采動覆巖冒裂安全性分級分區預測研究

楊皓博

(陜西彬長小莊礦業有限公司，陜西省咸陽市，713500)

隨著小莊煤礦4#煤層采煤工作面的持續推進，頂板破碎冒落、導水裂隙帶及含水層裂隙發育等情況是煤層開采冒裂安全性分級分區面臨的首要問題。采煤厚度、圍巖性質、煤層傾角、采煤工藝、頂底板管理方式等因素嚴重影響導水裂隙帶發育高度，普適計算公式難以總結。基于煤層埋深、多層煤采動覆巖均被視為散粒體不連續介質，巖層移動具有隨機性，建立開采沉陷隨機介質理論以及巖層移動“三帶”理論，礦山巖體采動影響與控制工程學等應用技術隨之產生。煤層覆巖對采煤沉陷機理和特征的影響分為覆巖性質、斷層、節理、構造應力等情況。關鍵層控制地表沉陷，對離層、裂隙發育和時空分布起關鍵作用，關鍵層位置決定了下部巖層離層發育情況和離層分布特征。據此，托板理論、砌體梁理論、關鍵層控制理論等相應而生。上覆巖層主關鍵層與開采煤層距離存在臨界值，且臨界距離和煤層采高、頂板破碎垮落密實程度、關鍵層裂隙發育程度等息息相關。節理裂隙持續發育對覆巖破壞進一步加劇，且對采動巖體裂隙發育、擴展及分布起主控作用。分析小莊煤礦開采過程中頂板冒落帶高度與含水層位置關系，進行采動覆巖冒裂安全性分級分區預測研究，為小莊煤礦安全高效開采提供參考。

1 工程概況

小莊煤礦主充水含水層富水性差且對礦井充水危害較小，頂板以進水型充水為主。隨著采煤工作面的持續推進，導水裂隙帶發育擴展，白堊系洛河組砂巖孔隙—裂隙含水層中的地下水可通過特殊地質區段滲入工作面。小莊礦煤層頂板含水層分富水性較強區、中等區和較弱區。其中，礦井西面二、四盤區含水層富水性較強，占地6.76 km2，屬于承壓含水層主分布區；礦井西北面富水性中等，占地19.30 km2；礦井東南面富水性較弱，占地20.31 km2。煤層覆巖對采煤沉陷機理和特征的影響分為覆巖性質、斷層、節理、構造應力等情況。關鍵層控制地表沉陷，對離層、裂隙發育和時空分布起關鍵作用，關鍵層位置決定了下部巖層離層發育情況和離層分布特征。鉆孔水文地質條件數據見表1。

表1 鉆孔水文地質條件數據

2 煤層開采“兩帶”發育高度確定

針對冒裂帶高度進行預測，分析得出井田冒裂帶高度預計的經驗公式，為采動覆巖冒裂安全性分級分區預測提供理論支持。《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》(簡稱《規程》)冒落帶計算公式：

.2(1)

式中：Hc——冒落帶高度，m；

∑m——累計采厚。

據《煤礦防治水規定》第七十二條(簡稱《規定》)，導水裂隙帶高度計算公式：

±4.0(2)

式中：Hli——導水裂隙帶高度。

《礦區水文地質工程地質勘探規范》(GB12719-91)附錄F(以下簡稱《規范》)，冒落帶計算公式：

H=4M(3)

導水裂隙帶公式：

±5.1(4)

式中：H——冒落帶高度，m；

Hf——導水裂隙帶高度，m；

M——累計采厚，m；

n——煤分層層數，取1。

根據工作面涌水、地層情況及相關理論公式分析得到表2數據，為煤層頂板冒裂數值計算和安全性分級分區預測奠定基礎。

表2 煤層開采“兩帶”劃分

3 采煤工作面開采覆巖破壞數值模擬

3.1 數值計算模型建立

計算中選用三維有限差分程序FLAC3D，根據巖層鉆孔柱狀特征和煤層開采布局構建數值計算模型。針對小莊煤礦40201工作面回采情況進行模擬，為煤層安全回采提供工程防治措施參考數據。4#煤層為主采煤層，偽頂是小于0.5 m的炭質泥巖，不規則分布；直接頂是泥巖及薄煤層4-1煤層；老頂為砂質泥巖，局部可見中細砂巖直接沖刷煤層形成頂板；底板巖性為泥巖、炭質泥巖。煤層上覆巖層平均厚度400 m，最大厚度為523.12 m。按照實際情況與開挖條件，建立三維模型尺寸為1200 m×800 m×600 m(X工作面走向長度×Y工作面傾向寬度×Z方向高度)，其中X走向方向兩邊留保護煤柱各300 m，Y傾向方向兩邊各向外延伸300 m，高度Z依據鉆孔數據確定，煤層頂板為516 m厚巖土層、底板為25 m巖層，煤巖層鉆孔柱狀特征見圖1。模型建成后初始應力場形成，每個單元格初始應力值為10-6數量級，模型各層應力穩定后達到原始開挖狀態。根據實際工作流程，工作面推進方向為X軸正方向，工作面采寬200 m，回采600 m，工作面每步開挖20 m，全過程分30步模擬工作面持續推進。數值計算模型尺寸見圖2。

圖1 巖層鉆孔柱狀特征

圖2 數值計算模型尺寸

3.2 采動覆巖冒裂數值計算分析

工作面回采過程中巷道圍巖應力分布如圖3所示。由圖3(a)可以看出，工作面回采30 m時圍巖由于受重力作用，煤層裸露頂板覆巖向采空區移動，覆巖運移規律自采空區中心向四周持續擴展，拉伸應力分布區呈U型分布。前后煤壁主要支撐上覆基巖層重力，所受壓應力最大值達4.20 MPa。工作面頂板產生局部應力集中現象，兩煤層上分段回采后均遺留下大面積懸空頂，在綜合應力(自重應力為主)作用下懸空頂以其傾向深部層位局部煤巖體為“支點”向采空區方向產生下壓變形，造成“支點”以下局部范圍頂板處于上撬受力狀態，“支點”以上局部范圍頂板處于下壓受力狀態，形成傾向撬壓效應。礦井采用單水平立井開拓方式，設計采3.6 m放9 m，實際采3.5～3.8 m放12 m，最大采放厚度可達13 m。頂板首次來壓出現在距開切眼48 m，第二次來壓出現在距開切眼92.3 m，第三次來壓距開切眼131 m。據此，工作面周期來壓步距42～52 m。當開采厚度達13 m時，煤層開挖50 m時，直接頂和4-1煤層發生塑性變形，老頂圍巖保持穩定，開采步距達60 m時，老頂破壞，破壞厚度達26 m，即初次來壓步距40～60 m。工作面開采至600 m時，直接頂、老頂遭到破壞，巨厚層含礫粗砂巖底部出現塑性破壞，破壞高度為80 m，塑性破壞180 m，而地表黃土層也出現塑性破壞。上覆巖層出現“三帶”(即冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶)，且冒裂帶(冒落帶和裂隙帶)高度達180 m。當開采厚度達13 m時，根據冒裂帶高度計算公式，冒裂帶高度達174 m，裂采比13.5∶1。

圖3 工作面回采過程中巷道圍巖應力分布

3.3 采動覆巖冒裂變化特征分析

通過FLAC3D數值計算模擬結果，隨著工作面持續推進對圍巖變形產生的位移進行收集并繪制成圖形，對比工作面每次推進時產生的位移變化量，分析采動覆巖冒裂相對變化。為了全面地描述變形破壞特征，采用每次掘進變化量對比局部特殊點位移變化來作為圍巖變形特征指標。采動覆巖冒裂變特征如圖4所示。由圖4可以得出，隨著時間的推移覆巖變形位移量在增大，反映出采空區應力在持續釋放。隨著掘進的持續深入，對第1次、第2次工作面掘進圍巖位移變形量做差得到相對位移變化量，隨著時間的推移呈現逐步上升趨勢，工作面最大變形量發生在頂板位置，最大微應變相對變化量是290.3 με/s。接下來工作面發生最大微應變相對變化量是172.5 με/s。在工作面底部圍巖受力最小且變形量也最小。

圖4 采動覆巖冒裂變特征

圖5 覆巖冒裂微應變相對變化量

覆巖冒裂微應變相對變化量如圖5所示。由圖5可以看出，圍巖局部特殊點位移變形規律在工作面掘進工作完成后實施全部監測，相對最大變形量發生在工作面頂板位置，所以選取該部所在位置為局部特殊點位進行綜合分析。當工作面再次受到采動影響時，頂底板圍巖將會出現更多的變形和破壞，這導致工作面快速失效和不穩定。伴隨著工作面的持續向前推進，巷道受掘進擾動作用而產生圍巖局部應力集中現象，由此形成差異性的物理力學區域，但最終會處于應力平衡狀態。最大變形量為143.5 με/s，可見頂板受力呈對稱分布規律。當巷道受到巷道掘進的干擾影響時，巷道會增加圍巖松動圈的范圍，同時發生變形和破壞，從而導致圍巖穩定性的降低和應力環境的破壞。當巷道再次受到影響時，圍巖的變形和破壞會加劇，巷道的穩定性也會被破壞。當巷道再次受到干擾時，巷道圍巖的變形和破壞將會更加嚴重，這使得巷道支護的失效和不穩定性迅速增加。

4 煤層頂板冒裂安全性分級分區預測

(1)采動覆巖冒裂安全性分級預測。煤層頂板冒裂安全性分級分區預測如圖6所示。由圖6可以看出，通過計算導水裂隙帶發育高度和洛河組高度差，將井田冒裂安全性劃分為危險性強區、危險性中區、危險性弱區及安全區。煤層頂板冒裂安全性分區見表3。

表3 煤層頂板冒裂安全性分區見

相對安全區中，導水裂隙帶高度距離洛河組含水層遠近各異，相對安全區中安全性也不同，16倍裂采比并非可靠，基于導水裂隙帶高度距離洛河組含水層的距離，將相對安全區劃分為危險性中區、危險性弱區和安全區。

(2)煤層頂板冒裂安全性分區預測。綜合考慮4#煤層頂板冒裂安全性分區預測的裂采比為16：1，基于小莊礦鉆孔數據和裂采比，估算4#煤層導水裂隙帶高度，導水裂隙帶高度減去4#煤層至洛河組底板距離來判斷導水裂隙帶是否溝通洛河組含水層(用Δ表示差值)。其中，Δ=0表示安全性臨界值，Δ>0表示為危險區，Δ<0表示相對安全區，4#煤層開采可導通洛河組的面積為8.12 km2，占總面積的21%。當導水裂隙帶高度距離洛河組含水層底界Δ<30 m時，區域屬危險性中區，當30 m<Δ<80 m時，區域劃分為危險性弱區，當Δ>80 m時，區域劃分為安全區(30 m、80 m分界值根據鄰近礦井裂采比值有大于20倍的現象給出的粗略分界值)。

圖6 煤層頂板冒裂安全性分級分區預測

5 結論

(1)通過《規定》、《規程》和《規范》中“兩帶”高度確定公式，針對冒裂帶高度進行預測，分析得出井田冒裂帶高度預計的經驗公式，得出裂采比16∶1。

(2)基于有限元數值計算軟件FLAC3D對小莊煤礦40201工作面進行模擬，結果顯示，頂板初次來壓距開切眼42～52 m，現場初次來壓步距47 m，數值計算和現場結果兩者一致。且工作面開采至600 m處時，頂板產生塑性破壞(冒裂帶)高度達174 m，裂采比是13.5∶1。

(3)綜采放頂煤采高13 m條件下，冒裂帶高度達到189 m。煤層頂板至洛河組含水層的高度差，確定冒裂安全性劃分為冒裂危險強、中、弱及安全區。