斜溝煤礦采動覆巖“三帶”劃分數值模擬研究

申曉勇 吳瓊

（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；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

煤層開采后，上覆巖層在采動的影響下將發生大面積的垮落、破斷和下沉，隨著工作面持續開采，會形成三帶：垮落帶、裂隙帶及彎曲下沉帶[1-2]。其中垮落帶、裂隙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[3-4]。

本文基于巖石力學參數，通過數值模擬、理論計算和現場實測，主要研究分析斜溝煤礦23107工作面覆巖裂隙發育規律，模擬出“三帶”高度值，對比現場實際測定的數據，得出基于采動裂隙演化特征的模擬試驗手段在綜放工作面“三帶”劃分上是科學有效的[5]。

1 礦井概況

斜溝煤礦隸屬河東煤田離柳礦區。主要開采煤層是8#、13#煤，陪采6#煤，井田南北長約22km，東西寬約4.5km，面積為88.6km2。

23107 綜放工作面位于21采區回風上山北側，西側、北側為實煤區，東北側為原斜溝煤礦舊礦13號煤采空區，上部為8號煤層18103、18105、18117采空區，上部東側為18101、18115采空區和原斜溝煤礦8號煤采空區。工作面標高為+791～+852m，地面標高為 +983～+1182m，煤層厚度為5.95～16.68m，平均13.88m，工作面整體為一走向近南北傾向西的單斜構造，傾角7.9°～9.6°，平均8.8°。可采推進長度是3400m，工作面傾斜長度是242m，采用全部垮落法管理采空區頂板，采用單一走向長壁采煤法、低位綜采放頂煤工藝。煤層頂底板情況見表1。

表1 煤層頂底板情況表

圖1 巖層柱狀圖

2 理論計算

巖層柱狀圖如圖1所示，從巖層柱狀圖得到，13#煤層厚度是13.88m，頂板類型為細粒砂巖和泥巖，屬于中硬巖層。一直以來，通常采用《“三下”采煤規程》中提供的經驗公式來劃分覆巖“兩帶”。當煤層上覆巖層為中硬巖層時，綜放開采時“兩帶”高度的公式未列入在《“三下”采煤規程》中，通常依據厚煤層分層開采的經驗公式計算。

垮落帶高度：

導水裂隙帶高度：

式中：

∑M-累計采厚，m。

將基礎數據帶入，計算得到13#煤層垮落帶高度為14.28～18.68m，導水裂隙帶高度為48.18～59.38m。

由于綜放工作面采高較大，覆巖“兩帶”發育高度將會大于分層開采條件，此時分層開采公式已不再適用。通過采用以下公式來計算綜放面覆巖為中硬條件時“兩帶”高度：

垮落帶高度：

導水裂隙帶高度：

式中：

M-采厚，m；

±-中誤差。

計算得到垮落帶高度為48.84～58.26m，導水裂隙帶高度為120.84～143.82m。

3 23107采場覆巖裂隙演化數值模擬

3.1 模型的建立

依據23107工作面具體情況，建立數值模型，應用平面應變模型，模型長×高是400m×264m。模型共計26400個單元，在垂直方向有132個單元，在水平方向有200個單元。數值模擬時，將性質相近的巖層進行合并，把強度較小的薄弱層加入巖層間，作為層理研究。借助RFPA的自重模式開展計算，數值模型如圖2所示。

圖2 建立模型

3.2 計算方案

通過RFPA系統的自動開挖功能，設置23107工作面數值模擬時每步10m開挖一次，累計連續開挖30步，合計開采300m。

3.3 模擬結果分析

當工作面推進37m時，頂板巖層出現破裂，繼續推進時，直接頂裂隙逐漸發展，相繼發生破壞，破斷的巖體鉸接相連，頂板的垮落呈不規則性。當工作面推進54m時，初次來壓到來，這時垮落帶高度是36.84m；工作面不斷推進中，在重力影響下老頂發生彎曲下沉，開采到72m時，老頂產生顯著的離層現象，第二次來壓發生，隨著老頂不斷垮落，工作面前方的壓應力顯著減小，就產生十分明顯的覆巖“兩帶”特征，這時垮落帶高度是39.75m，裂隙帶發育的高度為64.72m。裂隙演化示意圖如圖3所示。

圖3 裂隙演化示意圖

當23107工作面開采134m后，覆巖“兩帶”高度基本穩定不變，裂隙發育完全，這時垮落帶高度是51.47m，裂隙帶高度是108.56m，數值模擬與現場實測、理論計算基本吻合。

4 頂板巖層裂隙現場實測

為了得到斜溝煤礦綜放開采條件下采場裂隙帶發育高度及演化特征，進而準確劃分出“三帶”高度，在23107工作面材料巷1700m處（距離工作面100m）施工三個頂板巖層裂隙觀測孔，以觀察裂隙發育情況。設計23107工作面觀測孔的長度為80m，傾角分別為40°、45°、50°，鉆孔的終孔地點距離23107工作面頂板分別為51.42m、56.57m、61.28m。借助CXK6礦用本安型鉆孔成像儀來觀察各觀測孔在未開采時和開采后的覆巖裂隙發育情況，同時做好裂隙出現異常區的地點。

當23107工作面開采到距離觀測孔25m以上時定為未開采地點，當工作面開采到距離工作面最多8m時定為開采后地點。通過分析鉆孔橫向和縱向裂隙、裂縫的發展規律，觀察結果證明采后的裂隙顯著多于采前的，采后裂隙裂縫發育擴展程度較高，觀測結果可靠。

各個觀測孔未開采時和開采后覆巖裂隙最密集區域距離23107工作面頂板的垂距見表2。由表2得到，未開采時1#、2#、3#觀測孔覆巖裂隙發育密集區在距煤層的垂距分別為48.62～49.54m、48.73～49.98m、48.31～49.88m，采后在距13#煤頂板垂高為49.87～50.94m、49.73～50.82m、49.59～50.67m處是裂隙密集區。實測結果證明23107工作面上覆巖層裂隙最為發育位置是在距工作面頂板垂距為48.31～50.67m處。

表2 上覆巖層裂縫裂隙發育情況

對比垮落帶的計算結果，可以發現對于采用綜采放頂煤的采煤工藝，采用《規程》計算結果明顯偏小，通過經驗公式得到三帶的高度雖稍有偏大，但基本與探測孔實測情況相符合，適合現場計算綜放面采場覆巖“兩帶”高度。

5 結論

（1）通過數值模擬和窺視儀現場實測方法，研究了煤層開采后覆巖在采動影響下縱橫向裂隙的分布、發育及相互貫通規律，此方法具有互補性、可靠性，可作為精準界定“三帶”高度的有效方法。

（2）通過理論計算、現場實測和數值模擬，得到斜溝煤礦23107工作面垮落帶高度是48.31～50.67m，斷裂帶高度是50.67～108.56m，理論計算、現場實測結果與數值模擬結果基本一致；驗證了RFPA模擬方法是采動覆巖“兩帶”高度研究的有效手段。

（3）通過研究采場覆巖的運動演化規律，進而準確地得到三帶高度，為工作面高位鉆孔的鉆場布置、采空區瓦斯治理提供科學的依據，確保礦井安全生產。