急傾斜煤層采動垮冒高度分布規律研究

王磊 WANG Lei；王坤 WANG Kun；龍在海 LONG Zai-hai；王永敬 WANG Yong-jing；師吉林 SHI Ji-lin；姬周飛 JI Zhou-fei

（①國家能源集團新疆能源有限責任公司烏東煤礦，烏魯木齊 830000；②中煤科工集團沈陽研究院有限公司，撫順 113122；③中煤科工集團沈陽研究院有限公司煤礦安全技術國家重點實驗室，撫順 113122）

0 引言

采空區內部空隙和裂隙分布是漏風、瓦斯賦存和有害氣體運移的載體，為了控制急傾斜煤層在采動影響條件下瓦斯涌出和采空區自然發火等災害，必須掌握急傾斜煤層采動垮冒帶高度發育情況。近年來，國內學者對緩傾斜煤層、傾斜煤層導水裂隙帶發育高度和確定進行了大量研究，主要通過理論計算、相似模擬、數值模擬和現場實測等，研究不同的影響因素對開采煤層的導水裂隙帶發育高度的影響程度。此外，還有些學者針對特定的開采條件下利用數值模擬軟件，研究導水裂隙帶發育高度[1-4]。但是，鮮有學者對急傾斜煤層的采動垮冒帶高度分布規律進行研究。

本文采用理論分析和3DEC數值模擬的方法對其開展研究，為后期礦井采空區的火災防治和流場分析等研究提供科學的依據。

1 急傾斜煤層概況

烏東煤礦南區B3+6煤層傾角86°～89°，平均傾角87°，走向N58°～60°之間，最大厚度52.3m，最小厚度39.85m，平均厚度48.87m，內含夾矸4～20層，夾矸總厚0.08～4.40m，有益厚度為44.99m，屬于急傾斜特厚煤層。南區B1+2煤層平均厚度為30m，傾角85°～88°，平均傾角87°，走向N58°～60°之間，全井田范圍煤穩定可開采。B1+2、B3+6煤層最短自然發火期均為45天，且煤塵具有爆炸危險性。南區B1+2、B3+6煤層初次開采標高為+550m，分階段綜放開采，階段高度25m，已開采至+425m。

南區B1+2、B3+6煤層及巖層的宏觀力學參數見表1所示，各巖層接觸面細觀參數見表2所示。

表1 南區各煤巖層宏觀參數

表2 南區各煤巖層細觀參數

2 采動垮冒帶高度理論分析

我國煤炭部門總結的冒落帶和導水裂隙帶最大高度的經驗公式見表3所示[5-7]。

表3 冒落帶和導水裂隙帶最大高度的經驗公式

根據第1節中，南區B1+2、B3+6煤層開采技術參數可知，目前急傾斜煤層累計采出厚度為150m，針對煤層傾角、煤巖特性參數和采空區頂板管理方法等指標，及冒落帶和導水裂隙帶最大高度計算公式，急傾斜煤層垮冒帶高度可采用下式計算：

式中：M—開采煤層累計采厚。

h1=0.5M=0.5×150m=75m

因此，南區急傾斜煤層由初采標高+550m，開采至+425m后，采空區煤巖體垮冒帶高度約為75m。

3 采動裂隙及離散煤塊粒徑分布數值模擬

3.1 數值模型建立

根據3DEC建模理論（具體參數），在煤層走向上，不同階段的煤層開挖可以簡化為平面應變問題。因此，在煤層走向上（即Y方向）設置為模型的寬度40m，最終建立模型尺寸為360m?40m?525m。根據烏東南區地質勘察報告及煤巖體力學報告等內容，在模型豎向施加自重應力，最大主應力方向為平面方向，最小主應力方向為垂直平面方向，對模型施加對應的地應力場。煤巖采用從上而下的開采方式，模型最高標高為+825m水平，上部10m煤巖被開挖掉，此次模型從+550m水平開始，從上到下對煤巖進行逐層開挖，階段高度為25m左右，B3-6煤層以及B1-2煤層均在開采范圍內[8-10]。

3.2 數值模擬結果分析

利用3DEC數值模擬軟件，模擬了B1+2、B3+6煤層在不同開采深度條件下，煤層垮冒帶高度發育規律及分布情況，如圖1所示。

圖1中彩色部分所示為大小介于1～20mm之間的裂隙法向位移，灰色部分為法向位移小于1mm的裂隙分布，由于灰色部分裂隙開度（法向位移值）很小，灰色部分的裂隙開度可以忽略，因此，彩色部分展示了煤層采動過程中的動態發育情況。在對B3+6以及B1+2位于+550m的煤層開采后，采動作用主要對煤層的垮冒帶發育影響較為顯著，特別是在開采工作面附近，將形成較大的垮冒開度，另外，煤層厚度越大，開采的跨度越大，不僅工作面上部裂隙更早地形成貫通區，而且工作面下方的垮冒擴展范圍越大，且縱向擴展深度越大。煤層中垮冒帶一般以共軛角的形式發生拉伸破壞，在開挖一個階段高度后，工作面周圍圍巖出現零星小開度裂隙，這說明，一個階段高度的煤層開挖，并不會對圍巖造成較為明顯的影響。

在工作面開采至+525m時，煤層工作面垮冒范圍進一步擴大，B3+6煤層空區頂部開始出現程度較大的拉伸破壞，拉裂區影響高度大約為2個開采階段高度，即50m。B1+2工作面上部拉裂區高度大約為1.5個開采階段高度，即37.5m，且B1+2上端煤體垮冒區此時并未完全貫通。B3+6及B1+2煤層周圍，開始出現較為明顯的豎向垮冒區域，中間巖柱裂隙并未貫通。

在工作面開采至+500m時，工作面煤層頂部有明顯的塊體分離及垮落的現象，在自重應力的作用下掉落下部采空區，B3+6工作面頂板側的垮冒帶漸進拉伸開裂范圍逐漸接近3個階段高度，即75m，工作面底板側的垮冒區域擴展范圍約為3個階段高度，但影響較大的區域集中在工作面下部約2個階段高度，即50m范圍內。煤層開挖面兩側逐漸形成豎向拉裂隙，由開挖工作面向兩側擴展，但裂隙開度一般小于5mm。

當工作面開采至+450m及+425m水平時，B3+6煤層頂板側的垮冒開度基本無明顯變化，垮冒擴展高度約為3～4個階段高度，約為75～100m左右。而工作面底板處，其垮冒擴展范圍保持在3個階段高度上。圍巖中垮冒帶的擴展高度與工作面開采高度范圍保持一致，隨著開采工作面往垂直向下方向開采而增大。

隨著工作面向下水平開采，南區煤層的煤塊粒徑的變化過程如圖2所示。

由圖2可知，分離的煤巖塊體幾乎都集中于煤層中，B3+6及B1+2煤層兩側圍巖未產生巖塊的分離，視為一個整體。可以看出，煤層工作面頂底板煤塊隨著工作面的不斷推進將產生愈發明顯的塊體分離，隨著工作面的推進，空區高度的增加，使得煤塊粒徑逐步趨于增大化，顯然，工作面頂板處分離的大粒徑煤塊要多于工作面底板處的分離煤塊，這是由于工作面底板處的煤層是隨著工作面向下開采而不斷更新的，底板受到的開采擾動要比頂板處的煤層更加頻繁[11-12]。

4 結論

①根據我國煤炭部門總結的冒落帶最大高度的經驗公式，計算得到工作面開采至+425水平時，垮冒帶最大高度約75m。②理論分析垮冒帶高于與3DEC數值模擬結果一致，即煤層開采至+450及+425水平時，煤層頂板側的垮冒帶高度發展趨于穩定，約75～100m，底板側的垮冒帶保持在3個階段高度約75m。③B3+6與B1+2煤層間的圍巖未產生分析；煤層頂板煤塊隨向下水平開采出現明顯塊體分離，隨著向下開采，煤塊粒徑逐步趨于增大化，且頂板處分離的大粒徑煤塊多于煤層底板。