采空區頂板裂隙帶發育高度判定方法

杜 忠

(山西汾西礦業集團水峪煤業公司，山西 孝義 032300)

0 引言

高瓦斯礦井采空區瓦斯抽放的關鍵是確定合理的抽放鉆孔參數，裂隙帶發育高度，合理布置鉆孔，提高抽放效果。文中基于關鍵層理論并結合經驗公式確定采動覆巖裂隙帶發育高度，為確定采空區高位鉆孔參數提供依據。

1 工程概況

某礦北二采區可采煤層3層，從上到下依次是2#、3#和5#煤層，平均厚度分別為4.27 m、1.04 m 和3.3 m，3#煤層上距2#煤層平均14.5 m，下距5#煤層平均5.6 m。該區整體呈單斜構造，煤層傾角平均5°。2027工作面為該采區第7個采煤工作面，工作面初采長度220 m，后期為260 m，采煤方法為傾斜長壁采煤法，采用“Y”型通風，布置4條巷道，軌道巷長1 690 m、配風巷長773 m，軌道巷與配風巷間布置4個連巷；膠帶巷長1 613 m，回風巷長1 642 m，兩巷間煤柱寬度為45 m，28個連巷。2027工作面上覆巖層參數見表1。

2 裂隙帶高度的確定

在采場覆巖中存在厚度不等、強度不同的多個巖層時，對采場上覆巖層局部或全部(直至地表)巖層起主要控制作用的巖層叫關鍵層[4-5]。

2.1 直接頂及基本頂厚度的確定

從表1可以看出，3#煤層上方5.5 m的砂質泥巖、0.59 m厚的粉砂巖和0.50 m厚的砂質泥巖組成了直接頂巖層，直接頂巖層總厚度6.59 m。

直接頂上方有一層厚度為4.5 m的中砂巖，且中砂巖比較堅硬、完整性好、不易垮落，同時該巖層活動空間較小，可以認為該層為基本頂。

2.2 關鍵層的判定

由關鍵層相關理論，結合表1判別得出，第1、第9、第17層為堅硬巖層，且各堅硬巖層所受載荷分別為：

q1=237.1 kPa；q2= 415 kPa；q3= 314 kPa。

表1 基本頂上部巖層力學參數表

因基本頂的抗拉強度σk=415 kPa，則基本頂初次斷裂步距為

基本頂周期來壓步距為

第9層初次斷裂步距為

則第17層初次斷裂步距為

因L1

通過以上計算得出，基本頂為4.5 m厚的中砂巖，破斷距為34.58 m，可認為基本頂為第一亞關鍵層；基本頂上方第9層為7.3 m厚的中砂巖，破斷距為42.4 m，可認為第9層巖層為第二亞關鍵層；基本頂上方第17層為8.3 m的中砂巖，破斷距為55.4 m，可認為第17層為主關鍵層。

2.3 關鍵層破斷條件

煤層上方基本頂為4.5 m厚的中砂巖，為工作面上覆巖層的亞關鍵層，基本頂巖層破斷后將引起上部4層巖層協調同步破斷。當工作面直接頂冒落后，由于基本頂的強度較大，繼續呈懸露狀態，隨著工作面繼續推進，將引起覆巖第一亞關鍵層(基本頂巖層)的破斷和運動，當基本頂達到初次破斷時的垮距即極限破斷距(也稱初次斷裂步距)時，則工作面基本頂達到破斷條件，產生破斷，初次斷裂步距為34.58 m。也就是當直接頂冒落后，基本頂懸露達34.58 m時，就達到了3#煤層上覆巖層第一亞關鍵層(基本頂)的破斷條件，以此類推，當第二亞關鍵層懸露達42.4 m，主關鍵層懸露達55.4 m 時，才會發生初次破斷。

2.4 基于關鍵層位置的裂隙帶判別

2027工作面3#煤層厚4.17 m，采用一次采全高開采技術。

文獻[5-6]通過相似模擬實驗及現場實測的方法提出了基于關鍵層位置的裂隙帶判別方法，預計方法的具體步驟如下。

首先，結合表1巖層參數，計算關鍵層位置。

其次，計算出裂隙帶臨界高度，因煤層采高為4.17 m，所以臨界高度[8]為煤層厚度(M)的7～10倍，即29.19～41.7 m。

再計算出各關鍵層距開采煤層頂板高度h1=6.59 M。

第一亞關鍵層(4.5 m厚中砂巖)距開采煤層頂板高度為：h1=6.59 M。

第二層關鍵層(7.3 m厚中砂巖)距開采煤層頂板高度為：h2=17.56 M。

主關鍵層(8.3 m厚中砂巖)距開采煤層頂板高度為：h3=46.2 M。

因第一亞關鍵層h1和第二亞關鍵層的h2均小于臨界高度HL，所以破斷裂隙會貫通這兩層關鍵層，并貫通其上所控制的上覆巖層。對于主關鍵層h3>HL，則主關鍵層距開采煤層頂部的距離大于臨界高度。所以裂隙帶不能貫通主關鍵層。

3 冒落帶高度的確定

對于基本頂處于冒落帶還是裂隙帶的問題，最早的判別方法是前蘇聯學者格·恩·庫茲涅佐夫在其鉸接巖塊假說中提出的，即當基本頂厚度大于其下部自由空間高度Δ時，該基本頂就進入了裂隙帶的范圍，于是得出基本頂進入裂隙帶的判別公式

(1)

式中：h1—由下而上第i層基本頂的分層厚度，m；M—煤層采高，m；k1—基本頂及其以上巖層的碎脹系數，取1.15～1.33；∑h—直接頂厚度，m；kz—直接頂巖層碎脹系數，取1.33～1.50。

由“砌體梁”理論可知，基本頂巖層進入裂隙帶必須滿足2個條件。

一是基本頂斷裂巖塊的長度與其厚度的比值>2，即

li>2hi

(2)

二是基本頂分層厚度應遠大于其下巖層冒落后剩余的自由空間高度Δ，即

(3)

式中含義同式(1)。

考慮到基本頂斷裂時，其斷裂塊體要想進入裂隙帶且能形成平衡結構，巖塊之間必須要有一定的水平推力，使擠壓面上受到的摩擦力足以承受基本頂自身及上部巖層的重量，這就要求巖塊之間的擠壓部分要有足夠的面積。也就是基本頂巖層的厚度要明顯大于其下部巖層冒落后剩余的自由空間高度。因此“砌體梁”理論提出的判別方法更符合實際。

究竟基本頂分層厚度比其下自由空間大多少時，基本頂會進入冒落帶，我國學者通過基本頂初次斷裂形成的三鉸拱式平衡及受力進行了研究，基本頂初次斷裂巖塊拱式平衡模型如圖1所示。

圖1 基本頂初次斷裂巖塊拱式平衡模型

A、B、C分別為拱的3個鉸點，Q為巖塊質量；T為水平擠壓力；RA為摩擦力；l為基本頂斷裂巖塊長度。三鉸拱達到平衡的條件之一是C點A，B兩點的連線上，即

h-a-s>0

(4)

a=(h-lsinα/2)/2

(5)

s=lsinα

(6)

式中：a—巖塊鉸點擠壓接觸面高度；s—巖塊下沉量；α—基本頂巖塊回轉角。由以上3式可得出h>3lsinα/2=3s/2，又因，Smax=Δ，則

h>1.5Δ

(7)

式(7)說明三鉸平衡的條件之一是基本頂分層厚度應大于其下自由空間高度的1.5倍。

最終可得出具體理論判別公式

(8)

如果滿足式(8)中2個條件說明基本頂巖層已進入裂隙帶。

采用上述判別方法對2027工作面煤層上方基本頂是否進入裂隙帶進行判別：由圖1可知，煤層采高為4.17 m，直接頂厚度為6.59 m，基本頂厚度為4.5 m，初次來壓步距為34.58 m，周期來壓為14.12 m。我們把基本頂整層看做一個分層，則i=1，M=4.17 m，∑h=6.59 m。一般情況下直接頂碎脹系數取1.33～1.5，基本頂碎脹系數取1.15～1.33。我們按最壞的情況來取值，取直接頂碎脹系數kz=1.33，基本頂碎脹系數取k1=1.15，代入公式判別

=1.5{4.17-[6.59(1.33-1)]}=2.99 m

左邊h1=4.5 m，右邊=2.99 m，左邊>右邊。

已知基本頂周期來壓步距L1=14.12 m，即基本頂斷裂巖塊的長度l1=14.12 m，又知基本頂厚度為h1=4.5 m。可得：l1>2h1。

因此可以判定2027工作面煤層上方的基本頂已進入裂隙帶，基本頂下方6.59 m的直接頂巖層屬于冒落帶范圍，即冒落帶高度為6.59 m。

由前文分析可得：2027綜采工作面采空區上方冒落帶高度為6.59 m，裂隙帶厚度為HLI= 46.24-6.59=39.65 m，處于煤層上方6.59～46.24 m的范圍內，而46.24 m 以上巖層屬于彎曲下沉帶。

4 結語

基于2027綜采工作面上覆巖層基本特征，用關鍵層理論的計算方法確定了上覆巖層關鍵層層數及位置，得出2027綜采工作面上覆巖層存在3層關鍵層，分別為位于煤層上方6.59 m的第一亞關鍵層，位于煤層上方17.56 m 的第二亞關鍵層和位于煤層上方46.24 m 的主關鍵層。基于關鍵層理論的裂隙帶判別方法，確定了2027工作面覆巖破壞裂隙帶的上邊界為煤層上方46.24 m處。通過理論公式確定了冒落帶高度為6.59 m，得出裂隙帶下邊界為煤層上方6.59 m處，最終確定采動裂隙帶范圍為煤層上方6.59～46.24 m。