白雪斌

(山西工程技術(shù)學院 礦業(yè)工程系， 山西 陽泉 045000)

近年來，國內(nèi)學者對導水裂隙帶發(fā)育高度的預(yù)測和確定進行了大量研究,主要通過理論計算、物理模擬、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測等[1-5],確定了在綜放開采條件下煤礦導水裂隙帶發(fā)育高度的影響因素按影響程度從大到小依次為開采厚度、工作面斜長和開采深度。此外，曾先貴等[6-10]眾多學者利用數(shù)值模擬對特定開采條件下導水裂隙帶發(fā)育高度進行了研究,發(fā)現(xiàn)隨工作面長度和采高的增加,覆巖導水裂隙帶高度也增加,但工作面長度對覆巖導水裂隙帶高度起主導作用，并給出了采動條件下導水裂隙帶高度的預(yù)測方法。

本文以某礦4-2煤層現(xiàn)開采的42107工作面為例，采用工程類比法、經(jīng)驗公式法、UDEC數(shù)值模擬法，預(yù)測重復采動下42107綜放面采動裂隙發(fā)育高度。

1 概 況

1.1 工程概況

42107綜放工作面布置在4-2煤層一盤區(qū)，該盤區(qū)主采2-2煤層與4-2煤層，上層為前期已采的2-2煤層采空區(qū)，下層為現(xiàn)階段開采的4-2煤層。一盤區(qū)2-2煤層平均采高為3.6 m，4-2煤層平均采高6.5 m，兩層煤間距55～80 m. 42107工作面傾向長度303.3 m，走向長度4 807.9 m，傾角為1°～3°. 采煤方法采用傾斜長壁后退式綜合機械化放頂煤開采，全部垮落法處理采空區(qū)頂板。煤層頂板主要由砂質(zhì)泥巖、泥巖和細粒砂巖組成，底板巖性以泥巖和砂質(zhì)泥巖為主。42107工作面開采條件見圖1.

圖1 42107工作面開采條件圖

1.2 關(guān)鍵層判別

根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料，利用關(guān)鍵層判別軟件判別覆巖關(guān)鍵層的位置，判別結(jié)果見圖2.

圖2 鉆孔關(guān)鍵層判別結(jié)果圖

由圖2可知，4-2煤層上覆巖層主要由砂質(zhì)泥巖、泥巖和細砂巖組成，煤層上覆松散層厚16.7 m，上覆基巖厚16.7～368.1 m，覆巖中有6層亞關(guān)鍵層，1層主關(guān)鍵層，上下煤層間賦存有兩層亞關(guān)鍵層，在2-2煤層上方存在厚度為39.39 m的亞關(guān)鍵層。

1.3 工程實例類比

該礦4-2煤層已采完工作面來壓規(guī)律，見表1. 通過對比同一煤層其他工作面礦壓規(guī)律及裂隙帶高度，可推測出42107工作面基本頂初次來壓步距變化為51～58 m，持續(xù)距離為8～10 m，動載系數(shù)1.3～1.5，周期來壓步距變化為13～16 m，持續(xù)距離5～7 m，動載系數(shù)1.1～1.3，采動裂隙發(fā)育高度為190～353 m.

表1 4-2煤層已采完工作面來壓規(guī)律統(tǒng)計表

2 采動裂隙發(fā)育高度理論計算

將煤層覆巖分為堅硬、中硬，采用《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》中導水裂縫帶高度Hd的計算公式，分別計算覆巖是堅硬巖層和中硬巖層時導水裂隙帶的發(fā)育高度。

按堅硬巖層計算：

(1)

按中硬巖層計算：

(2)

式中，∑M為累計采高，Hd為采動裂隙發(fā)育高度。

根據(jù)實際的地質(zhì)條件，2-2煤層厚度按3.6 m計算，得出2-2煤層采后的導水裂縫帶高度為47～66 m，4-2煤層厚度按6.5 m計算，2-2煤層和4-2煤層的累計煤層厚度約為10.1 m，得出4-2煤層采后聯(lián)合2-2煤層采動引起的導水裂縫帶高度為122～141 m.

3 采動裂隙發(fā)育高度數(shù)值模擬分析

通過UDEC數(shù)值模擬軟件，模擬研究先采2-2煤層再采4-2煤層后，覆巖破壞及采動裂隙發(fā)育高度，分析2-2煤層和4-2煤層采后的位移應(yīng)力分布特征。

3.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)42107工作面具體地質(zhì)生產(chǎn)條件，建立模型，模型尺寸為1 200 m×477 m×450 m，其中X軸方向為工作面傾向，Y軸方向為模型高度。在模型中上層煤布置22105、22106和22107工作面，寬度為230～320 m，煤層高度3.6 m，下層煤布置42106和42107工作面，煤層高度6.5 m，寬度為310 m，為減小模型邊界的影響，模型兩端邊界煤柱至少留設(shè)50 m. 數(shù)值計算模型見圖3.

圖3 數(shù)值計算模型圖

材料準則選用摩爾-庫倫準則，煤巖物理力學參數(shù)見表2. 按照2-2煤和4-2煤各工作面實際的傾向位置關(guān)系，先開采上2-2煤層后觀測覆巖破壞形態(tài)，分析應(yīng)力位移數(shù)據(jù)，后開采4-2煤層后觀測覆巖破壞形態(tài)，分析應(yīng)力位移數(shù)據(jù)。

表2 煤巖體物理力學參數(shù)表

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1 2-2煤層采后覆巖破壞形態(tài)

2-2煤層開采過程中，覆巖破壞形態(tài)見圖4.

圖4 2-2煤層回采結(jié)束時覆巖破壞形態(tài)圖

由圖4可知，回采2-2煤層過程中，第一個工作面回采結(jié)束后其上方的亞關(guān)鍵層3發(fā)生破斷，其控制的上覆軟巖產(chǎn)生彎曲下沉。在第二個工作面回采結(jié)束后，隨著開采空間不斷加大，工作面上方亞關(guān)鍵層4與下部軟巖之間發(fā)生微小離層。結(jié)合圖2可知，此時覆巖中采動裂隙已發(fā)育到53 m. 在第三個工作面回采結(jié)束后，工作面上方亞關(guān)鍵層4與下部軟巖之間的離層空間加大。隨著2-2煤層各工作面回采結(jié)束，亞關(guān)鍵層4未發(fā)生完全破斷，僅產(chǎn)生撓曲下沉，并與下部巖層發(fā)生較大離層，此時覆巖中裂隙發(fā)育高度為60～65 m，亞關(guān)鍵層4下的離層空間也逐漸增大。通過模擬比例換算得出，在開采空間不斷增大的情況下，亞關(guān)鍵層4下離層較第一個工作面開采結(jié)束時增加0.33 m2，增大0.25倍；亞關(guān)鍵層4下離層空間增加69 m2，增大0.29倍。

綜上所述，在2-2煤層回采過程中，由于厚硬亞關(guān)鍵層4的存在使得工作面開采的跨落帶只能發(fā)育到亞關(guān)鍵層3和亞關(guān)鍵層4之間，裂隙帶發(fā)育到亞關(guān)鍵層4底界面，即2-2煤采后采動裂隙為53 m. 2-2煤層回采結(jié)束時塑形區(qū)與位移圖見圖5.

圖5 2-2煤層回采結(jié)束時塑性區(qū)與位移圖

由圖5可知，厚硬亞關(guān)鍵層4的存在使得煤層開采的主要移動變形區(qū)集中于跨裂帶下部區(qū)域內(nèi)，亞關(guān)鍵層4上覆巖層移動下沉值變化不大。所以2-2煤層的開采對亞關(guān)鍵層4影響較小，亞關(guān)鍵層4保持水平狀態(tài)，以板的形式控制著上方覆巖的移動變形，其受到的水平應(yīng)力平均為21 MPa，基本處于原巖應(yīng)力狀態(tài)，隨著2-2煤層其他工作面的開采，采空區(qū)覆巖破斷釋放了水平應(yīng)力。

3.2.2 4-2煤層采后覆巖破壞形態(tài)

4-2煤層開采過程中，覆巖破壞形態(tài)見圖6.

圖6 4-2煤層回采結(jié)束時覆巖破壞形態(tài)圖

由圖6可知，當42107工作面回采結(jié)束后，工作面上方亞關(guān)鍵層5均已破斷，工作面上方巖層整體下沉，亞關(guān)鍵層5的回轉(zhuǎn)變形量增加，并失去了對上方覆巖的控制，其上的應(yīng)力拱結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。采動裂隙的影響范圍隨工作面推進不斷增大，最終達到穩(wěn)定范圍，且原巖應(yīng)力受擾動范圍在采空區(qū)上方有明顯的分界范圍，為模型上方271 m處，貫穿亞關(guān)鍵層KS5，下方的卸壓區(qū)形成可能與破斷的高位關(guān)鍵層塊體的承載特性有關(guān)，此時隨著開采范圍的增加，應(yīng)力拱的拱腳橫跨工作面兩端，拱頂發(fā)育到更高的層位。即工作面的采動已經(jīng)影響到亞關(guān)鍵層6，在此關(guān)鍵層下方出現(xiàn)微小離層空間，新的應(yīng)力拱承載結(jié)構(gòu)在其上方形成。

模擬得出，4-2煤層采后聯(lián)合2-2煤層采動引起的采動裂隙高度為271 m.

在4-2煤層的開采過程中，開采范圍持續(xù)增加，覆巖的破壞高度將更大程度的增加，亞關(guān)鍵層5上承受的載荷也不斷增加，當其承受的載荷達到亞關(guān)鍵層5的承載極限時，亞關(guān)鍵層5發(fā)生破斷。亞關(guān)鍵層5承受載荷增加，進而變形量增大，載荷傳遞到區(qū)段煤柱，造成煤柱支撐應(yīng)力增大，4-2煤層回采結(jié)束時塑性區(qū)與位移見圖7. 在亞關(guān)鍵層5破斷前工作面前方和后方處最大應(yīng)力分別為56 MPa和51 MPa，煤柱上的應(yīng)力約為46 MPa. 亞關(guān)鍵層5破斷后工作面前方和后方煤壁前方支承應(yīng)力較亞關(guān)鍵層5破斷前明顯降低，分別為34 MPa和32 MPa，煤柱上的應(yīng)力約為35 MPa.

圖7 4-2煤層回采結(jié)束時塑性區(qū)與位移圖

通過對比經(jīng)驗公式和數(shù)值模擬結(jié)果，可知現(xiàn)有的經(jīng)驗公式將頂板巖性概化地分為堅硬、中硬、軟巖、極軟弱4類，尚未考慮煤層覆巖中具體巖層結(jié)構(gòu)的差異性，尤其對于該礦重復采動條件下多層堅硬頂板導水裂隙帶的計算，需要結(jié)合現(xiàn)場礦壓顯現(xiàn)狀況來綜合判斷覆巖破壞高度。

4 結(jié) 論

1) 通過對比同一煤層其他工作面礦壓規(guī)律，可推測出42107工作面初次來壓步距、周期來壓步距、動載系數(shù)的范圍。

2) 通過數(shù)值模擬覆巖破壞特征，確定了重復采動下綜放面采動裂隙累計發(fā)育高度，4-2煤采后聯(lián)合2-2煤采動引起的采動裂隙已經(jīng)發(fā)育到KS6底界面，即2-2煤采后采動裂隙發(fā)育高度為53 m，2-2煤層和4-2煤層回采后的綜合采動裂隙發(fā)育范圍為271 m.

3) 對于該礦重復采動條件下多層堅硬頂板采動裂隙發(fā)育高度的計算，傳統(tǒng)公式計算方法與數(shù)值模擬結(jié)果有一定差距。根據(jù)現(xiàn)場礦壓顯現(xiàn)，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測資料更吻合，研究結(jié)果為相似條件下采動裂隙發(fā)育高度計算提供了參考和借鑒。