寺家莊煤礦15106采煤工作面覆巖裂隙“三帶”規律研究

余北建

(陽泉煤業(集團)有限責任公司，山西 陽泉 045000)

傳統“三帶”理論認為[1]，工作面向前推進，頂板巖層懸露繼而破壞垮落，在頂板垮落過程中，上覆巖層可形成垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，三個巖層移動和變形各有特點的空間區域。煤炭在地下開采過程中，巖體不斷受到擾動，應力重新分布并引起采場圍巖破斷垮落[2]。國內外學者就礦山壓力與巖層移動開展了大量研究工作，提出了“壓力拱假說”“自然平衡拱”“懸臂梁假說”“預成裂隙假說”“膠接巖塊假說”和“傳遞巖梁假說”等多種理論假說[3-5]。

寺家莊煤礦布置底抽巷抽采上覆煤層瓦斯掩護巷道掘進，回采期間需布置高位瓦斯抽放巷、低位瓦斯抽放巷以治理采空區與上隅角瓦斯，一個工作面的回采需要布置6條巷道，致使煤礦現場施工管理條件復雜、工程量大、采掘銜接異常困難，將底板巖石抽放巷與低位瓦斯抽放巷合二為一，既可用于預抽本煤層瓦斯掩護煤巷掘進，也可兼顧抽采上隅角與采空區瓦斯。因此應先研究工作面回采過程中上覆巖層裂隙動態發育規律，分析劃定裂隙發育帶區域。寺家莊煤礦15106工作面覆巖破壞規律的研究手段包括理論分析[6]、數值模擬[7-9]、相似材料模擬實驗[10-13]，得到覆巖裂隙動態發育規律，劃分“三帶”高度。

1 工程概況

寺家莊煤礦15106綜采工作面主采15#煤層，平均埋深480 m。 15106工作面可采走向長度1 484 m，采長286.2 m，共有5條巷道，分別為進風巷、工作面底板巖石預抽巷、高抽巷、工作面低位抽放巷、回風巷，采用“一進兩回”通風方式。工作面正常日推進度定為6.4 m，15106工作面15#煤層平均厚度為5.4 m，平均傾角4°，賦存穩定。15#煤層硬度f≤5，礦井為突出礦井，工作面原始瓦斯含量最高達到11.04 m3/t；預抽后瓦斯含量小于8 m3/t，突出危險性較小。工作面瓦斯壓力較小，在0.1～0.5 MPa之間。15106綜采工作面存在2個地面鉆孔，結合礦井綜合柱狀圖得到采面覆巖巖性及厚度。

2 覆巖“三帶”理論計算

“三帶”是指當煤層開采后，采空區周圍巖體便會產生巖體的移動變形，當巖體的變形和移動超過圍巖體極限變形時，巖體便會發生破壞。根據覆巖移動破壞程度，可以將上覆巖層移動區域分為“三帶”，即冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。

根據礦壓控制相關理論，一般工作面頂板上覆巖層垮落帶最大高度中硬覆巖用式(1)計算，堅硬覆巖用式(2)計算。

(1)

(2)

式中，M采為煤層采高，取5.4 m。

緊挨煤層上部是較薄的泥巖，上部具有較厚的細砂巖，再往上是堅硬的石灰巖，整體屬于中硬和堅硬之間，所以垮落帶高度為14.37～17.25 m。裂隙帶最大高度堅硬覆巖計算見式(3)。

(3)

式中，M裂為裂隙帶高度,m。

由于覆巖具有較多的石灰巖和砂巖，整體屬于堅硬巖石，所以裂隙帶高度為54.8～72.6 m。

3 覆巖裂隙UDEC軟件模擬

3.1 數值模型

通用離散元程序UDEC6.0軟件中，基于15106面上覆巖層巖性及厚度建立500 m×120 m的二維模型，依據巖性選取Mohr-Coulomb塑性模型對應的巖層參數，主要研究區域采用細網格單元劃分，其他研究區域采用逐漸增大的不等單元網格劃分，網格劃分見圖1。根據煤層賦存條件，設定重力加速度，模型頂部簡化為均布載荷9.5 MPa，重力梯度設為24 kPa/m，側壓系數設為1，模型底部和兩側的垂直方向位移速度設為零。模型設計共計回采25次，每次8 m，共回采200 m，模型中距離煤層低板分別為0 m、5.4 m、23.4 m、41.4 m、71.4 m處即煤層底板、煤層頂板、k2石灰巖底板、k3石灰巖底板、k4石灰巖底板設置監測線、監測位移和應力。

圖1 網格劃分模型圖

3.2 模擬結果

模型分別回采40 m、112 m、200 m時，分別距離煤層底板0 m、41.4 m、71.4 m處監測線垂直應力分布見圖2?；夭芍?0 m處，未出現垮落，采空區兩端呈現垂直應力集中，采空區內部在煤層底板處垂直應力接近為零，臨近覆巖處垂直應力降低。回采至112 m時頂板已經垮落，回采至200 m時，采空區中心部分覆巖重新壓實，垂直應力增大，煤層底板和k3石灰巖底板處應力變化較大，k4石灰巖底板處應力變化較小，受采動影響較小。

回采200 m時的覆巖裂隙分布見圖3。圖3中下方方框區域巖塊已經完全垮落，失去原有形態，裂隙分布較多。其高度為k2石灰巖底板，距離煤層頂板18 m，即為跨落帶高度。圖3中上方方框區域，裂隙分布較較為廣泛，不僅有離層裂隙，穿層裂隙也較為均勻分布，其高度位于k4石灰巖底板，距離煤層頂板66 m，為裂隙帶。而66 m以上，采空區中部巖層近乎沒有穿層裂隙，這些巖層基本符合整體移動，是彎曲下沉帶。

圖2 監測線處垂直應力分布

圖3 回采200 m時裂隙分布圖

4 覆巖裂隙相似模擬實驗

4.1 實驗模型

相似模擬實驗是為了研究工作面覆巖裂隙發育規律，基于試驗臺尺寸：長×寬×高為3 000 mm×250 mm×2 000 mm。設定模型與實體之間的幾何相似比為200、時間相似比為14.14、應力相似比為320。實驗模型中設定位移觀測點，相似材料為沙子、石灰、石膏和水，按照相似比配比模型材料。模型模擬煤巖層范圍：底板以下12.6 m，頂板以上至地表480 m，煤層平均厚5.4 m，共計模擬煤巖層高度約498 m，采用模擬材料高度約280 m，其余高度才用配重模擬至地表，配重高約218 m。

4.2 回采過程

模型中每次回采5 cm，然后記錄位移、應變、破斷角、垮落距、垮落高、裂隙發育情況等，其中回采58 cm、120 cm、208 cm時模型狀態見圖4。

4.3 覆巖裂隙形態分析

回采距離稱為采距用L表示。直接頂每次破斷長度、高度稱直接頂跨距、跨高。煤層上覆巖層每次的最高破斷長度、高度稱為老頂跨距、跨高?；夭芍懈矌r破斷距及破斷層高見圖5。直接頂垮落層高基本為2 cm，初次破斷距為28 cm，周期破斷距基本穩定在7 cm。老頂垮落層高基本穩定在9 cm，初次破斷距38 cm，周期破斷距基本穩定在15 cm。老頂垮落破斷距大致是直接頂垮落破斷距的二倍?？傻每迓鋷Ц叨葹? cm，實際為18 m。

圖4 監測線處垂直應力分布

圖5 采距與垮落關系

煤層上覆巖層受煤層回采影響，發生明顯移動的巖層高度稱為移動層高，用H表示，移動層高與上部未發生移動的巖層間空隙的垂距稱空隙高，用h表示。采距與移動層高、空隙高關系見圖6。

采距大致為移動層高的二倍，隨工作面回采移動層高穩定一段距離后會跳躍式升高。隨工作面回采，空隙高在開始達到最大值后逐漸降低，且下降幅值逐漸減小，達到最小值后，采空區重新壓實后，空隙高略有上升，推測此后空隙高隨移動高呈現周期變化，變動幅值不大。

覆巖的碎脹性可由移動層高的差值與空隙高差值比表征，分別分析回采過程中累計及移動層高的差值與空隙高差值比，見圖7。煤層回采85 cm時，移動層高為32 cm，煤層回采90 cm時，移動層高為47 cm。分析煤層回采過程中空隙高差比上移動層高差的值與移動層高關系可知，移動層高為32 cm時其值平穩較大，移動層高達到47 cm時其值有較大下降并持續下降，可以得出覆巖高32 cm時巖石碎脹性較大，其裂隙也發育，高出32 cm后覆巖碎脹性較小其裂隙發育也不充分。由此可以得出裂隙帶上限高為32 cm，實際為64 m。

圖6 采距與移動層高、空隙高關系

圖7 移動層高與比值關系

4.4 覆巖“三帶”判定

理論分析、數值模擬和模型實驗得到覆巖“三帶”高度對比見圖8。以堅硬的石灰巖高度為準，確定垮落帶高18 m，裂隙帶高66 m。

圖8 “三帶”高度對比示意圖

5 結 論

理論分析、數值模擬和模型實驗得到覆巖“三帶”高度基本一致，以堅硬的石灰巖高度為準，確定垮落帶高18 m，裂隙帶高66 m，為高抽巷層位選取提供了一定的理論指導。

1) 根據礦業控制理論，結合覆巖巖性及層厚，得到垮落帶高度為14.37～17.25 m，裂隙帶最大高度為54.8～72.6 m。

2) 基于UDEC軟件程序，模擬得到k2石灰巖底板距離煤層頂板18 m為跨落帶高度，k4石灰巖底板距離煤層頂板66 m為裂隙帶，66 m以上為彎曲下沉帶。

3) 根據相似模型實驗得到垮落帶高度為18 m，裂隙帶高度為64 m。