斜溝煤礦采動覆巖裂隙運移規律試驗研究

趙高清

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦，山西呂梁 033602）

0 引言

工作面開采后，采動覆巖發生斷裂、垮落和下沉，形成垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，其中垮落帶、裂隙帶(以下簡稱“兩帶”)高度始終是煤礦安全生產重點關注的問題，精準獲得“兩帶”的高度，可為確定高位鉆孔的終孔位置、高抽巷的布置層位及防止頂板突水等提供科學的依據[1-2]。

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[3]，借助孔巷三維測試技術現場實測覆巖“兩帶”發育高度，最終得到該工作面覆巖“兩帶”的高度[4]，為礦井安全生產奠定基礎。

1 18104工作面概況

斜溝煤礦距山西省呂梁市興縣縣城北直距20 km，井田位于河東煤田北部的中南部，主采煤層為8#、13#煤。8#煤層厚度為3.00 m～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。

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 m～+822 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。

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，選取經驗公式計算18104 工作面冒落帶和導水裂隙帶（包括冒落帶和裂隙帶）的高度。

冒落帶最大高度hΙ計算如下：

導水裂隙帶最大高度hⅡ計算如下：

式中：M為工作面采高，煤厚平均4.7 m，一次采全高；

ks為覆巖的碎脹系數，取1.35；

α為所采煤層傾角，為9.4°。

18104工作面冒落帶高度為9.53 m，導水裂隙帶高度為19.06 m～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

采用孔巷三維測試方法，分析研究18104 工作面沿著傾向和走向“兩帶”高度。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3m，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1，鉆孔剖面和電極布置如圖1、圖2所示。

鉆孔每天由專人收集2 組以上的數據，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。

3.2 結果分析

鉆孔64個電極不同時間電流隨時間變化的曲線，可得出煤層開采過程中上覆巖體變形破壞動態發育規律。

圖1 1#孔電極布置

圖2 2#孔電極布置

表1 鉆孔現場監測參數

通過研究分析電流值的變化規律來輔助判定“兩帶”的高度。不同電極電流的變化情況見表2。從表2 得到，垮落帶高度8.6 m～9.5 m；裂隙帶高度為27.8 m～34.7 m。

表2 統計不同電極電流變化情況

4 覆巖裂隙演化數值模擬

4.1 模型的的建立

依據18205 工作面實際情況構建模型，模型尺寸為400 m（長）×264 m（寬）×208 m（高），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。18205工作面巖層的力學參數見表3。

4.2 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。

（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：

式中，γ—覆巖的重力密度；

H—模型所處深度；

側向應力計算如下

式中，ν—覆巖的泊松比。

表3 計算模型參數

4.3 實驗結果及其分析

4.3.1 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。受到的采動影響，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80m 時，工作面沿走向和傾向的塑性破壞如圖6 所示。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3 18104工作面推進80 m時塑性破壞圖

4.3.2 應力模擬結果分析

根據18205工作面向前開采80 m時沿走向和傾向的垂直應力分布情況，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，18205工作面采空區逐漸被壓實，煤壁前方產生超前支撐壓力。

4.3.3 應變模擬結果分析

根據18205工作面向前開采80 m時沿走向和傾向的應變分布場獲得：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。

根據模擬結果最終確定：18205 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工作面垮落帶和裂隙帶結果對比見表4。從表4 得到，18104 工作面垮落帶高度是8.6 m～9.5 m，裂隙帶高度是27.8 m～34.7 m，現場實測結果與數值模擬結果基本一致；而“三下”開采規程計算的裂隙帶高度與現場實測、數值模擬結果差值較大，《“三下”采煤規程》所列出的公式在計算大采高開采條件下裂隙帶高度時明顯偏小，已經不再適用；同時也驗證了FLAC3D模擬方法是采動覆巖“兩帶”高度研究的有效手段。

表4 18104工作面不同方法獲得的“兩帶”高度值統計

6 結論

（1）利用FLAC3D數值模擬得到斜溝煤礦18104 工作面垮落帶和裂隙帶的高度，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。

（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，裂隙帶高度是34.7 m，現場實測結果與數值模擬結果基本一致；而“三下”開采規程計算的裂隙帶高度與現場實測、數值模擬結果差值較大，《“三下”采煤規程》所列出的公式在計算大采高開采條件下裂隙帶高度時明顯偏小，已經不再適用；同時也驗證了FLAC3D模擬方法是采動覆巖“兩帶”高度研究的有效手段。