采空區上覆巖層采動破壞特征研究

【摘要】：煤礦地層中的煤矸石或煤炭資源被回采完畢、運出地下后，不可避免地形成一定空間的空洞或空腔稱為采空區，現代研究把采空區歸類為多孔介質。綜放工作面的割煤、放頂工作持續不斷，液壓支架不斷向前移動，支架后方的采空區面積不斷增加。由于煤層的支撐應力突然消失，己開采煤體上方的煤矸石、巖層，受自身重力和上部巖層壓力的影響，必定會發生一定程度的破壞、沉降及冒落。對于采動影響下的上覆巖層破壞規律，經典礦壓理論按照裂隙發育程度在豎直方向上將采空區劃分為\"豎三帶\"在水平方向上將采空區劃分為\"橫三區\"。

【關鍵詞】：采空區；上覆巖層；特征

一、采空區各區帶劃分

綜采放頂煤開采條件下，采空區垂直方向上可劃分為璋落帶（冒落帶）、斷裂帶（裂隙帶）和彎曲下沉帶。

（1）跨落帶（冒落帶）。采煤工作面正常回采推進后導致上覆直接頂徹底垮落，形成密實度差、不規則和碎脹的采空區空間，稱為冒落帶，也叫跨落帶。綜放工作面的割煤、放頂工作不斷進行，由于煤層的支撐應力突然消失，己開采煤體上方的直接頂，受自身重力和上部巖層壓力的影響，不斷垮落。回采初期，采空區面積不大、頂板關鍵層下方存在空隙，這主要是因為關鍵層通過形成砌體梁結構來實現應力平衡，頂板停止冒落。通常情況下，破碎煤巖體不規則、不整齊地排列在采空區冒落帶內。之所以冒落煤巖塊間隙大、連通性好、氣體流通性強，是因為冒落帶煤巖碎脹系數比較大。然而冒落破碎巖石具有可壓縮性，綜放工作不斷進行過程中，頂板周期來壓的作用下，重新壓實了采空區后方的冒落巖石，形成荷載影響區和壓實穩定區。

（2）斷裂帶（裂隙帶）。老頂巖層在彎曲下沉變形的過程中，不斷離層，產生大量離層間隙；同時在沿層理方向拉應力的作用下，巖層破斷、產生大量豎直或傾斜的破斷裂隙，飽含離層裂隙與破斷裂隙的區域就是裂隙帶。雖然裂隙帶內巖層未能充分破碎垮落，但是出現了大量離層、破斷裂隙，巖層已經改變了原有結構。在裂隙帶下部與垮落帶接近的的巖石層斷裂變形會很明顯，而在裂隙帶上部分巖石層的斷裂變形卻很小，將斷裂帶在堅直方向斷裂變形分成三種：微小開裂、一般開裂和嚴重斷裂。采空區上部裂隙充分發育度后，破斷楚隙和離層裂隙溝通，上鄰近層的泄壓瓦斯和圍巖瓦斯肯定會通過裂隙運移至此帶內。再加上冒落帶和裂隙帶是直接連通的，如果大量高濃度瓦斯積聚在裂隙帶內，瓦斯反而向支架面后方的采空區運移，有時可能直接涌向工作面，造成工作面、上隅角及回風巷瓦斯超限，嚴重制約了綜采放頂煤工作面的安全高效持續回采工作，存在安全隱患。

（3）彎曲下沉帶。指的是斷裂帶上面巖層會整體性地發生彎曲并緩慢向下沉陷的巖層區帶。彎曲下沉帶巖層各個部分發生向下沉陷的位移差距很小，沒有離層裂縫的存在。彎曲下沉帶內巖層即不會離層破斷也不會破碎垮落，巖體總體上還是本來的層位和整體性，巖層的整體移動過程是連續的、規律的、平緩的。因此彎曲下沉帶采動影響小、各種裂隙少，更不可能形成導氣裂隙網絡。上覆巖層的巖性及開采煤層的厚度決定了彎曲下沉帶的高度。

（4）其他各區帶。水平方向上，彎曲下沉帶的煤巖層，可劃分為煤壁支撐影響區、巖石離層區和重新壓實區。在冒落帶內部，由于距王作面距離和所受壓力不同，可劃分為自由堆積區、載荷影響區和壓實穩定區。自由堆積區是指直接頂跨落后，由于上覆巖層基本處于穩定狀態，所璋落巖塊處于自由堆積狀態，沒有承受壓力。載荷影響區，指隨著采煤工作面推進，原本自由堆積的巖塊初步承受應力，透氣性系數有所降低。壓實穩定區，處在采空區深處，是指多次放頂煤以后，跨落巖塊經過頂板壓力反復沖擊，己處于巖石穩定狀態，巖塊間孔隙率很小。

二、O型圈理論

0型圈理論是另外一種經典且被諸多學者廣泛接受認可的采空區理論。隨著工作面的不斷推進，上覆巖層的不斷垮落，當采煤工作面推進到一定距離后，采空區中部跨落巖塊受到上覆巖層重力、頂板壓力反復沖擊，逐漸被重新壓實。而采空區兩側及開切眼位置受到煤壁的支撐作用、工作面位置受到支架面及煤層的支撐作用，采空區四周邊緣仍然存在一個連通的離層裂隙發育區形狀類似\"0\"型的裂隙帶，如下圖1。

三、采動裂隙演化規律

（1）煤層從開切眼到初次放頂階段。煤層頂板上覆巖層從彈性彎曲形變逐步演變為下沉、離層、破斷、垮落，各種裂隙不斷產生、變多變大并相互連通，孔隙率較大，氣體流通性較強。由于采空區面積較小，直接頂璋落，冒落帶上方巖層在關鍵層作用下基本上保持穩定不變，垮落煤巖塊呈現自由堆積狀態，整體上并未受到上覆巖層壓力的影響。

（2）從初次放頂到穩定回采階段。此階段采空區中部早先培落的巖塊逐步被壓實，但由于采空區開切眼、支架面、兩側煤壁的支撐作用，采空區邊緣區域逐步形成0型圈。同時冒落帶上覆巖層也在逐步破斷，形成離層裂隙和穿層裂隙，一般孔隙率較高。

（3）穩定回采階段。該階段是礦井生產中最關鍵時期，也是各項研究工作的重點。隨著采煤工作面不斷推進，煤壁支撐影響區在放頂作用下，靠近工作面的直接頂不斷破碎垮落，在冒落帶形成約幾十米范圍的自由堆積區，其不受壓力，孔隙發達，孔隙率一般在，是采空區漏風的主要部分；自由堆積區后方部分由于初次受到上覆巖層的應力作用，孔隙逐漸變小，孔隙率變小，形成載荷影響區；深部店實穩定區域范圍逐漸變大，瓦斯濃度較高，裂隙較少，孔隙率較低。壓實穩定區后部上方便是\"橫三區\"的重新壓實區，由于下方受到壓實穩定區培落巖石的強力支撐，上方由于重力、沉降作用等逐漸穩定。裂隙逐漸變少變小，孔隙率很低。冒落帶上方便是裂隙帶，也是巖石離層區的一部分，該區域由于下部得不到有力支撐，巖石破斷下沉。形成離層裂隙和穿層裂隙，是瓦斯運移和聚集的最主要區域，該部分中下部孔隙發育，孔隙率一般在，是采空區瓦斯治理和抽采的最主要區域。

（4）煤層回采完畢采空區封閉階段。由于采空區范圍穩定下來，在上覆巖層重新壓實沉降作用下，采空區冒落帶、裂隙帶孔隙逐漸變小，直至閉合。當然能夠在裂隙帶進行老空區瓦斯抽采工作，保障老空區安全及上下臨近層的安全高效回采。

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