮落角，且垮落角在逐漸地減小，使得壓實區(qū)的左右邊界呈橢圓拋物線狀。不同煤層傾角條件下所表現(xiàn)出的壓實區(qū)形態(tài)有著明顯的差異，主要體現(xiàn)在高度、垮落角以及寬度這3個方面。

3 討 論

3.1 壓實區(qū)高度的傾角效應分析

如圖6所示，壓實區(qū)的高度隨著工作面的推進持續(xù)增大，同一推進距離下，煤層傾角越大，壓實區(qū)的高度越高。壓實區(qū)高度擬合直線斜率初期較小，這是由于壓實區(qū)在形成初期，受采動影響的覆巖范圍較小，壓實區(qū)整體規(guī)模相差不大，即不同煤層傾角下的壓實區(qū)的高度在采煤初期差值不大。當工作面推進至一定距離時(55～65 m)，擬合直線斜率劇增，如圖6中陰影區(qū)域所示，這是由于受煤層傾角影響，平均來壓步距減小，煤層傾角較大的工作面發(fā)生周期來壓的次數(shù)更多，壓實區(qū)發(fā)育更為充分，導致其高度明顯增大。當工作面推進距離達到80 m后，斜率又趨于穩(wěn)定，不同煤層傾角下的壓實區(qū)的高度其差變化不再明顯，受推進距離的影響減小。

圖6 不同煤層傾角壓實區(qū)高度擬合直線斜率變化趨勢Fig.6 Change trend of height slope in compacted zone of different coal seam inclination angle

由于壓實區(qū)的高度受到工作面推進距離和煤層傾角的共同影響，為了能定量化描述壓實區(qū)高度與煤層傾角及工作面推進距離之間的關系，將三者進行多元擬合，得到擬合關系：

H=25.812ln(L-10.057)+0.178θ-69.216，R2=0.949

(1)

式中：H為壓實區(qū)高度，m；L為工作面推進距離，m；θ為煤層傾角，(°);R2為決定系數(shù)。

3.2 壓實區(qū)垮落角的傾角效應分析

如圖7所示，隨著煤層傾角的增大，開切眼側垮落角α逐漸減小，工作面?zhèn)瓤迓浣铅轮饾u增大，但隨工作面推進距離的增加，兩側垮落角都在逐漸減小。煤層傾角越大，下滑作用越強，受采動影響的上覆巖層破斷及垮落后沿煤層底板向下滑動或滾落填充下部采空區(qū)，且煤層傾角越大，填充下部采空區(qū)的巖塊堆砌的高度越高，導致開切眼側的上覆巖層垮落空間相對減少，并且受到下部填充巖塊的支撐，使得巖層間形成較大的離層卻未發(fā)生垮落，而以覆巖離層量為判定依據(jù)的開切眼側壓實區(qū)邊界則向工作面?zhèn)冗M一步彎曲傾斜。因此，對于開切眼側的垮落角α而言，煤層傾角越大，其值越小。

圖7 不同煤層傾角壓實區(qū)垮落角演化規(guī)律Fig.7 Different of mining angle of evolution of collapse angle

煤層傾角越大，下滑作用越強，巖塊堆砌的速度越快，導致填充下部采空區(qū)的巖塊在滑動或滾落的過程中相互摩擦、碰撞及擠壓程度加劇，巖塊的單個體積更小，單位空間內(nèi)堆砌的巖塊更多，進而進一步增大了工作面?zhèn)壬细矌r層的垮落空間，難以得到下部垮落巖塊的支撐，使其不易形成較大的離層量，從而工作面?zhèn)鹊膲簩崊^(qū)邊界向開切眼側的彎曲傾斜程度相對減小。因此，對于工作面?zhèn)鹊目迓浣铅露裕簩觾A角越大，其值越大。

由于壓實區(qū)的垮落角受到工作面推進距離和煤層傾角的共同影響，為了能定量化描述壓實區(qū)垮落角與煤層傾角及工作面推進距離之間的關系，將三者進行多元擬合，得到擬合關系：

α=-0.640lnL-0.003θ+3.576，R2=0.981

(2)

β=-0.711lnL+0.008θ+3.878，R2=0.960

(3)

3.3 壓實區(qū)寬度的傾角效應分析

由于壓實區(qū)的垮落角是逐漸減小的，這使得壓實區(qū)的邊界存在一定的弧度，但同時受到下滑作用的影響，從而左右邊界呈不對稱橢拋線狀。而壓實區(qū)形成之后，其擴展的部分都是在前一次的基礎上進一步形成的，因此根據(jù)式(2)和式(3)所得到的垮落角擬合公式，可以建立如圖8所示的簡化模型。

圖8 走向壓實區(qū)簡化模型Fig.8 Simplified model of compacted area

進一步得到壓實區(qū)寬度與垮落角及垮落高度之間的關系。由于中部壓實區(qū)邊界呈不對稱橢拋線狀，近似認為該模型是由2部分組成的，可得到以下關系：

Li=Lαi+Lβi

(4)

Lαi=ΔHα1cotα1+ΔHα2cotα2+…+
ΔHαncotαn=Hα1cotα1+(Hα2-Hα1)×
cotα2+…+(Hαn-Hαn-1)cotαn=

(5)

則：

(6)

式中：Li為第i次形成的壓實區(qū)寬度，m；Lαi為第i次形成的壓實區(qū)開切眼側的寬度，m；Lβi為第i次形成的壓實區(qū)工作面?zhèn)鹊膶挾?，m；ΔHαi為第i次壓實區(qū)擴展時開切眼側高度的增量，m；Hαi為壓實區(qū)第i次擴展時開切眼側的高度，m;Hβi為壓實區(qū)第i次擴展時工作面?zhèn)鹊母叨?，m;αi為壓實區(qū)第i次擴展時開切眼側形成的垮落角，(°)；βi為壓實區(qū)第i次擴展時工作面?zhèn)刃纬傻目迓浣牵?°)。

根據(jù)所得的壓實區(qū)高度、垮落角與工作面推進距離和煤層傾角的關系，將其代入式(4)中，便可得到壓實區(qū)寬度與工作面推進距離和煤層傾角的關系。

4 采動裂隙橢拋帶壓實區(qū)演化傾角效應模型

通過物理相似模擬試驗可以發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)中部的壓實區(qū)受下滑作用影響而整體呈不對稱的類橢圓拋物面。根據(jù)試驗所得數(shù)據(jù)，將壓實區(qū)傾角模型旋轉θ(θ為煤層傾角)建立了如圖9所示的橢拋帶壓實區(qū)演化模型，同時，基于采動裂隙橢拋帶理論，結合式(1)—式(6)，構建了受煤層傾角及工作面推進距離共同影響的壓實區(qū)空間形態(tài)數(shù)學表征方程。

圖9 采動裂隙橢拋帶壓實區(qū)空間幾何模型Fig.9 Geometric model of compacted area in elliptic paraboloid zone

(7)

式中：x1、y1、z1為圖9中壓實區(qū)的坐標值；A1、A2分別為進、回風巷處，壓實區(qū)底部邊界與其距離，m；Lk為工作面寬度，m；La為壓實區(qū)底部邊界至開切眼處的距離，m；Kc為壓實區(qū)范圍內(nèi)巖層破斷碎脹系數(shù)；H為壓實區(qū)高度，m。

5 結 論

1)隨著煤層傾角的增大，相同區(qū)域內(nèi)的采動覆巖離層量隨之增大，結合覆巖離層量與底板應力分布規(guī)律，可知不同煤層傾角下壓實區(qū)的寬度擴展5～7 m。

2)隨著煤層傾角的增大，平均來壓步距逐漸減小(12.5 m>11.6 m>10.4 m)，工作面推進至55～65 m時，煤層傾角較大的工作面發(fā)生周期來壓次數(shù)更多，壓實區(qū)之間的高差急劇增大。

3)同一推進距離下，煤層傾角越大，壓實區(qū)工作面?zhèn)瓤迓浣窃酱?，開切眼側垮落角越小，結合壓實區(qū)高度演化規(guī)律，建立受煤層傾角因素影響的走向壓實區(qū)簡化模型，對壓實區(qū)寬度分段表示。

4)建立了考慮煤層傾角因素的采動裂隙橢拋帶壓實區(qū)數(shù)學方程，為進一步研究受煤層傾角因素影響的采動覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律，準確定位仰斜綜采工作面卸壓瓦斯富集區(qū)提供一定的理論依據(jù)。