復合頂板大采高采場覆巖破斷角實測及其演化規律研究

趙 晶，張 禮，3，王栓林

(1.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013；3.中國礦業大學(北京) 能源與礦業學院，北京 100083)

采空區覆巖裂隙帶邊界和采空區邊界的連線與水平線在采空區一側的夾角稱為覆巖破斷角[1]。按其所處位置不同可分為采場側覆巖破斷角、運輸巷側覆巖破斷角、回風巷側覆巖破斷角和切眼側覆巖破斷角，受煤層賦存及開采時間的影響各破斷角度不盡相同。采用頂板鉆孔(巷道)抽采鄰近層及采空區瓦斯時，鉆孔的終孔位置、壓茬距離、卸壓瓦斯富集區域識別、采動區瓦斯流動三維模擬幾何模型的建立等等，均與采場覆巖破斷角密切相關[2-4]。現階段對采場覆巖破斷角的研究多采用相似材料模擬實驗、數值模擬實驗等手段。因不同礦區獨特的地質及開采條件，覆巖破斷角具有較大差異，不考慮自身條件的生搬硬套大大降低了瓦斯抽采效果。同時因采空區覆巖運動是一動態過程，破斷角處于動態演化過程，研究結果均有其一定的適用范圍[5-10]。

以申南凹煤礦20102工作面為背景，通過對頂板走向高位鉆孔抽采數據的長期觀測，對采場側的覆巖破斷角進行了分析；通過20104運輸巷往20102工作面采空區施工測試鉆孔，利用雙塞壓水實驗對20102工作面回風巷側的破斷角進行了研究；為由點到面的分析采場覆巖破斷角的演化規律，利用UDEC模擬軟件分析了覆巖采動裂隙及破斷角的演化過程。研究成果可為下一步研究采空區卸壓瓦斯的運移富集規律及高位鉆孔布置提供基礎。

1 工作面概況

申南凹煤礦隸屬山西省河東煤田鄉寧礦區，地處呂梁山南端，地貌單元屬中山小起伏區，可采煤層為山西組中下部的2#煤層，煤層埋深為555～631m。20102工作面是礦井二采區首采工作面，煤層平均埋深為598m，煤層平均傾角5°，平均厚度為3.84m，硬度為1.4。工作面長度為180m，推進長度1286m，采用走向長壁采煤法一次采全高冒落法管理頂板。工作面單巷布置，通風方式為U型通風。工作面頂板以泥巖、細砂巖交替分布。底板為泥巖，回采過程中底鼓現象明顯。

2 頂板巖層物理力學參數

為充分弄清20102工作面頂板巖層的巖性及巖層分布特征，從回風巷向頂板打4個深度為25m的取芯鉆孔，每層取3個巖樣，測出各巖樣的物理力學參數，再取其平均值。頂板巖層物理力學參數見表1。實驗發現，20102工作面頂板由軟弱相間的中小厚度巖層所組成，為典型的復合頂板。

表1 煤巖力學參數

3 采空區覆巖破斷角實測分析

本次現場實測的破斷角為采場側覆巖破斷角和回風巷側覆巖破斷角，因本煤層傾角小于8°，忽略工作面傾角產生的影響，運輸巷側覆巖破斷角與回風巷側近似相等。

3.1 覆巖破斷角實測方案

3.1.1 采場側覆巖破斷角

采場側覆巖破斷角可借助頂板走向高位鉆孔進行分析，無需再打鉆孔。20102回風巷內每隔30m布置有一組高位鉆場，每組鉆場6個鉆孔，高位鉆場布置如圖1所示，設計參數見表2。已有研究表明[11]，頂板充分來壓后，隨工作面推進，巖層破斷以一基本固定的角度往前發展。瓦斯抽采高位鉆孔先從鉆孔上部起效，然后不斷往下發展。當巖石破斷未發育到鉆孔時，鉆孔抽采量近似為零。當巖石破斷發育到此處時，瓦斯抽采量將會突然增大。

圖1 高位鉆孔及側向破斷角觀測鉆孔平面布置

表2 高位鉆孔設計參數

3.1.2 回風巷側覆巖破斷角

在20104工作面運輸巷往20102采空區頂板施工5個觀測孔，為方便鉆孔施工，在工作面后方100m和110m處分兩組鉆場施工，鉆孔布置及鉆孔參數如圖2所示，鉆孔具體參數見表3。鉆孔施工完畢，通過雙塞壓水實驗對裂隙進行觀測。雙塞壓水實驗使用雙端堵水器，注水壓力為0.1MPa，每段測試長度為1m，每段進行3次測試，每次時間為1min，漏失量取3次平均值。

圖2 工作面側向破斷角觀測鉆孔剖面

表3 觀測鉆孔具體參數

3.2 觀測結果分析

3.2.1 采場側覆巖破斷角

對10個鉆場的瓦斯抽采數據進行統計分析，統計結果見表4，記錄鉆孔起效時的時間、工作面距鉆場的距離和初始流量(表中的初始流量為6個鉆孔流量的最小值)。在工作面推進速度為3.6m/d，鉆場起效時工作面與鉆場的距離為63～74m，平均維持在68m附近。說明巖層破斷位置已經運動到鉆孔終孔位置區域。表中21、22、24號鉆場抽采鉆孔直徑為94mm，記為小孔，其他鉆孔抽采鉆孔直徑為153mm，記為大孔。

表4 鉆場起效時間統計表

覆巖破斷角θ的確定方法如圖3所示，覆巖破斷角θ的計算公式為：

圖3 巖層垮落角確定方法

式中，x為工作面距鉆場的距離，m；α為高位鉆孔傾角，(°)；β為鉆孔夾角，(°)；l為鉆孔長度，m。

鉆場各鉆孔的傾角為21°±2°，夾角為17°±3°，取α=21°，β=17°，經計算，工作面推進速度為3.6m/d時，20102采場上方的巖層破斷角為59°。

3.2.2 回風巷側覆巖破斷角

5號鉆孔在施工到42m、1號鉆孔在施工到56m處時，孔口不見反水，此時鉆孔垂高分別為12m、28m，兩鉆孔分別進入垮落帶和裂隙帶(計算得垮落帶高度為13～20m)。將實驗觀測數據轉化為鉆孔漏失統計圖，如圖4所示。按照孔口不反水計算覆巖破斷角為39°，按壓水漏失量大于18L/min計算，破斷角為58°。

圖4 鉆孔漏失量統計

4 覆巖破斷角演化模擬研究

為了由點到面的去研究覆巖破斷角的演化過程，根據地質資料通過UDEC模擬軟件對平行工作面方向覆巖采動裂隙的演化過程進行了模擬分析，因煤層為近水平煤層，沿推進方向覆巖破斷角演化過程與平行工作面方向近似一致。模型尺寸為220m×140m，模型上方為應力邊界條件，應力值為11.7MPa，模型兩側和底部采用位移邊界條件。

數值模擬發現采空區覆巖與底板裂隙先后經歷，卸荷裂隙擴展—應力恢復裂隙閉合—端頭裂隙擴展的過程，如圖5所示。覆巖破斷角隨運行步數的演化過程如圖6所示。

圖5 不同時步裂隙演化過程

圖6 不同時步破斷角演化過程

采空區中部的裂隙閉合伴隨著端頭的裂隙擴展，采空區應力恢復時覆巖裂隙的閉合速度比底板裂隙的閉合速度要快。覆巖破斷角隨時間的增長會不斷增大，模型運行步數在5813步時頂板巖體主要以不規則垮落為主，垮落高度為8m(2倍采高)，覆巖破斷角近似為25°；6213步時頂板巖體出現規則破斷，裂隙發育高度為36m(9倍采高)，此時破斷角為36°；8313步時受采空區應力恢復影響，頂板裂隙大量閉合，端部裂隙開始擴展，破斷角變為51°；至9713步時，底板裂隙大量閉合，破斷角繼續增大為72°；至16213步時，工作面端頭裂隙發育穩定，破斷角為109°，裂隙發育高度為39m(10倍采高)。

5 結 論

1)復合頂板大采高采場條件下，當工作面推進速度為3.6m/d時，采場側的覆巖破斷角為59°，工作面后方100～110m處回風側的覆巖破斷角為58°。

2)采空區覆巖破斷角是一動態變化過程，隨著時間的增長，破斷角由銳角演化為鈍角。兩相鄰采空區，區段煤柱的覆巖裂隙存在導通的可能。

3)采空區覆巖及底板裂隙先后經歷卸荷裂隙擴展—應力恢復裂隙閉合—端頭裂隙擴展的過程。采空區中部的裂隙閉合伴隨著端頭的裂隙擴展，頂板裂隙閉合速度比底板裂隙閉合速度要快。