斜溝煤礦采場上覆巖層采動裂隙演化規律研究

袁天明，梁忠秋

(1. 山西西山晉興能源有限責任公司 斜溝煤礦，山西 呂梁 033602； 2. 煤科集團 沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122)

工作面開采后，采動覆巖發生斷裂、垮落、下沉，形成垮落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶。其中，垮落帶、斷裂帶(以下簡稱“兩帶”)高度始終是煤礦安全生產重點關注的問題，及時準確獲得“兩帶”高度，能夠為確定高位鉆孔終孔位置、高抽巷布置層位、開采上限，防止頂板突水等提供良好的依據[1-2].

因此，我國科研工作者對覆巖“兩帶”高度開展大量的研究工作，李輝[3]在許疃礦3234工作面采用網絡并行電法進行現場實測，準確劃分了“兩帶”高度；楊道華等[4]分析野川煤礦3#煤綜放開采條件下的覆巖裂隙演化規律，對比分析理論計算、數值模擬及現場實測結果，采用《“三下”采煤規范》的公式可準確計算綜放開采覆巖“兩帶”高度，而通過經驗公式得到的高度值更符合現場實際。李國輝、畢建乙等[5]在23107工作面上方施工觀測孔，通過CXK6礦用本安型鉆孔成像儀觀測各鉆孔采前和采后的巖層裂隙發育情況，現場實測得到“三帶”的高度，實測結果與RFPA模擬結果基本吻合。

本文以斜溝煤礦18104大采高工作面為研究對象，通過理論計算和數值模擬[6]，借助孔巷三維測試技術現場實測覆巖“兩帶”發育高度，最終得到18104大采高工作面覆巖“兩帶”的高度[7]，為礦井安全生產奠定基礎[8-9].

1 18104工作面概況

斜溝煤礦位于山西省呂梁市興縣縣城北直距20 km處，行政區劃隸屬于興縣魏家灘鎮和保德縣南河溝鎮管轄，該區位于河東煤田北部的中南部，地面標高為+1 003～+1 186 m. 主采煤層為8#、13#煤，井田南北長約22 km，東西寬約4.5 km，面積為88.6 km2.8#煤層厚度為3.00～7.50 m，平均厚度為4.7 m，傾角為6.9°～10.9°，平均9.4°. 8#煤為自燃煤層，煤塵具有爆炸性。頂板主要為粗中細粒砂巖和泥巖，底板主要為泥巖和中細粒砂巖，煤層頂板情況見表1.

18104工作面位于11采區措施巷南側，西側為18102工作面采空區，南側、東側均為實煤區。工作面標高為+765～+822 m，埋深為238～364 m，可采走向長度為3 338 m，傾斜長為283 m，采用綜合機械化采煤工藝進行回采，長壁后退式一次采全高采煤方法，全部垮落法管理頂板。

表1 煤層頂板情況表

2 18104工作面覆巖破壞規程計算

根據斜溝煤礦18104大采高工作面所采煤層與覆巖特征，查閱相關資料[10-11]選取垮落帶和斷裂帶最大高度的經驗公式，計算18104工作面冒落帶和斷裂帶的高度。

垮落帶最大高度hΙ計算如下：

(1)

斷裂帶最大高度計算如下：

hⅡ=(2～3)hΙ

(2)

式中：

M—工作面的采高，m；

ks—覆巖的碎脹系數；

α—所采煤層傾角，(°).

18104工作面煤厚平均為4.7 m，一次采全高，頂板巖性為泥巖，屬于中硬型頂板類型。因此，巖石碎脹系數ks可取1.35(對于煤厚4.7 m煤層，砂巖ks為1.5～1.6)，煤層平均傾角為9.4°，則垮落帶高度為9.53 m，斷裂帶高度為19.06～28.59 m. 即理論冒高/采厚比約為2.03，裂高/采厚比為4.06～6.08.

3 頂板“兩帶”現場監測

3.1 鉆孔布置及數據采集

設計模擬探測孔的角度小于90°，為仰角孔，分析研究18104工作面沿著傾向和走向“兩帶”的高度。使用孔巷三維測試方法，在1#孔布置52個電極，電極間距為2.4 m，從1#孔向工作面方向沿著皮帶巷道頂板共布置18個電極，電極間距為3 m，2#鉆孔共布置52個電極，電極間距為1.6 m，從2#孔鉆孔向工作面方向沿著皮帶巷道頂板布置18個電極，電極間距為2.8 m. 鉆孔施工參數見表2，鉆孔剖面和電極布置見圖1，圖2.

對1#孔和2#孔每天指派專人收集2組以上的數據，以更加充分地驗證數據的有效性。采集數據過程中發現電阻率變化較大的階段，選取比較穩定的一組數據開展反演與解釋工作，其他兩組數據作為對比參考。對1#孔監測監控32天，共采集有效的物理數據點29 013個；對2#孔監測監控50天，得到有效物理數據點201 634個。

表2 鉆孔現場監測參數表

圖1 1#孔電極布置圖

圖2 2#孔電極布置圖

3.2 結果分析

以每個電極不同時間電流變化情況為對象，尋找各個孔64個電極測試時供電電流隨時間變化的曲線，結果見圖3，圖4.根據2#走向監測鉆孔64個電極電流在時間上的變化規律，找出煤層開采過程中上覆巖體變形破壞動態發育規律。1#走向監測鉆測試時供電電流隨時間變化的曲線結果見圖3，2#傾向監測鉆測試時供電電流隨時間變化的曲線結果見圖4.

圖3 1#孔(沿走向)電極電流與時間的變化曲線圖

圖4 2#孔(沿傾向)電極電流與時間的變化曲線圖

通過研究分析電流值的變化規律輔助判定“兩帶”的高度。不同電極電流的變化情況見表3.

從表3得到，垮落帶高度8.6～9.5 m；斷裂帶高度為27.8～34.7 m.

表3 不同電極電流變化情況表

4 覆巖裂隙演化數值模擬

4.1 模擬材料及其屈服準則

采用莫爾-庫侖塑性模型研究18104工作面本構模型，采用Mohr-Coulomb判別準則[9-11]，且均不考慮塑性流動(不考慮剪脹)對其的影響，即：

(3)

ft=σ3-σt

式中：

σ1，σ3—最大和最小主應力，MPa；

C—覆巖體的黏結力，MPa；

φ—覆巖體的內摩擦角，(°)；

當fs=0時，材料將發生剪切破壞；當ft=0時，材料產生拉伸破壞。

4.2 模型的建立

借助FLAC3D數值模擬18104工作面兩帶發育規律，依據18104工作面實際情況構建模型，見圖5. 模型尺寸為長400 m×寬264 m×高208 m，共有79 987個節點，80 013個單元，采用零單元模擬采空區。設置開挖步距為12 m，共開挖100 m. 18104工作面巖層的力學參數見表4.

圖5 18104工作面數值模型圖

4.3 邊界條件

模型的邊界條件如下：

1) 應力邊界：在模型的上部施加垂直方向的載荷(P=γH)；模型周圍施加水平等效地應力。

表4 計算模型參數表

2) 位移邊界：采用x、y方向固定模型的周邊；在模型頂部設置自由邊界條件，在z方向底部采用全約束邊界條件。

3) 將等效荷載(自重應力和側向應力)施加在模型頂端，自重應力計算如下：

σv=γH

(4)

式中：

γ—覆巖的重力密度，kg/m3；

H—模型所處深度，m.

側向應力計算如下：

(5)

式中：ν—覆巖的泊松比。

4.4 實驗結果及其分析

4.4.1塑性破壞區模擬結果分析

隨著工作面的開采，覆巖開始發生剪切破壞，覆巖裂隙開始發育，逐步演化為拉伸破壞，最后產生破裂冒落，因此工作面頂板的冒落是拉伸破壞。受采動影響，覆巖裂隙逐步發育成“兩帶”，隨著模型開挖步距不斷變大，覆巖垮落區域也在不斷擴大。向前開采80 m時，工作面沿走向和傾向的塑性破壞見圖6. 從圖6得到，覆巖破壞類型主要以剪切與拉伸破壞為主，處于覆巖塑性破壞的區域最大，呈現代表性的“凸”型破壞特征。

圖6 18104工作面推進80 m時塑性破壞圖

4.4.2應力模擬結果分析

18104工作面沿走向和傾向的垂直應力分布情況見圖7. 從圖7發現，垂直應力集中分布在工作面上覆巖層處，此區域存在數條“拋物線”型應力帶，工作面后方和煤壁也產生應力集中，工作面中間部位產生了地應力分布帶。隨著工作面的持續開采，18104工作面采空區逐漸被壓實，煤壁前方產生超前支撐壓力。

圖7 18104工作面推進80 m時應力分布圖

4.4.3應變模擬結果分析

18104工作面向前開采80 m時沿走向和傾向的應變分布場見圖8. 從圖8可知，工作面上覆巖層的各點位移量從上到下逐漸變大，表明覆巖發育成彎曲下沉帶、斷裂帶、垮落帶，工作面底板位移量由上到下逐漸減小，兩側煤柱上方覆巖移近量較小，且隨遠離工作面推進方向逐漸變小最終無移近量。

圖8 18104工作面回采80 m時應變分布圖

根據模擬結果得到：18104工作面垮落帶高度為9.4 m，是采高的2倍；斷裂帶高度是35.9 m，是采高的8倍。

5 現場監測與模擬結果對比分析

通過現場實測、理論計算和數值模擬，18104工作面垮落帶和斷裂帶結果對比見表5. 從表5得到，18104工作面垮落帶高度是8.6～9.5 m，斷裂帶高度是27.8～34.7 m，現場實測結果與數值模擬結果基本一致；同時驗證了FLAC3D模擬方法是采動覆巖“兩帶”高度研究的有效手段。

6 結 論

1) 利用FLAC3D數值模擬得到斜溝煤礦18104工作面垮落帶和斷裂帶的高度，模擬結果證明：覆巖破壞具有代表性的“凸”型破壞特征，兩側煤柱和采空區應力比較集中。

表5 18104工作面不同方法獲得的“兩帶”高度值統計表

2) 通過理論計算、現場實測和數值模擬，得到斜溝煤礦18104工作面垮落帶高度是9.5 m，斷裂帶高度是34.7 m，現場實測結果與數值模擬結果基本一致；驗證了FLAC3D模擬方法是采動覆巖“兩帶”高度研究的有效手段。