采動下堅硬頂板裂隙演化與應(yīng)用

陳慶玉 陳慶釗 王在斌

（山東省邱集煤礦有限公司，山東 德州 251105）

隨著煤礦開采深度的增加，煤層頂板受采動影響破壞劇烈，由巖層運動引發(fā)的底板突水、頂板高冒、煤與瓦斯突出等礦井災(zāi)害日趨嚴(yán)重，很大程度上加大了生產(chǎn)工作的危險性。目前，針對采動頂板裂隙破壞特征，國內(nèi)專家學(xué)者分別從現(xiàn)場和理論等方面做了大量研究工作，并取得了一系列研究成果[1-8]。

邱集煤礦1101 工作面實施切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，為掌握采空區(qū)巷道頂板變形冒落規(guī)律、底板變形破壞特性和擾動范圍，對工作面頂板變形進(jìn)行了監(jiān)測，為優(yōu)化推采步距以及工作面安全生產(chǎn)和后續(xù)工作面布置提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程背景

1.1 工作面概況

邱集煤礦11 煤一采區(qū)1101 工作面標(biāo)高-338～-422 m，位于11 煤集中軌道上山以西，北鄰西翼泄水巷保護(hù)煤柱，南至一采區(qū)膠帶巷，東鄰11 煤集中軌道上山保護(hù)煤柱，西側(cè)為1103 工作面。1101工作面走向長100 m，傾斜長789 m。該工作面煤層走向近東西，煤層傾角3°～8°。

根據(jù)巷道實際揭露情況分析，1101 工作面范圍內(nèi)煤層賦存較穩(wěn)定，適合綜合機(jī)械化開采，采用傾斜長壁后退式采煤法，綜合機(jī)械化采煤，全部垮落法管理頂板，一次采全高，每循環(huán)推進(jìn)度為0.8 m。工作面共安裝ZY6800/14/28D 型掩護(hù)式支架66 架，最小控頂距4160 mm，最大控頂距4960 mm。

1.2 頂?shù)装鍡l件

煤層直接頂板為平均厚度2.01 m 的五灰，五灰以上是平均厚度1.14 m 的泥巖以及平均厚度5.13 m的四灰，四五灰平均厚度7.69 m。灰?guī)r頂板的抗壓強度為127 MPa，為極堅固巖石，屬堅硬頂板。直接底板主要為粉砂巖，次為泥巖或粘土巖，局部有炭質(zhì)泥巖或粘土巖偽底，平均厚度為5.56 m。

2 工作面頂板變形研究

2.1 頂板裂隙帶注水監(jiān)測

針對邱集煤礦1101 工作面實際，在1101 回撤通道內(nèi)的頂板開孔，向采空區(qū)方向鉆孔。1101 工作面軌道順槽頂板與工作面頂板使用定向預(yù)裂爆破方法切開，最大切縫面垂直高度為10.1 m；頂板使用兩列錨索支護(hù)，錨索高度10.5 m。施工頂板觀測孔，其鉆孔淺部應(yīng)避開冒落帶，防止鉆孔坍塌，同時為避免爆破震動，與爆破孔底間距大于2 m。具體參數(shù)見表1，鉆孔平面圖如圖1。

表1 頂板鉆孔參數(shù)詳表

圖1 頂板注水孔布置圖

ZS～1#與推采方向呈52°夾角時，鉆孔豎向傾角為65°，孔深44 m，垂高39.9 m。開孔位置距離1101 停采線10.0 m，距1101 側(cè)巷幫0.88 m。ZS～2#與推采方向呈28°夾角時，鉆孔豎向傾角為59°，孔深41 m，垂高35.1 m。開孔位置距離1101 停采線9.3 m，距1101 側(cè)巷幫0.88 m。

在未推采至設(shè)計位置時，在回撤通道施工觀測孔，并使用雙端堵漏裝置進(jìn)行注水測試，記錄每個觀測孔在定水壓作用下不同封堵段的滲漏量，每間隔1 m 測試一次。兩個孔測試完畢后，推采經(jīng)過測試位置50 d 后再進(jìn)行復(fù)測并記錄二者滲漏量的差值。

2.2 頂板裂隙帶注水結(jié)果分析

采用分段注水測漏方法對鉆孔進(jìn)行注水測試，其中1#鉆孔垂高40 m，終孔巖層為細(xì)砂巖，2#鉆孔垂高35 m，終孔巖層為中砂巖。

儀器能承載最大水壓為6 MPa，橡膠封堵器直徑為64 mm，可封堵鉆孔直徑為70～90 mm，注水膠管長度為60 m，手動泵最大壓強為8 MPa，手動泵設(shè)有逆止閥，可保持封堵壓力。封堵段長1.0 m，中心注水孔通過鉆桿與切頂鉆機(jī)相連接，每根鉆桿之間連接橡膠止水墊，止水墊厚度3 mm，注水壓力為0.6 MPa，穩(wěn)定注水時間不低于1 min，注水器端頭設(shè)有過濾閥門和單向閥門，根據(jù)鉆桿長度，每次封堵移動距離為1.0～2.0 m。

1#孔前后滲漏量差值如圖2，可見，1#孔平均滲漏量為13.58 L/min，第二次測試平均滲漏量為14.92 L/min。1#鉆孔在10 m 時與上一個鉆孔相交漏水嚴(yán)重，二者在39 m 區(qū)段附近滲漏量相同，約為14.6 L/min，說明此段鉆孔裂隙不發(fā)育；孔深38 m 時，第一次滲漏量為13.2 L/min，第二次滲漏量為17.9 L/min，滲漏量增加了35%，說明此位置導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大高度為35.34 m。

圖2 1#鉆孔前后注水對比圖示

孔深在25～35 m 之間，滲漏量明顯增加，對應(yīng)頂板高度為22.6～31.7 m。根據(jù)鉆孔方位，在孔深23.5 m 時進(jìn)入回撤通道切頂孔孔口上方，說明裂隙帶已經(jīng)發(fā)育至孔深位置，在水平方向投影可見，其水平位置為回撤通道切頂孔孔口正上，水平影響范圍為2.42 m，31.5 m 時通過切頂孔孔底上方，空間方位如圖3。

圖3 1#鉆孔與回撤通道切縫面相關(guān)位置圖

如圖4，2#孔平均滲漏量為10.91 L/min，第二次測試平均滲漏量為12.67 L/min，二者在孔口和孔底區(qū)段附近滲漏量相同，說明此段鉆孔裂隙不發(fā)育，孔口是因為沒有進(jìn)入裂隙帶影響范圍，孔底是因為沒有達(dá)到裂隙帶發(fā)育高度。孔深34 m 時，第一次滲漏量13.3 L/min，第二次滲漏量18.27 L/min，滲漏量增加了37%，說明此位置導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大孔深為34 m，高度為29.14 m。

圖4 2#鉆孔前后注水對比圖示

2#鉆孔距離工作面順槽邊緣約為8.4 m，1#鉆孔距離工作面順槽邊緣約為12.7 m，靠近工作面邊緣可見導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度相對較小。孔深15 m以上時，滲漏量明顯增加，水平投影長度約為7.72 m，此時與工作面采空區(qū)邊界的水平距離為2.42 m。

通過注水法實測，可見1101 工作面導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度為35.34 m，且越靠近工作面中央，高度越大，工作面邊緣導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為29.14 m，邊界均在細(xì)砂巖巖層內(nèi)部。在工作面范圍以外，裂隙帶發(fā)育水平的影響范圍為2.42 m。

3 工作面頂板變形數(shù)值模擬

3.1 模型建立

應(yīng)用UDEC 離散元數(shù)值模擬軟件，本構(gòu)模型采用摩爾—庫倫準(zhǔn)則，以邱集煤礦1101 工作面煤層為工程背景，建立180 m×88 m 的模型。模型的左右及下部邊界為位移邊界，左右邊界限制水平方向的位移，下部邊界限制豎直方向的位移，上部邊界為自由邊界，計算模型如圖5。

圖5 頂板變形垮落數(shù)值計算模型

3.2 頂板變形模擬結(jié)果分析

模型隨工作面推進(jìn)，分別模擬推采15 m、30 m、45 m 和60 m 時頂板垮落情況。切頂后采場上覆巖層運動破壞過程及裂隙發(fā)育計算結(jié)果如圖6。

圖6 不同開挖步距工作面底板變形情況

在工作面推進(jìn)15 m 時，直接頂巖層出現(xiàn)明顯離層現(xiàn)象，裂隙增多，頂板巖層開始出現(xiàn)彎曲下沉趨勢，但頂板并未垮落，由于頂板巖層變形引起上覆巖層運動，頂板巖層裂隙開始向上發(fā)育。沿推采方向上裂隙發(fā)育明顯，沿工作面走向的裂隙較為發(fā)育，五灰和泥巖出現(xiàn)明顯的離層，采場頂板裂隙帶發(fā)育高度為10.4 m，且工作面正上方裂隙帶聚集。

在工作面推進(jìn)30 m 時，頂板巖層出現(xiàn)第一次完全斷裂垮落。此時，采場頂板出現(xiàn)初次垮落狀態(tài)，初次垮落步距約為30 m。直接頂后部開始觸矸，整個頂板巖梁呈階梯狀，自開切眼至工作面逐步垮落并觸矸，工作面后方仍舊約5 m范圍頂板發(fā)生旋轉(zhuǎn)下沉。基本頂及以上巖層，開始彎曲下沉，出現(xiàn)大量水平裂隙和少量豎向裂隙，裂隙發(fā)育高度約為20 m。

在工作面推進(jìn)45 m 時，工作面后方矸石進(jìn)一步被壓實，裂隙不斷向上程度有所減緩，裂隙帶發(fā)育高度為29.5 m，采空區(qū)中央彎曲下沉明顯且中部出現(xiàn)較大范圍的離層。隨著巖梁長度的增加，工作面來壓頂板折斷并垮落，工作面前方頂板的豎向裂隙減少，說明在此推采步距內(nèi)，出現(xiàn)頂垮落和工作面來壓，工作面周期來壓步距約為15 m。

在工作面推進(jìn)60 m時，裂隙帶發(fā)育高度為36 m。采空區(qū)以上形成明顯的拱形邊界，裂隙帶僅水平向擴(kuò)展。工作面前方5 m 范圍內(nèi)四灰?guī)r層出現(xiàn)張拉裂隙，說明工作面進(jìn)入第二個周期來壓階段。

隨著工作面不斷推進(jìn)，采場頂板巖層進(jìn)入周期垮落階段，即工作面推進(jìn)15 m，頂板巖層垮落出現(xiàn)一次循環(huán)，隨采隨落，沒有出現(xiàn)大面積懸頂情況。工作面不斷推進(jìn)，采空區(qū)后方矸石進(jìn)一步被壓實，矸石對上覆巖層的支撐力也變大。當(dāng)工作面推進(jìn)至60 m 時，上覆巖層裂隙發(fā)育高度達(dá)36 m，且不再發(fā)育，裂隙成水平擴(kuò)展?fàn)睿纱苏J(rèn)為采場上覆巖層裂隙帶高度為36 m。在此過程中伴隨著部分舊裂縫被重新壓密愈合，新裂縫重新產(chǎn)生。

4 結(jié)論

應(yīng)用離散元數(shù)值模擬軟件，結(jié)合邱集煤礦工作面煤層為工程背景建立模型，進(jìn)行不同推采進(jìn)度的頂板變形規(guī)律分析，得到了如下結(jié)論：

（1）通過注水法實測，可見1101 工作面導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度為35.34 m，且越靠近工作面中央，高度越大，工作面邊緣導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為29.14 m，邊界均在細(xì)砂巖巖層內(nèi)部。在工作面范圍以外，裂隙帶發(fā)育水平的影響范圍為2.42 m。

（2）應(yīng)用UDEC 離散元數(shù)值模擬軟件研究裂隙帶發(fā)育規(guī)律，發(fā)現(xiàn)工作面推進(jìn)60 m 時，上覆巖層裂隙發(fā)育高度達(dá)到36 m 不再發(fā)育，裂隙成水平擴(kuò)展?fàn)睿瑪?shù)值模擬得到的采場上覆巖層裂隙帶高度為36 m，與實測高度相差不大，得到工作面推進(jìn)過程中頂板變形的基本發(fā)展變化規(guī)律，為煤礦安全生產(chǎn)和煤礦水害防治提供參考依據(jù)。