大采高工作面兩帶高度分析研究

施先盛

（西山煤電股份有限公司 馬蘭礦，山西 古交 030205）

煤層采出后，采空區周圍原巖應力平衡狀態受到破壞，導致應力重新分布，從而引起巖層的變形、破壞和移動。開采過程中，受采動應力場影響的煤層上覆巖體，稱為采動覆巖［1］，采動覆巖的移動破壞規律的研究是礦業工程領域中一個重要的研究方面［2］.文獻［3～7］對煤層開采后的覆巖移動、破壞及裂隙演化規律進行了研究，取得了一些成果。

本文基于山西某煤礦15#煤層實際工程地質條件，運用通用離散元軟件（UDEC）進行數值分析，模擬大采高工作面上覆巖層斷裂移動以及采動裂隙發育演化過程，分析研究15#煤層上覆巖層斷裂、移動變形規律、采動裂隙分布特征等現象。

1 工作面煤層賦存條件

該礦150403工作面為大采高綜放工作面，工作面斜長170m，其所采15#煤層平均厚度為4.81m，最大厚度為5.7m，煤層質地均一，煤層賦存穩定，結構簡單。煤層傾角為2°～15°，平均傾角8.5°.煤層直接頂為泥巖，厚度為1.3m，上方為細砂巖，厚度為3.39m，直接底為厚4.38m的泥巖。

2 大采高覆巖斷裂演化模擬

本次模擬采用UDEC進行模擬計算，以該礦主采煤層15#煤賦的地質條件為依據，由于不同的模擬邊界會對模擬結果產生不同的影響［8］，因此，模型走向長度為300m，兩邊各留60m煤柱，垂直方向為108 m，采用摩爾-庫倫準則，上邊界載荷按采深270m計算，固定下邊界，即y方向速度為0，固定左右邊界，x方向速度為0.建立的數值模擬力學圖型見圖1，各巖層塊體的力學參數和各巖層接觸面的力學參數見表1，表2.

圖1 數值模擬力學圖型

表1 模型中各巖層物理力學參數表

表2 模型中各巖層接觸面力學參數表

3 模擬結果分析

3.1 直接頂斷裂垮落演化過程

從開切眼開始，隨著工作面的不斷推進，直接頂懸露面積越來越大，直接頂的垮落過程見圖2，當工作面推進到16m時直接頂由于重力作用產生彎矩，使巖層彎曲下沉，直接頂第一分層與第二分層開始出現離層；推進到20m時直接頂開始呈“拱”形冒落，直接頂第二分層與第三分層出現離層；推進到26m時直接頂第一、第二分層全部垮落，冒落矸石充填采空區，冒落高度為4～6m，最大自由空間達到2m；工作面推進到30m時直接頂全部垮落，采空區被直接頂冒落的巖石所充填，冒落高度6～8m.

圖2 直接頂垮落過程示意圖

3.2 基本頂初次垮落過程

直接頂全部垮落后，隨著工作面的繼續推進，基本頂開始出現離層現象，工作面推進至26m時，基本頂第一、第二分層開始出現離層現象，工作面推進到30m時，基本頂第一、第二分層由于上覆載荷及自身重力的作用從中間斷裂，斷落后的巖石相互鉸接；工作面推進到40m時，基本頂第二分層與第三分層離層，第一分層已全部垮落；推進到50m時，基本頂三分層全部垮落，上覆巖層隨著全部垮落，工作面初次來壓，來壓步距50m左右。基本頂垮落過程見圖3.

圖3 基本頂垮落過程示意圖

3.3 上覆巖層移動下沉規律

模擬過程中，在上覆巖層中沿走向方向布置6條測線，隨著工作面的不斷推進，上覆巖層分組或分層發生移動下沉，布置在巖層中的測點也隨之移動。選取距離切眼10m，位于同一垂直線上不同高度的1號、4號、9號、16號測點的位移變化來分析不同位置的巖層移動下沉規律。各測點的累計下沉量與工作面推進距離的關系見圖4.

1號測點位于直接頂下部，工作面推進到測點下方，1測點開始緩慢的下沉，推進至23m時，直接頂第一分層開始離層，下沉高度達到1.1m；推進至26 m時4號測點出現離層現象，1號測點下沉高度為4.1m；工作面推進至30m，直接頂全部垮落。9號測點位于基本頂上部，工作面推進至32m時，9號測點開始出現下沉現象，下沉量較小；當工作面推進至45 m時，9號測點的下沉量劇烈增加，表明直接頂完全斷裂，1號、4號測點的下沉量緩慢增加，但趨于穩定，高度在4.7m左右。16號測點位于基本頂上部，距離煤層53m，工作面推進至48m時，下沉量為0.3 m，工作面初次來壓之后，其下沉量隨著工作面的推進急劇增加；工作面推進為60m時，下沉量為2.3 m，推進到85m，下沉量達3.5m，隨后直到模擬結束，其下沉高度變化很小，基本維持在3.5m.

圖4 頂板累計下沉量與工作面推進距離關系圖

通過上述分析可知，直接頂在工作面推進后，有與基本頂出現離層的趨勢，并隨著工作面的不斷推進，自行的發生冒落。基本頂由于強度較大，一般在工作面推進過后，開始出現緩慢下沉，直到強度不足以支撐上覆巖層壓力時發生斷裂，這時老頂開始來壓。直接頂上的巖層基本是隨著基本頂的冒落而發生冒落，變形與基本頂一致，但距離較遠的上覆巖層卻出現冒落滯后的現象。

3.4 “兩帶”高度的確定

由多次模擬試驗可以發現［9-10］，采動裂隙高度與工作面開采時的初次來壓步距和周期來壓步距有密切關系。工作面從開切眼，到不斷推進的過程，頂板裂隙不斷地發育，工作面推進20m、26m、30m時頂板垮落情況見圖2，工作面推進40m，50m時上覆巖層破斷和運動情況見圖3，工作面推進70m、110 m、140m、170m時的覆巖運動狀態見圖5.從工作面推進不同距離的覆巖運動狀態，可以得知，工作面推進30m時，冒落帶高度在12m左右，裂隙帶高度約15m，裂隙主要以水平裂隙為主，垂直裂隙主要發育在冒落帶內。工作面推進到50m時，冒落帶高度約15m，裂隙帶高度有所增加，高度在25m左右，裂隙帶內主要還是以水平裂隙為主。工作面推進至80m時，冒落帶高度約18m，裂隙帶高度在32m左右。工作面推進到140m、170m時，冒落帶高度穩定在20m左右，裂隙帶高度約為30m.

圖5 不同推進距離覆巖運動狀態圖

4 工程實例分析

在該礦150403工作面進行了鉆孔瓦斯抽采試驗，在工作面回風巷沿走向方向每隔50m布置一個瓦斯抽采鉆場，共布置8個鉆場，每個鉆場沿走向順著采空區方向布置4～6個抽采鉆孔。抽采鉆孔盡量布置在采空區裂隙帶里面，鉆場及鉆孔布置見圖6.鉆孔施工及封孔完畢后，將抽采管連接至高負壓抽采系統中，抽采負壓在23.2～32kPa.為考察鉆孔抽采效果，鉆孔設計時采用較大的傾角，便于確定抽采最為有效的鉆孔終孔的空間位置。高位抽采鉆孔距離煤層頂板6～14m 時，抽采量較大，抽采濃度在10%～16%，純瓦斯抽采量在2.1～3m3／min；高位抽采鉆孔距離煤層頂板14～22m時，抽采量較鉆孔高度在6～14m時有所降低，瓦斯抽采濃度有所提高，濃度在30%～45%，純瓦斯抽采量在4～5m3／min；高位抽采鉆孔距離煤層頂板26～30m時，瓦斯抽采濃度在60%～80%，純瓦斯抽采量在6.3m3／min左右；高位抽采鉆孔距離煤層頂板32～42m時，瓦斯抽采濃度約80%，純瓦斯抽采量急劇降低，從6m3／min降到2 m3／min.實測鉆孔純瓦斯抽采量與鉆孔至頂板距離見圖7.據此判斷采空區上覆巖層中頂板裂隙發育最為豐富的高度約為30m，為沿走向采空區方向抽采鉆孔的最佳層位，這與前面數值模擬結果一致。

通過高位抽采鉆孔，并把終孔高度位置布置在離煤層頂板30m位置，瓦斯抽采率達48%，有效地解決了工作面上隅角瓦斯超限的問題，為礦井的安全高效生產創造了良好條件，取得了顯著的經濟及社會效益。

圖6 鉆孔布置示意圖

圖7 高位鉆場鉆孔抽放純量示意圖

5 總 結

1）根據模擬結果，隨著工作面不斷推進，直接頂各分層先離層，后垮落，由于采高的增加，直接頂垮落的矸石并不能完全的充填采空區，導致直接頂向上延伸，厚度增加。

2）采空區上覆巖層的下沉具有滯后性，基本頂下沉明顯滯后于直接頂，基本頂上的巖層基本隨著基本頂下沉而下沉，卻也有明顯的滯后性。

3）通過對該煤礦15#煤層的上覆巖層的斷裂移動及裂隙演化的模擬研究，綜合判斷得出，15#煤層的冒落帶，裂隙帶高度分別為20m，30m.

4）通過分析研究并對比現場抽采鉆孔瓦斯抽采結果，建議高位鉆場終孔的設計高度在30m左右。

［1］ 煤炭科學研究總院北京開采研究所.煤礦地表移動與覆巖破壞規律及其應用［M］.北京：煤炭工業出版社，1983：77-79.

［2］ 錢鳴高，繆協興，茅獻彪.巖層控制的關鍵層理論［M］.徐州：中國礦業大學出版社，1994：103-107.

［3］ 李 智，王漢鵬，李術才，等.煤層開采過程中上覆巖層裂隙演化規律研究［J］.山東大學學報（工學版），2012，41（3）：143-147.

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［10］ 付玉平，宋選民，刑平偉，等.淺埋厚煤層大采高工作面頂板巖層斷裂演化規律的模擬研究［J］.煤炭學報，2012，37（3）：366-371.