大同煤田石炭二疊系煤層頂板導水裂隙帶發育規律研究

繆小成

(大同煤礦集團有限責任公司)

煤層開采后，其上覆巖層按照破壞程度可劃分為“三帶”，而在實際生產過程中更為關注的是由“冒落帶”和“裂縫帶”組成的導水裂隙帶的高度。導水裂隙帶高度受諸多因素，如采高、巖體力學性質、頂板管理方法等的制約。特別是對于多層煤層的重復開采，由于頂板在重復采動的情況下遭到了多次破壞，致使其導水裂隙帶高度的確定方法往往更為復雜[1]。本研究以煤層開采的頂板巖層為典型應力單元，建立采動巖層疊加應力傳遞與形變迭代關聯模型，給出應力與形變的演化分析原理及方法，分析采動裂隙在上覆巖層“三帶”彎曲帶和裂隙帶中的分布與轉移特征，研究不同煤巖層結構條件下多重采動巖層的應力傳遞機理和裂隙的動態演化規律，揭示采場覆巖破壞失穩的應力場演化及裂隙分布的關聯機制[2]。

1 模擬原型的確定

以煤層開采的頂板巖層為典型應力單元，建立采動巖層疊加應力傳遞與形變迭代關聯模型，給出應力與形變的演化分析原理及方法，分析采動裂隙在上覆巖層“三帶”彎曲帶和裂隙帶中的分布與轉移特征，研究不同煤巖層結構條件下多重采動巖層的應力傳遞機理和裂隙的動態演化規律，揭示采場覆巖破壞失穩的應力場演化及裂隙分布的關聯機制，可以分析得到侏羅紀煤層開采完畢后頂板裂隙的導通情況[3-4]。

以同煤集團燕子山礦石炭—二疊紀山西組4號煤層為原型，該煤層對應上覆同煤集團馬脊梁礦開采的侏羅紀煤層，侏羅紀煤層先后開采4層煤，分別為 7#、11#、14-2#、14-3#煤層。

2 巖石物理力學特性實驗

同煤集團燕子山礦現場鉆孔獲取石炭二疊紀煤層頂板直至侏羅紀煤層頂板一定高度范圍內巖層的巖芯，將取得的巖芯在實驗室加工成標準試件并進行進行了單軸壓縮實驗和巴西劈裂實驗，掌握了研究范圍內巖層的物理、力學特性，為物理相似模擬實驗和數值模擬計算提供了依據[5]。

主要獲得如下結論。

(1)巖樣單軸壓縮的破壞形式大致分為3種：張拉破壞、剪切破壞、拉剪復合破壞；巴西劈裂的主要的破壞形態大致分為3種：單線型、雙線型、“Y”型。

(2)煤巖樣的單軸壓縮和巴西劈裂實驗載荷-位移曲線的形狀大體上是類似的，可劃分為4個階段：壓密階段、彈性變形階段、塑性階段和破壞階段。

(3)獲得了部分巖石的單軸抗壓強度、彈性模量、泊松比、單軸抗壓強度等物理力學參數，結合所查閱文獻和礦方提供的資料，對山4#煤層上部直到地表全地層的巖石物理力學參數表進行了補充和修改，試驗結果如表1所示。

表1 原巖物理力學參數

續表

3 覆巖結構模型試驗設計

相似材料試驗模擬從山西組4#煤層底板至11#煤層頂板，實現全層位相似模擬。試驗鋪設模型主要模擬11#、14-2#、14-3#與山西組4#煤層圍巖破壞及裂隙連通情況。

3.1 模型試驗臺及測試系統

相似材料模型試驗系統由模型試驗臺和測試及數據采集系統2部分組成，相似材料模型試驗采用長×高×寬=3.0 m×1.87 m×0.2 m 平面模型試驗臺和數字攝影測量系統。

3.2 相似材料選取

在選取相似材料時，基于以下原則。

(1)模型與原型相應部分材料的主要物理力學性能相似。

(2)力學指標穩定，不因大氣溫度、濕度變化而改變力學性能。

(3)改變配比后，能使其力學指標大幅度變化，以便選擇使用。

(4)制作方便，凝固時間短，便于鋪設。

根據以上原則及經驗，本次模型試驗選擇的相似材料。骨料：普通河砂(粒徑小于3 mm)；膠結材料：石膏、石灰；分層材料：云母粉。

3.3 相似模型參數計算(H代表原型，M代表模型)

模型模擬范圍為從11#煤層上方頂板52.83 m處到山西組4#煤層下方底板13.91 m處，共模擬33層煤巖層，模擬地層高度為148.45～429.46 m，共計281.01 m，模擬煤層走向長度為450 m。共鋪設86層煤巖層，其中山西組4#煤層高度6.1 m，取模型幾何相似比αL=LH/LM=150/1,容重相似系數αv=γH/γM=1.5/1，彈性模量與應力相似系數ασ,E=αγ/αL=225/1。

3.4 模型鋪設分層方案

模型分層方案的選取應嚴格遵守模擬地層的取舍原則。

(1)模型的分層鋪設厚度為1～4 cm，對于模擬的地層厚度小于0.3 m應綜合取舍。

(2)巖性接近的地層綜合，取加權平均的巖性參數。

(3)對巖層(堅硬、軟弱巖層)界面應嚴格確定。

3.5 監測儀器及測站布置

模型建立完成后，在模型中共布置橫向層位測線5條，縱向層位測線3條，埋設55個金屬應變傳感器測點。主要監測橫向與縱向層位的位移及應力變化，如圖1所示。同時在模型表面安設標記測點，供數字攝影測量系統采集分析使用[6]。

圖1 覆巖結構模型測點布置

3.6 模型加載

模擬區域頂部距離地面約158.45 m，巖石的密度區間為(2.52～2.85)×103kg/m3，垂直地應力區間為 3.91～4.43 MPa，根據應力相似，頂部氣囊加載 0.018 MPa，側向限制水平位移。

3.7 試驗過程

建立采動巖層疊加應力傳遞與形變迭代關聯模型，分析山西組 4#煤層采動裂隙在上覆巖層中的分布與轉移特征，研究采動巖層的應力傳遞機理和裂隙的動態演化規律。試驗中對模型的開采過程可以理解為工作面液壓支架的推移及放煤過程，整個模型的重點在于山西組 4#煤層與 14-3#煤層之間導水裂隙帶范圍及高度計算[7]。

實驗步驟如下。

(1)模型架共3 m，在模型架左右兩側各留出50 cm的邊界(代表實際距離為75 m)，以弱化邊界效應。

(2)模型中各煤層均為從右往左依次開挖，代表煤層沿走向方向推進；11#煤層、14-2煤層、14-3煤層、山4煤層，從上往下依次開采。

(3)煤層開采為一次采全高開采，煤層每次開挖的長度為2 cm(代表實際推進距離為3 m)。

4 覆巖破壞結構特征及位移變化規律

為了研究，按照試驗設計分別逐步開挖11#煤層、14-2#煤層、14-3#煤層、山4#煤層，從上往下依次開采，鋪設完成后，模型初始狀態如圖2所示。

圖2 模型初始狀態特征

4.1 11#煤層開采覆巖破壞特征

11#煤層厚度為4.17 m，11#煤層從右往左依次開采，先后經歷“開切眼—初次來壓—第一次周期來壓—多次周期來壓”等階段，直到開采完畢。

11#煤層開采后，堅硬頂板致使煤層開采過程中，周期來壓和初次來壓較普通頂板跨度大，具體表現為

(1)煤層開采后，直接頂垮落塊度較大，尺寸約為15～30 m，垮落跨度規整。

(2)基本頂滯后直接頂垮落，整個開采過程中，共伴隨3次較大的基本頂破斷，破斷步距為60～80 m，來壓規律明顯。

(3)部分直接頂垮落的位置和時刻，同時伴隨基本頂的破斷，會造成二次來壓，壓力顯現明顯。

4.2 14-2#煤層開采覆巖破壞特征

14-2#煤層厚度為2.69 m，14-2#煤層距離已開采的11#煤層間距為26～30 m，層間距較小，從右往左依次開采，直到開采完畢。

14-2#煤層由于與11#煤層間距較小，煤層開采后，并未出現明顯的大面積垮落，而是整體變形，具體表現為

(1)煤層開采后，煤層上方近30 m的頂板表現為緩慢下沉，無劇烈來壓。

(2)由于頂板的整體下沉，導致頂板來壓壓力較大，且為持續增壓狀態。

(3)頂板變形后，超前裂隙發育明顯，很容易導通上方11#煤層采空區，且隨著工作面推進，貫通裂隙逐漸增大增多，顯現明顯。

(4)14-2#煤層開采完畢后，采空區空間縮小明顯，工作面前后兩端，剪切貫通裂隙明顯。

4.3 14-3#煤層開采覆巖破壞特征

14-3#煤層厚度為2.82 m，14-3#煤層距離已開采的14-2#煤層間距為5.18 m，層間距非常小，從右往左依次開采，直到開采完畢。

由于與 14-3#煤層間距非常小，煤層開采后，頂板隨采隨垮，具體表現為：煤層開采后，煤層隨采隨垮，頂板破碎嚴重，立即與上部采空區導通，同時，垮落的頂板無法完全充填滿采空區，致使上部14-2#煤層的頂板繼續下沉，增加了與 11#煤層的貫通；至此，11#煤層、14-2#煤層、14-3#煤層3個煤層的采空區徹底貫通。

4.4 山4#煤層開采覆巖破壞特征

為分析山4#煤層開采完畢后，上覆巖層的垮落、離層、運移情況，試驗通過PhotoInfor圖像處理軟件進行巖層位移追蹤分析，根據圖像像素點坐標進行計算，輸出結果通過像素坐標和實際坐標換算，進行位移處理[8]。

實驗所用數字照相照片的像素為2 200萬像素，照片大小為5 760×3 840，所選測定范圍為4 000×1 800，對應模型架的尺寸為2.143 m×0.963 m，由于模型與現實的幾何相似比為1∶150，所以，所觀測區域對應煤礦現場的尺寸為321.45 m×144.45 m，像素對應現場的比值為1∶8.036 cm，即1個像素對應現實8.036 cm，100個像素對應8.036 m。通過以上區域的監測，可以分析山4#煤層頂板140 m以內區域的裂隙分布規律。

山4#煤層開采后上覆巖層導水裂隙帶的擴展范圍，具體表現為

(1)煤層開采后，頂板來壓明顯，整體呈塊體或板體破斷。

(2)由于煤層厚度為6.10 m，伴隨工作面推進，采空區空間為頂板垮落提供了充足的空間，頂板出現大范圍離層。

(3)一次基本頂來壓與二次基本頂來壓后，頂板破斷導通，形成大面積垮落離層，上覆巖層裂隙持續往上擴展。

(4)工作面開采完畢后，上覆巖層導水裂隙帶的高度約為98 m，但上覆裂隙的擴展具有滯后性，隨著時間的推移，還在繼續增高，最終高度可達到約106 m。

5 模擬結論

(1)11#煤層、14-2#煤層、14-3#煤層開采完畢后，導水裂隙貫通3個煤層所在區域，采空區連通，采空區積水下泄至14-2#或14-3#煤層。

(2)山西組4#煤層工作面開采完畢后，上覆巖層導水裂隙帶的高度約為98 m，但上覆裂隙的擴展具有滯后性，隨著時間的推移，還在繼續增高，最終高度可達到約106 m。

(3)通過相似模擬實驗監測，山4#煤層開采后，覆巖破壞波及范圍廣泛，頂板位移量變化明顯，煤層上方頂板25 m位置處，最大頂板下沉量為1.02 m。

(4)伴隨工作面推進，頂板裂隙繼續往覆巖上方延伸，山4#煤層上方87 m頂板位置處，頂板仍有41.24 cm 的下沉量。

(5)山4#煤層頂板139 m層位，頂板的下沉量已基本為零，頂板完整穩定，未與侏羅紀煤層采空區導通。

6 不同方法結果對比

6.1 經驗公式法

燕子山礦煤層上覆巖層巖性以粉砂巖、細粒砂巖為主，次為中粒砂巖及高嶺巖，呈互層結構。砂巖多膠結致密，裂隙不發育，巖石飽和抗壓強度介于20～40 MPa。燕子山煤礦采用綜合機械化放頂煤開采，全垮落式管理頂板，所以采用《礦區水文地質工程地質勘探規范》(GB 12719-91)附錄F的中硬巖類巖石冒落帶、導水裂隙帶最大高度的計算公式[9]：

Hm=(3～4)M，

(1)

(2)

式中，Hm為冒落帶最大高度，m；H為導水裂隙帶最大高度，m；M為煤層累計采厚，m；n為煤層分層層數。

燕子山礦山4#層8202面開采厚度為6.1 m，帶入公式可得，冒落帶最大高度為24.4 m，導水裂隙帶最大高度91.02 m。

6.2 相似材料模擬法

燕子山礦山4#層8202面相似材料模擬法最終高度可達到約106 m。

6.3 現場實測與類比法

同忻礦位于燕子山礦東南，其下組的石炭系3-5#煤層平均厚度為18.6 m。煤層開采后，導裂帶實測高度為150～170 m(根據經驗公式，導裂帶最大高度應在77 m左右)[10]。如果導裂帶高度按照煤層厚度線性變化，那么燕子山礦8202工作面的導裂帶高度應為48～55 m。

7 結 論

經驗公式中導水裂隙帶高度僅與煤層采厚、分層參數與覆巖屬性有關，而覆巖巖性結構的影響在經驗公式中沒有得到直接體現，考慮到雙系煤層開采復雜的工作面布置以及多煤層開采對覆巖巖性結構的擾動，相似材料模擬法彌補了經驗公式法的不足，動態模擬煤層開采過程中上覆基巖變形破壞的范圍及塑性分布情況，導水裂隙帶高度模擬結果更接近實測值。