復合關鍵層頂板導高分析及防水煤巖柱尺寸的確定

付寶杰　涂敏　張平松

摘要：為分析松散含水層下復合關鍵層頂板導水裂隙帶發育高度，以期合理確定采區開采上限標高，本文通過物理模擬實驗，研究了該巖性賦存特征頂板覆巖破壞規律及導水裂隙帶發育高度，結果表明：近距離賦存的兩關鍵硬巖層呈現非同步破斷，距離煤層較近的關鍵層對采場礦壓起主要控制作用；隨工作面向前推進，下部關鍵層形成周期性破斷，采場充分開采時上部關鍵層出現斷裂，進而達到采場頂板導水裂隙帶發育最大高度49.7m，為平均采高的12.7倍。該買驗結果與工程實踐中采用并行電法進行導高測試結果相互印證，為該采區留設防水煤巖柱尺寸提供指導依據。

關鍵詞：復合關鍵層；導水裂隙帶；物理模擬；電法探測

中圖分類號：TD325

文獻標志碼：A

文章編號：1672-1098（2016）04-0010-06

煤層開采后，上覆巖層中具有明顯的分帶特征。越靠近煤層頂板，受采動影響越強烈，巖層垮冒并不規則堆積在采空區中，形成冒落帶；未垮落巖層，受拉、壓及剪切作用產生明顯的變形、破壞，形成大量順層裂隙及層間裂隙，這些裂隙與采場貫通成為流體滲流通道，形成導水裂隙帶。針對導水裂隙帶發育高度，國內外學者做出了大量研究工作，文獻[5]根據“四帶”理論，推導出關于面長及煤巖體強度的導水裂隙帶高度計算公式。文獻[6～7]結合導水裂隙發育高度受覆巖關鍵層層位的影響規律，提出了預計導水裂隙帶高度的新方法。文獻[8]等分析了導裂高度發育的因素及過程，得出了計算導水裂隙帶發育高度的經驗公式。文獻[9]對覆巖采動導水裂隙分布特征進行理論分析，提出了破斷裂隙貫通度的概念和計算公式。

文獻[10]對影響綜采（放）”兩帶”發育高度的煤厚、頂板巖性、巖層組合、采深、工作面斜長、推進速度等多種因素進行研究，得到綜采（放）導水裂隙帶高度與主要指標之間的多元回歸統計關系式。綜上表明，已有的研究成果都是在特有的地質條件下取得的。采煤及頂板管理方法、開采強度、覆巖力學性質及結構特征、重復采動、構造應力以及時間等因素均可影響導水裂隙帶發育高度。因此，特定地質條件下的導高應具體分析，并通過實踐驗證，才能更好的指導生產及相關設計。

為合理設計淮南潘三礦西三采區13-1煤層開采上限，對該煤層第二區段1622（3）工作面導水裂隙帶高度進行實驗分析及電法實測，用以指導設計 第一區段1612（3）工作面防水煤巖柱的留設尺寸。

1.地質條件

潘三礦1622（3）綜采工作面為該礦井西三采區首采面。工作面標高-560

-598m，距基巖面高度96.2～125.4m，如圖1所示。該面主采13-l煤層，煤厚3.1-5.0m，平均厚度3.9m，屬近水平煤層，平均傾角8°，賦存穩定。工作面斜長240m，走向長1115m。通過地面鉆孔揭露1622（3）工作面頂板巖性，如圖示2所示，直接頂為6.8m厚的復合頂板，由泥巖、砂質泥巖及煤組成，老頂為11.3m細砂巖，抗壓強度93.22MPa，其上部間隔18.4m厚砂質泥巖又賦存一層13.2m厚細砂巖，抗壓強度92.85MPa。

當兩關鍵層距離較近時，無論上部或下部堅硬巖層都將對下部或上部堅硬巖層的采動變形和破斷產生影響，也即對采動覆巖變形、破斷、移動全過程產生影響，從而形成關鍵層的復合效應。圖2所示，采場覆巖中兩層相臨的硬質砂巖層組成了復合關鍵層，控制采場上覆巖層運動。

2.復合關鍵層頂板結構特征相似試驗

2.1相似模型的建立

相似模型以砂子為骨料，石膏、石灰（碳酸鈣）為黏結材料，并摻人適量的水，根據鉆孔柱狀和現場的地質力學參數，按照相似模擬實驗基本原理和相似系數計算模型各分層的材料配比，分層填裝鋪設，在層與層之間撒云母片做巖層的層面并隨機劃出節理。

在試驗前準備階段，將模型表面粉刷成白色，并畫上5cm×5cm（橫向×縱向）的網格，以利于觀察模型的變形破壞。在模型養護達到要求并且加載及測試系統就緒后，即可進行模擬開采。

開切眼位于模型右側距離模型邊界50cm處，每次開挖5cm，每隔2h開挖一次，相當于實際工作面推進5m，停采線距模型左邊界50cm（見圖3）。

2.2覆巖破壞空間結構特征

工作面從切眼位置開始向前推進，采過15cm時，部分直接頂開始垮落，未完全垮落的頁巖、泥巖相繼出現離層。再向前推進5cm，6.8cm厚復合頂板整體垮落，形成直接頂初次整體垮落。繼續向前推進，整個復合頂板以6～8cm破斷距呈現周期性垮落，直至工作面推進60cm，采場頂板礦壓顯現以直接頂周期破斷為主，但此時11.3cm厚細砂巖層彎曲變形，具體如圖4a。垂直位移數字圖像反映出，該開采階段煤層直接頂礦壓顯現較劇烈，而其上部老頂變形不明顯，如圖4b所示。

當工作面推進65cm時，11.3m厚老頂破斷，形成老頂初次來壓。由圖5a可以看出，老頂破斷后形成三鉸拱，該拱結構上部與其上位巖層分離，下部承載于直接頂垮落的矸石。老頂初次破斷巖塊長度約為40cm，在煤壁處頂板破斷角約為58°在開切眼處頂板破斷角約為47°。由圖5b可以看出，老頂初次破斷時，盡管與其上部巖層未能同步破斷，但自下而上也產生不同程度的下沉變形。此時，采場裂隙帶發育高度達到第一層堅硬細砂巖。

工作面繼續向前推進，11.3m厚老頂呈現周期性垮落，垮落步距8～14cm，平均9.6cm。隨老頂的垮落，其上部18.4cm厚砂質泥巖及13.2cm厚細砂巖下沉變形不斷增大，當達到停采線位置時，即工作面推進200cm，這第二層厚巖層在兩側邊界位置出現斷裂，在煤壁處頂板破斷角約為64°，在開切眼處頂板破斷角約為58°。此時，采場裂隙帶發育高度達到49.7cm，具體如圖6a所示。

綜上所述，工作面直接頂初次垮落約在20cm，老頂初次來壓約在65cm，周期來壓步距約為8～14cm。在整個回采過程中，上覆巖層逐層破斷、垮落，直接頂先冒落，在采空區中不規則堆積，老頂巖梁在推進方向逐步斷裂，并相互擠壓，形成暫時鉸接平衡結構，隨著工作面不斷推進，鉸接巖塊回轉過程中，局部受拉而使咬合處破壞造成巖塊回轉進一步加劇，從而導致整個結構失穩，呈現“穩定一失穩一穩定”周期性變化。與煤層最近的一層關鍵層對采場礦壓起主要控制作用，其周期性破斷引起采礦周期來壓，當工作面繼續推進到約200m時，第二層關鍵層出現破斷，但其整體下沉量不大。采空區的裂隙經歷了不發育、發育、部分壓實三個階段，裂隙高度不斷向上發展，最終形成采場裂隙發育最大高度49.7cm。

3.覆巖結構特征電法測試

3.1鉆孔布置

在1622（3）工作面6#瓦斯鉆場設計施工2個電法監測鉆孔，傾角分別是35°、12°，鉆孔長度分別為120m、80m，實際控制高度68.8m、16.6m。孔內各布置64個電極，采用并行電法進行數據采集，根據電極電流比值，探明頂板覆巖破壞規律。鉆孔布置如圖7所示。

3.2測試結果

通過鉆孔電極電流比值成像結果，可以分析該工作面覆巖破壞規律。從圖8～圖1l探測結果可知，覆巖受采動破壞分成四個階段：未受采動影響階段，受超前應力影響階段，覆巖破壞發育階段，圍巖應力穩定階段。

（1）工作面距孔口位置由114.6m到103.5m，為未受采動影響階段，該回采范圍對鉆孔控制范圍內的巖層影響不明顯，電流比值多為1左右，僅厚層砂巖頂底界面附近電流比值有一定變化，具體如圖8所示。

（2）工作面距孔口位置由87.3m到82.3m，為超前應力影響階段，這段時間探測的電流比值變化緩慢，表現為厚層砂巖上下界面附近，電流比值略小于1或略大于1，為超前應力作用階段，具體如圖9所示。

（3）工作面距孔口位置由75.8m到59.3m，為覆巖破壞發育階段，探測范圍電流比值顯著下降，表明裂隙帶發育已達到鉆孔位置，具體如圖10所示。

（4）工作面距孔口位置由54.4m到9.8m，為圍巖應力穩定階段，探測范圍電流比值顯著較低，且有些區域比值已經為負值，表明裂隙帶發育趨于穩定，且可明顯區分出垮落帶高度約10m，導水裂隙帶高度約50m，如圖11所示。 以上探測結果可見，頂板順層方向電流比值極小范圍在垂直高度約10-12m處，可以反映垮落帶高度；煤層頂板垂直高度約50m以下，電流比值明顯低于0.5（后期明顯低于0.1），反映為裂隙發育區；煤層頂板垂直高度約50m以上，電流比值基本在0.5以上（后期比值大于0.1），隨采動無明顯的變化，為彎曲下沉帶范圍，這與物理實驗結果相吻合。

由以上研究結果，確定該巖性條件下工作面導水裂隙帶發育高度50m，據此，設計采區開采上限標高-535m，留設防水煤巖柱高度70m，1612（3）工作面面長200m。該面回采過程中未發生頂板突水事故。

4.結論

（1）物理試驗表明，復合關鍵層頂板呈現非同步破斷特征，當工作面推進達到充分采動時，上部關鍵層出現斷裂，形成采場頂板導水裂隙帶發育最大高度49.7m；利用電法測試技術電性解釋了覆巖破壞動態演化規律，得出采場覆巖導水裂隙帶發育高度50m，與物理模擬研究結果相互印證，確定該巖性特征條件下，采場導水裂隙發育最大高度50m；

（2）通過確定采區第二區段工作面導水裂隙發育高度，指導該采區第一區段工作面開采參數及防水煤巖柱留設尺寸，更能體現采場設計的科學合理性。