特厚煤層綜放開采覆巖裂隙發育與應用

李乃錄 周偉

1.山東省新汶礦業集團水簾洞煤礦，陜西 咸陽 712000；2.安徽理工大學能源與安全學院，安徽 淮南 232001

為了深入研究水簾洞煤礦特厚煤層開采時覆巖破壞規律，科學選定瓦斯抽排鉆孔位置和瓦斯抽排巷道位置，實現煤礦綠色開采、合理開采，在對工作面地質特征、工程地質特征和開采技術條件分析的基礎上，進行了典型相似材料模擬試驗研究。模型原型按水簾洞煤礦煤巖柱狀，采厚和放煤高度，以及開采參數參照礦方作業規程。同時進行了現場測試。

1 采場覆巖裂隙的相似材料模擬試驗

1.1 模型的設計與制作

模擬工作面煤層厚度11.5m，埋藏深度412m，直接頂為6.22m厚的粉細砂巖，老頂為2.91m的中細砂巖，煤層底板有3.28m的砂質泥巖與1.2m的鋁質泥巖組成，其下為6m細砂巖。

平面模型試驗架長度3m，寬0.3m，模型高度1.2m（考慮加載高度），因此，取模型與原型的幾何相似比為：Cl＝1/100，取容重相似比為：Cγ＝0.6，取應力相似比為Cσ＝Cγ×C1＝0.6×1/100＝0.006，取時間相似比al＝1/12，即模擬試驗中的2個小時相當于現場的一天。

本次相似材料模擬試驗[1-2]材料，骨料：選用顆粒大小為0.15mm～0.5mm河砂；膠結料：選用石灰宜采用新鮮燒透的灰塊，石膏為熟石膏；

分層材料：選用云母粉。改變骨料和膠結材料的成分，可以模擬不同類型的巖層。

相似材料模擬試驗模型全景如圖1所示。

圖1 相似材料模擬實驗模型全景

開采過程中應力、位移的變化是由計算機控制的YJD－27靜動態電阻應變儀數控自動巡回監測系統采集應變信息，同時進行拍照及頂板垮落過程的描述。模型加載：模型上部巖層的重力按均布載荷處理，杠桿加載系統見圖2所示。

圖2 模型杠桿加載系統

1.2 模擬試驗結果分析

1.2.1 回采程序設計

整個模型開采近192個小時，相當于現場開采96天；模型停止開采后，繼續測試了24小時，直到巖層移動穩定以后，整個模型共測試了111次，持續216小時，相當現場實測108天。

1.2.2 裂斷巖梁運動發展過程

裂隙帶中覆巖運動的發展過程包括兩個階段：

1）第一次裂斷運動階段（即采場第一次來壓階段）

該發展階段自開切眼推進開始，到裂隙帶中最上部一個“巖梁”第一次裂斷運動完成為止，為裂隙帶覆巖的第一次運動階段[3]，如圖3所示。

在該運動階段，隨著工作面的不斷推進，覆巖運動范圍逐漸擴大。從相似材料模擬試驗的過程看，當工作面推進距離大約為工作面長度1/4.1以上時，壓力拱向上擴展到最高處，高度約100m多。在該運動階段工作面推進的距離稱為裂隙帶覆巖第一次運動步距，一般與初次來壓步距基本相等。

2）正常運動階段

包括“破壞拱”最上部巖層第一次運動完成到回采工作面推進結束的全部推進過程[4](圖4)。在正常運動階段，“破壞拱”不再向上方巖層擴展，保持恒定的高度隨工作面向前方推進。

由試驗分析可知，裂隙帶巖層[5-6]第一次運動階段包括“破壞拱”在工作面前方和上方兩個方向上逐漸擴展的階段。當第一次運動階段結束后，“破壞拱”在工作面垂直方向上擴展到最高處，然后進入正常運動階段，“破壞拱”將只在工作面前方跳躍式向前擴展。此時“破壞拱”拱頂為一近似水平線。

1.2.3 裂隙發育與應力場

1）本項目采用相似材料模擬試驗，對綜放工作面煤層覆巖破壞進行了多方面的試驗和研究，獲得了良好的技術效果。經分析研究得出，綜放工作面覆巖冒落帶高度45m～55m，冒高采厚比3.91～4.78，裂隙帶高度93.0m～100.7m，裂高采厚比8.1～8.8。

圖3 裂隙帶覆巖第一次運動階段

2）綜放采場超前支承壓力的峰值位置深入煤體距離約為10m～15m，在工作面前方30m范圍內受超前支承壓力影響劇烈，而超前支承壓力影響范圍，可達工作面前方70m。

3）工作面前方煤層及離工作面不遠的頂板巖層，壓力集中程度較高；隨著離煤層頂板垂直距離越大，上覆巖體內應力集中程度越小，垂直應力的峰值位置，隨著巖層高度的增加有向煤壁后方移動的趨勢。

4）覆巖離層主要出現在應力卸壓區，在應力集中區即工作面前方或煤柱外側不可能出現離層。

5）在工作面前方約30m至工作面煤壁，頂板下沉較為明顯，在工作面前方1～2m，頂板最大下沉速度可達到為3mm/d；從工作面煤壁到工作面后方50m，頂板下沉劇烈，在工作面后方10～20m處，頂板下沉速度達到最大，最大速度可達到471mm/d；在采空區后方50m到工作面后方80m，頂板運動基本緩和，頂板下沉速度最大為76mm/d，越接近80m處速度越小；在采空區后方80m以后，頂板運動基本趨于穩定，下沉速度幾乎為0，采空區重新被壓實，應力重新恢復到原巖應力狀態。

6）距離煤層頂板不同位置的上覆巖層，其垂直位移量不同，離煤層頂板垂直距離愈大，其頂板位移量愈小，沿煤層頂部垂直向上，頂板位移量依次減小。越向上覆巖形成的離層間距越大。

7）在試驗基礎上，全面分析研究了水簾洞煤礦綜放煤層覆巖破壞的一般狀態、發展變化規律及其影響因素。結果表明，在綜放工作面的地質開采條件下，煤層采厚、覆巖性質結構和工作面推進速度，是影響覆巖破壞程度和發展高度的重要因素。它們的影響程度分別為：覆巖破壞程度和發展高度一般均隨采厚增減而增減。水簾洞煤礦綜放工作面覆巖其強度一般較高，覆巖破壞程度和高度亦將顯著增大。在其他條件相同時，工作面能否以較高速度連續推進，對覆巖破壞有重大影響；保持工作面持續快速推進，對抑制、減少覆巖破壞高度，至關重要[6]。

2 覆巖移動變形高位鉆孔抽采效果測試

2.1 測試依據

采用鉆孔瓦斯抽采參數[8]變化來判定高位鉆孔抽采最佳位置。

2.2 測試地點

3801工作面以東50m處布置第一組高位鉆孔，與第一組高位鉆孔開孔位置相距30m布置第二組高位鉆孔，其具體參數見表1。

2.3 測試要求

高位鉆孔開孔位置與工作面相距40m時每天監測高位鉆孔的瓦斯濃度、抽采負壓和瓦斯抽采純量等參數。

2.4 測試結果

對高位鉆孔進行參數測試，其測試結果見表2所示。

表2 抽放參數測試一覽表

通過對測試結果分析，距工作面11m左右范圍，即3801工作面上方50m左右范圍內，由于受采動影響，煤巖體處于破斷、冒落，此時抽放瓦斯濃度下降明顯，濃度由24.5%下降到8%左右，抽放負壓由9.83kPa下降到7.3kPa，表明此區域范圍內受采動影響明顯，煤巖體處于破裂狀態，由此可以判定破斷、冒落上限為50m左右。這與實驗室相似材料模擬和數值計算結果基本吻合[9-11]。

圖4 裂隙帶覆巖正常運動階段

表1 高位鉆孔布置參數

3 小結

通過理論分析、實驗室相似材料試驗與現場實測綜合分析，水簾洞煤礦3801綜放工作面頂板煤巖層冒落帶上限范圍為40-55m，裂隙帶上限范圍為100m左右，8煤層鉆孔抽放半徑為3m。因此建議在對此類條件相似的工作面進行瓦斯治理時，可采用頂板高抽巷，其高抽巷的布置位置為冒落帶上限范圍與裂隙帶的下限范圍內[12]，即建議布置在距煤層頂板50m左右的范圍內。測試結果表明建議參數是合理的。

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