采空區覆巖垮落及孔隙率演化規律研究

高常華 王成穩 王 鵬

（山東新河礦業有限公司，山東 濟寧 272415）

隨著煤礦從淺層向深層開采，上覆巖層受載越來越大，因此采空區產生了大量不規則形變的坍塌巖體、殘存的煤體，使整個采空區的壓實程度有所下降，使瓦斯等氣體滲透的通道和空間增加[1]。這就造成了綜放采空區存在遺煤（可燃物）、漏風（氧）、瓦斯等方面的不利因素，致使采空區發生煤自燃、瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出等問題[2-3]。因此，對采空區覆巖垮落的分布特點和孔隙率演變規律進行深入的研究，有助于掌握采空區的孔隙率及流場演化規律，為劃分采空區遺煤自燃危險區域提供理論基礎[4]。

1 工程概況

新河煤礦7312 工作面3 煤層均厚7.17 m，采用綜采放頂煤工藝，全部垮落法管理頂板，逐次開挖作業。3 煤屬Ⅱ類自燃煤層，最短自然發火期40 d。瓦斯絕對涌出量3.6 m3/min。柱狀圖見表1。

表1 新河3 煤7312 工作面煤巖層綜合柱狀圖

2 離散元模擬

2.1 模擬參數的確立

使用PFC 軟件時，確定與宏觀材料特性相匹配的細觀參數，才能得到符合實際宏觀力學性能的模擬結果[5]。材料的宏觀參數可以利用經驗公式轉換為相匹配的細觀參數[6]。經驗公式如下：

1）彈性模量經驗公式

式中：E為彈性模量，GPa；Ec為楊氏模量，GPa；kn/ks為剛度比；a=1.652；b=-0.395。

2）泊松比經驗公式

式中：v為泊松比；c=0.209；d=0.111。

3）單軸抗壓強度回歸性分析

式 中：σt為 抗 拉 強 度，MPa；d=-0.174；e=0.463；f=0.289。

各巖層的宏觀參數見表2。由式（1）～（4）進行了相關參數的反演，得出了相應的細觀參數見表3。

表2 各巖層宏觀參數

表3 各巖層反演細觀力學參數

2.2 煤層模型的建立

在現場地質柱狀圖的基礎上，建立了相應的PFC 模型。模型長100 m、寬100 m、高49.35 m，分為九層，上部為第一層，下部為第九層，如圖1（a）。為了還原實際開采過程，對7312 工作面分成10 個區塊進行回采，每段回采間隔10 m，如圖1（b）。

圖1 建立的PFC 模型及模型煤層回采

3 模擬結果分析

3.1 覆巖垮落分布特征

回采過程如圖2，當回采第一塊結束后，直接頂沒有垮落，仍然起到支撐作用。當第二塊回采結束后，采空區直接頂開始松動，逐漸開始垮落。當第三塊回采結束后，第一塊采空區上部的直接頂已經垮落結束，第二塊采空區上部的直接頂開始松動但并沒有開始垮落。當第四塊回采結束后，第一塊采空區直接頂垮落已經穩定，第二塊采空區發生垮落，第三塊采空區的頂板及覆巖出現松動，但未出現明顯垮落。即從第三塊采空區開始，每回采一步，前面的采空區頂板及覆巖都會發生垮落，當前回采面的前一層采空區的直接頂雖然出現松動但并不會發生垮落，這種規律延續到回采結束。

圖2 煤層回采過程采空區垮落模擬圖

當回采進入第二步時，煤層直接頂出現松動，開始出現裂隙，基本頂未發生變化，各層高度沒有發生變化；當工作面回采進入第三步時，基本頂承受壓力不斷增加，不再具有支撐作用而發生垮落現象，此時覆巖中裂隙不斷增加；當工作面回采進入第十步時，模擬試驗基本結束，各巖層中裂隙增長速度減慢，但裂隙數量還在繼續增加，隨垮落矸石的不斷堆積，最終裂隙數量將會減少至一個穩定值。

3.2 覆巖孔隙率演化規律

根據回采7312 工作面后采空區情況，將其看作是一種多孔介質空間，確定出相關參數，對其進行了數值模擬與分析，總結孔隙率變化規律。

由圖3 可知，煤層在未回采時，煤層及上方覆巖整體的孔隙率較小，在0.16～0.24 之間，分布較均勻。煤層覆巖隨工作面的推進不斷垮落與堆積，孔隙率發生變化。通過圖4 得出，回采第一次時煤層大部分區域處于未開采狀態，孔隙率呈現較低的狀態，孔隙率在0.1 左右，巖層和關鍵層無明顯變化。

圖3 煤層未回采階段孔隙

圖4 煤層回采過程中孔隙率變化圖

回采第四步時，回采已進行了一半，孔隙率產生較大變化。在煤層中，工作面附近處于應力降低區域，直接頂未垮落，導致這部分區域孔隙率較高，孔隙率約為0.91～0.98。尤其是在工作面兩端位置，由于煤柱對頂板的支撐作用，兩端位置未垮落區域比其他位置更長，較大的孔隙率分布更廣。其他位置采空區頂板垮落基本穩定，孔隙率最大為0.42，最小為0.28。在直接頂位置，工作面附近上部的直接頂區域沒有垮落，但產生了明顯的裂縫，造成孔隙率增大，從原來的0.12 變為0.21。工作面后部的采空區上方直接頂基本完全垮落，孔隙率基本穩定在0.42 左右，約為未開采時的3.5 倍。

4 結論

在回采距離10 m 的情況下，由于直接頂的支撐，上部巖層未出現明顯的崩塌；從回采距離30 m 開始，每回采一步，前面的采空區頂板及覆巖都會發生垮落，這種規律延續到回采結束。在未開采時煤層孔隙率范圍在0.16～0.24 之間；當工作面全部回采完畢后，孔隙率基本穩定在0.42 左右，約為未開采時的3.5 倍。模擬結果對解決瓦斯抽采以及合理布置鉆孔位置具有重要的意義。