覆巖采動裂隙演化規律相似材料模擬試驗

林建成，郭林生，李 可，郭魏虎，付航航，夏海斌，龍 航

(1.陜西彬長小莊礦業有限公司，陜西 彬州 713500；2.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054)

0 引言

我國著名學者錢鳴高院士[1]和劉天泉院士等[2]通過對煤層上覆巖層的破斷、運動規律深入系統的研究，提出了“橫三區”“豎三帶”的理論體系。在煤層開采后，由垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶組成的上覆巖層形態簡稱為“三帶”，覆巖性質、煤層傾角、煤層厚度、采面布置、采煤方法、頂板管理以及地質構造等因素會直接影響“三帶”的發育特征。覆巖裂隙演化規律的研究對指導礦井安全生產具有重要的實用價值。

目前，井下仰孔測漏法、微震監測、鉆孔窺視法、電法測試等[3-6]是我國煤礦現場觀測覆巖“三帶”演化的常用方法，在覆巖裂隙演化范圍的實測方面均有不錯的效果。為了能夠在試驗室通過測試手段觀測采動覆巖裂隙的演化形態，物理模擬、理論分析和數值模擬的方法相繼被采用，對此，國內外眾多學者也開展了一系列相關研究。林海飛等[7]采用物理相似模擬試驗結合現場工程實際的方法，建立了“采動裂隙圓角矩形梯臺帶”工程簡化模型。楊科等[8]將覆巖裂隙演化形態描述為“型高帽狀”。趙鵬翔等[9]基于山西和順某高瓦斯礦井主采工作面，開展了不同推進速度下的“三帶”演化規律物理相似模擬試驗，得到了“三帶”高度、平均來壓步距與推進速度之間的關系。黃志安等[10]利用FLAC軟件進行數值模擬，提出了“三帶”的界定準則，通過現場實測數據分析瓦斯抽采效果，證明了該界定方法在上覆巖層的“三帶”高度劃分中的合理、有效性。

鑒于此，基于巖體破壞特性，采用相似材料模擬試驗，對陜西彬長集團小莊煤礦40309工作面覆巖“三帶”高度進行研究，分析頂板覆巖變形破壞過程中裂隙的分布發育規律。

1 試驗設計

1.1 模型搭建及布置

表1 原型煤巖層的物理力學性質Table 1 Physical and mechanical properties of coal and rock

表2 上覆巖層模擬高度Table 2 Simulated height of overlying strata

1.2 模型配比計算

依據相似材料的性質及模型的特點，試驗選取沙子、石膏、淀粉、云母粉、煤粉等作為主要材料，試驗的材料配比計算見式(1)

G=(lmhγm×103)/g

(1)

式中，G為每個巖層中所有材料的總質量，kg；l為模型的長度，m；m為模型的厚度，m；h為模型中分層的高度，m；γm為模型中分層材料的容重，kN/m3；g為重力加速度，取9.8 N/kg。

在計算得出每層總質量的基礎上，根據每層中各材料在該層的占比，可求得各材料的用量，模型搭建配比表，見表3。

表3 煤巖層材料配比表Table 3 Material proportioning of coal and rock

1.3 試驗過程

試驗共分為模型搭建與模型開采2個階段。首先將模型按要求鋪設完成；待模型自然風干后，按工作面埋深在巖層上方加載對應的配重，并設置位移測點，其位移測點的布置如圖1所示。在模擬回采時，工作面兩側各留設10 m煤層作為煤柱，開切眼距離為8 m，并按時間相似比1∶10模擬工作面推進的過程。根據現場實際情況，使每次來壓步距與現場實際更加接近，在模擬工作面推進時，分別按照2 m、3 m依次循環推進。在每次開采完成后，待巖層活動穩定，拍照記錄巖層垮落形態，并測量出每個位移測點的下沉量、巖層貫通度、離層量及冒落帶高度與裂隙帶高度等。

圖1 位移測點布置示意Fig.1 Layout of displacement measuring points

2 覆巖裂隙演化規律分析

2.1 覆巖“三帶”分布規律

2.1.1 “三帶”演化過程

物理相似模擬試驗模擬工作面推進的巖層垮落形態變化，得到在采動過程中覆巖裂隙演化規律，圖2為工作面走向“三帶”演化分布特征。

在工作面回采過程中，采空區上覆巖層由彈性階段逐漸向塑性階段發展，并在此過程中逐漸下沉和垮落，最終形成覆巖“三帶”分布形態。在工作面推進10 m時，煤層直接頂產生裂隙，裂隙高度為9.5 m。當工作面推進至34 m處，直接頂垮落，垮落高度距煤層底板13.7 m，如圖2(a)所示。工作面推進154 m時，覆巖垮落高度58.5 m，離層裂隙距煤層底板最遠87.1 m，如圖2(b)所示。工作面推進200 m，垮落高度距煤層底板93.1 m，離層裂隙距煤層底板最遠109.4 m，如圖2(c)所示，可以清晰地看出主采工作面物理相似模擬試驗開挖過程中共經歷3次周期來壓，平均來壓步距38.7 m，老頂每次周期來壓時，垮落頂板都會顯示出特定的規律性，覆巖越靠上，垮落邊界就越靠后，垮落邊界在上位煤層的投影距離工作面越遠。煤層在未受采動影響前，處于原始的應力平衡狀態。當煤層開采后，在采空區上方的覆巖由彈性狀態逐漸向塑性狀態轉變。

圖2 覆巖垮落“三帶”演化圖Fig.2 Evolution map of “three zones” of overburden caving

2.1.2 裂隙區域

將壓實區邊界與裂隙區邊界用直線相連，可得到當模型內覆巖主關鍵層未接觸垮落矸石時，采場覆巖層平面輪廓為梯臺狀，隨著工作面的推進，采場覆巖層平面輪廓為梯形狀(如圖3所示)，沿煤層平面可形成“O”形圈或“回”形圈，即在三維空間上可形成典型的“采動裂隙圓角矩形梯臺帶”。裂隙區寬度在切眼附近約23.8 m(即0.7倍初次來壓步距)，回風巷及進風巷附近約17 m(約0.5倍初次來壓步距)，在工作面附近38.7～77.4 m(即1～2倍周期來壓步距)變化。

2.2 基于分形維數的裂隙演化規律分析

2.2.1 二值圖分析

對圖3進行二值圖分析，如圖4所示。可以看出壓實區處于中部，裂隙區位于壓實區的兩側和上方，對巖石區是半包圍的形態。上方的裂隙區內的裂隙主要為層間裂隙，周圍的裂隙區形成了溝通上、下工作面開切眼的裂隙區，并且按垮落角方向延展。為了更好地對研究區域內裂隙變化情況進行分析，將圖片進行分區處理，如圖5所示。其中，1～12為覆巖裂隙場分區編號，將裂隙場劃分為縱向12區和橫向12區，共144個子區域。由圖5可以看出，6-B，7-B，5-C，5-D，8-D等子區域裂隙占位明顯大于中間壓實區和兩邊巖層區域；而沿橫向6、7區上部也有少量裂隙分布。采空區中部垮落及斷裂帶裂隙特征是工作面中部的很大一部分有壓實的裂隙閉合現象，在靠近進回風巷方向，裂隙有產生并擴展的特征；模型裂隙密集區幾乎是沿橫向6、7區豎直向上發育的，而右邊裂隙密集區發育比較平緩。

圖3 走向模型裂隙區域劃分Fig.3 Fracture zone division of strike model

圖4 覆巖垮落最終形態二值圖Fig.4 Binary diagram of final form of overburden caving

圖5 覆巖裂隙場分區編號Fig.5 Zoning number for overburden fracture field

2.2.2 分形維數分析

由于整個裂隙場分區比較多，涉及裂隙位置也較多的原因，僅在此對縱向B，F區域裂隙占位面積的分形維值進行定量分析，如圖6所示。從圖6可以看出，縱向B區分形維數最大是在6-B、7-B區域附近，而縱向F區域分形維數分布中間小，兩邊大，是因為中間有壓實區域存在，而兩邊裂隙區一直向上發展，其它縱向區域同理，算出所有區域分形維數值，選取分維值大于1.4作為裂隙帶，可得到擬合曲線類似于橢拋帶形狀。綜合裂隙的定量描述，通過分析裂隙分維值的大小得出橢圓拋物帶區域是形成瓦斯流動的主要區域，是瓦斯抽采設計首要考慮布置抽采鉆孔的位置。

圖6 不同區域分形維數變化情況Fig.6 Variation of fractal dimension in different regions

3 工程實踐

3.1 高位鉆孔布置參數設置

40309綜放工作面主要利用預抽(邊采邊抽)、高抽巷抽采、高位鉆孔抽采、上隅角插管、回風巷排瓦斯治理工作面瓦斯，其中預抽(邊采邊抽)系統與高位鉆孔抽采系統同屬2#抽采系統，高抽巷抽采系統由3#抽采系統進行，上隅角插管抽采系統由5#抽采系統進行。通過對工作面瓦斯抽采系統的抽采純量、抽采占比與時間等因素關系的分析，可以得到該工作面的瓦斯抽采規律。

3.2 瓦斯抽采效果分析

40309綜采工作面絕對瓦斯涌出量由瓦斯抽采量與瓦斯風排量組成，定義工作面瓦斯抽采量與絕對瓦斯涌出量的比值為瓦斯抽采占比。工作面抽采量與抽采率隨時間的變化如圖7所示。由圖7可知，工作面瓦斯抽采量為17.55～38.15 m3/min，平均24.75 m3/min，瓦斯抽采率為81.4%～91.2%，平均86.2%。瓦斯抽采占比與量大致呈同增同減狀態，變化規律一致。

圖7 瓦斯抽采量、抽采率隨時間變化關系Fig.7 Relationship between gas extraction amount and extraction rate with time

4 結論

(1)研究工作面回采過程中上覆巖層垮落時空演化規律，并確定工作面采動卸壓“豎三帶”及“橫三區”的范圍，為高位鉆孔合理布置范圍提供依據。

(2)采用理論計算、物理相似模擬等手段，綜合分析可知40309綜放工作面裂隙帶高度范圍為37～80.45 m，同時還得到工作面的初次來壓步距約為36 m，平均來壓步距38.7 m。

(3)40309工作面回采過程中，瓦斯抽采量與瓦斯抽采占比隨時間變化同增同減，瓦斯抽采量為17.55～38.15 m3/min，平均24.75 m3/min，瓦斯抽采率為81.4%～91.2%，平均86.2%。