綜放工作面垮落帶高度測定方法研究

張 峰，車禹恒，題正義，秦洪巖，李佳臻

(1.山西工程技術學院 采礦工程系，山西 陽泉 045000； 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037；3.遼寧工程技術大學 礦業學院，遼寧 阜新 123000； 4.華北科技學院 安全工程學院，北京 101601)

當綜放工作面煤層開采后頂板巖層變形超限時，巖體會出現斷裂、垮落、片幫和局部冒頂等現象，給工作面安全生產帶來諸多的困難和影響，因此準確判斷垮落巖體的發育高度和發育范圍，提前采取支護措施，能保證工作面的順利開采，降低開采過程中的危險系數；同時，也能為高瓦斯煤層中瓦斯抽采鉆孔精確位置的確定提供依據。近年來，國內許多專家學者對垮落帶發育高度進行了大量的研究[1-5]。李煥[6]、王兆豐[7]等采用現場觀測和經驗公式計算設計了高位鉆孔的施工參數；方前程等[8]采用鉆孔返水計量法對相鄰工作面垮落帶高度進行測定，并通過Matlab軟件對測試結果進行線性回歸處理，得到垮落帶高度的計算公式；王亞楠[9]采用數值模擬方法對工作面的垮落帶高度進行研究，為工作面周期來壓、頂板含水層位安全性分析及礦井防沖提供了指導；田靈濤[10]利用彩色鉆孔電視研究了垮落帶發育高度及范圍，對礦井瓦斯抽采具有技術指導意義。現常用的垮落帶高度測定方法主要有理論計算、灌水試驗和鉆孔電視等，但現場采動條件復雜多變，這些測定方法常常受到影響，觀測精度難以保證，而且鉆孔電視的費用較高，經濟實用性較差。因此，尋求一種經濟成本低、精度高的垮落帶測定方法和測定裝置，對煤礦開采過程中的頂板控制和瓦斯抽采設計具有重要意義。

筆者依據工作面采動后頂板巖層破斷垮落、彎曲下沉對采空區煤層底板施加壓力的情況，結合采空區上覆各巖層的厚度和密度，提出了垮落帶發育高度的測定方法及計算公式，并應用于現場，以期為類似條件下垮落帶高度的測定提供參考。

1 測定方法

1.1 采空區巖層的破壞規律

煤層開采后采空區上覆頂板巖層經歷了基本頂破斷前的垮落、基本頂破斷回轉壓縮垮落巖體、基本頂回轉運動趨于穩定3個階段[11-12]，如圖1所示。

圖1 采空區煤層底板受到的壓力變化過程示意圖

第一階段是基本頂破斷前階段，煤層直接頂隨工作面回采而垮落，垮落后的巖石在自重作用下，發生翻轉、堆積，隨著垮落巖體上覆自由空間的減小，巖體垮落的程度和強度都會降低，由于此階段待垮落巖層的自由下沉空間最大，巖體達到破斷、垮落的條件最優越，所以巖體垮落的速度最快，垮落巖體對煤層底板的壓力變化速率最大。

第二階段是基本頂破斷回轉壓縮采空區垮落巖體階段，隨著垮落巖體上覆自由空間的減小，當基本頂回轉運動觸及垮落的巖體時，會對下部垮落的巖體產生壓縮作用力，使垮落巖體的體積減小，且垮落巖體上覆的自由空間增大，回轉部分的巖體也隨之滑移、下落，并充滿采空區。此時基本頂的回轉移動會使煤層底板受力緩慢增大，由于此階段待垮落巖層受到自由下沉空間的限制，回轉部分巖體滑移、下落的運動過程較為緩慢，使得此階段煤層底板的壓力變化速率較第一階段有所減小。

第三階段是基本頂回轉運動趨于穩定的階段，垮落巖體上覆的自由空間較小，上覆巖體不能破斷、垮落，只能出現彎曲下沉，擠壓下部采空區垮落的巖體，使垮落的巖體在自重和上覆載荷的共同作用下，緩慢壓縮變形，直至垮落的巖體達到最小殘余碎脹程度，不再發生變形、移動，上覆巖層至地表的移動變形達到充分狀態，煤層底板的受力也達到了穩定狀態，由于上覆巖層彎曲下沉過程最為緩慢，因此其對煤層底板的壓力變化速率較前兩個階段最小，最終的變化速率為0。

1.2 測定原理

根據采空區上覆頂板巖層垮落特征，按照垮落巖體的壓力強度等于垮落帶各巖層厚度與其密度的乘積，能夠反推頂板巖層垮落帶的高度變化過程，即：

p=γHm

(1)

式中：p為垮落巖體的壓力強度，MPa；γ為垮落巖體上覆巖層密度，kg/m3；Hm為垮落帶高度，m。

垮落帶高度的反演需要依據垮落巖體的厚度和密度。由于垮落巖體的密度已知，因此只需要測定垮落巖層的層位即可推算出垮落帶發育高度。

假設此時各巖層垮落巖體的密度為γi(i=1，2，3，…，n)(巖層自下而上)，對應各垮落巖體的巖層厚度為si(i=1，2，3，…，n)。采空區頂板巖層結構如圖2所示。

圖2 采空區頂板巖層結構示意圖

圖3 垮落帶發育高度測定流程圖

垮落帶的計算公式如下：

(2)

2 測定裝置

垮落帶高度測定裝置由信號接收裝置、信號線、壓力監測片和外部保護裝置等部分構成，如圖4 所示。

1—信號接收器；2—輸出信號線；3—保護殼；4—壓力盒；5—彈簧；6—鐵板。

壓力監測片將測定的煤層底板壓力轉變為頻率信號，經信號線傳輸到信號接收裝置，信號接收裝置將接收的頻率信號轉變為壓力值，直接顯現在儀器終端顯示器上，根據壓力值的變化反演采空區上覆巖層的垮落高度和范圍。

采用GSJ-2A型便攜式多功能電腦監測儀作為信號傳輸、終端接收裝置，GH45型振弦式壓力盒[13-14]測試壓力，放置壓力盒的裝置是自制的可伸縮壓縮裝置，此裝置上下采用0.1 cm的鐵板制作，四角位置布設可伸縮的彈簧(WL20-20)，能夠使鐵板在受力的情況下靈敏下移，將鐵板上覆施加的作用力傳遞至壓力盒上，將壓力盒承受采空區垮落巖石的垂直作用力轉換為頻率信號，通過電纜傳輸到GSJ-2A電腦監測儀上，電腦監測儀利用其內部的數學計算模型將頻率信號反演為壓力值，直接顯示壓力盒受到的實時壓力值，從而實現對工作面采空區垮落帶發育高度的實時監測。

設置外部保護裝置可增大壓力盒的受力面積，提高監測結果的精度；保護壓力盒不被垮落巖體砸壞。

根據監測的壓力值、垮落巖層厚度、密度和壓力盒鋼弦表面積之間的關系式，計算出上覆巖層垮落巖體的厚度。壓力盒的壓力強度p與壓力值F的關系如下：

(3)

式中：F為壓力盒監測的壓力值，kN；A為壓力盒鋼弦的表面積，m2。

根據式(1)、式(2)的關系，將式(3)代入式(2)，得到測定裝置的垮落帶高度計算公式：

(4)

3 現場測試

以大平礦N1S2綜放工作面為例，根據實時監測結果分析采動過程中采空區覆巖垮落帶高度及特征。

3.1 測試點布置

N1S2綜放工作面采用長壁后退式綜采放頂煤回采工藝，工作面推進長度1 392 m，工作面長度 227 m，采高14.74 m，煤層傾角5°～9°(平均7°)，埋深430 m。在N1S2工作面共布置2個測試點，1#測試點設置在距終采線53 m、距運輸巷外幫20 m處；2#測試點設置在距終采線58 m、距運輸巷外幫80 m處；2個測試點位置設備安裝運行調試完成時工作面的運輸巷距終采線50 m，回風巷距終采線66 m，工作面從此位置推進至終采線用時30 d，共計觀測36 d。N1S2工作面覆巖壓力變化監測點布置如圖5所示。

N1S2工作面的綜合柱狀圖如圖6所示。

3.2 測試結果與分析

對N1S2綜放工作面采動過程中各測試點的壓力值進行觀測、記錄，根據各個測試點的壓力值觀測結果，將其換算為垮落帶高度，結果見表1～2。

表1 1#測試點實測數據

表2 2#測試點實測數據

3.2.1 1#壓力測試點結果分析

由表1中1#測試點處垮落帶高度監測數據可以看出：在測試點安設后第1 d(03-31)，監測壓力盒的壓力值即達到80 kN，垮落巖體的高度為3.26 m，說明煤層開采后壓力盒上覆的偽頂立即出現了垮落。

第2 d觀測時壓力盒的壓力值增大至440 kN，垮落巖體的高度達到18.01 m，說明壓力盒上覆巖體受采動影響和采空區較大面積懸頂導致頂板破碎、巖體垮落現象明顯，結合圖6可知頂板上覆的油頁巖層段基本垮落完畢。

第3 d至第20 d觀測期間，監測壓力盒上的壓力值由440 kN增大到1 554 kN，上覆垮落巖體的高度上升至63.65 m，說明未垮落巖層受臨界載荷、自由下沉空間高度和采動影響，導致上覆巖體逐步垮落，充填至采空區。

直到第30 d時垮落巖體的高度都未再發生變化,表明隨著采空區上覆巖體垮落，采空區逐漸被垮落的巖體充滿，垮落巖體上覆的自由下沉空間高度和巖層的臨界載荷未滿足巖層垮落的要求，垮落巖體上覆的巖層沒有再發生垮落，也沒有與已垮落的巖體接觸。

第31 d至第36 d觀測期間，發現壓力盒上的壓力值繼續增大，但增大趨勢較之前偏小，說明壓力盒上垮落巖體上覆的巖層受采動影響、自由下沉空間高度限制和臨界載荷限制沒有發生破斷、垮落現象，僅出現整體下沉，向垮落的巖體擠壓，使壓力盒上的壓力值出現持續增大現象。由此可認為壓力盒上覆巖體垮落的高度為63.65 m。

由于該壓力測試點距運輸巷外幫僅有20 m，受運輸巷邊界處隔離煤柱影響，壓力盒上垮落巖體上覆巖層的彎曲下沉類似于懸臂梁結構，致使壓力盒上測得的垮落巖體高度比垮落帶實際高度小。

3.2.2 2#壓力測試點結果分析

由表2中2#測試點處垮落帶高度監測數據，并結合1#測試點的分析過程可知：測試點在安設后第 20 d 壓力盒上覆垮落巖體的高度增大至88.65 m后，直到第30 d時垮落巖體的高度都未再發生變化。表明隨著采空區上覆巖體垮落，采空區逐漸被垮落的巖體充滿，垮落巖體上覆的自由下沉空間高度和臨界載荷未滿足巖層垮落的要求，垮落巖體上覆的巖層沒有再發生垮落，也沒有與已垮落的巖體接觸。第31 d至第36 d觀測壓力盒上的壓力值繼續增大，但增大趨勢較之前偏小，說明壓力盒上垮落巖體上覆的巖層受采動影響、自由下沉空間高度限制和臨界載荷限制沒有發生破斷、垮落現象，僅出現彎曲下沉，向垮落的巖體擠壓，使壓力盒上的壓力值出現持續增大現象。由此可認為壓力盒上覆巖體垮落的高度為88.65 m。

根據垮落帶高度的特征，綜合2個測試點的垮落巖體發育高度的大小和變化規律，確定N1S2工作面采空區最大垮落帶高度為88.65 m。

4 鉆孔沖洗液法測量垮落帶高度

為了驗證上述測定方法的準確度，采用鉆孔沖洗液耗失量法觀測覆巖破壞情況[15-17]，確定垮落帶發育高度。N1S2綜放工作面觀測鉆孔布設如圖7所示，鉆孔施工參數如表3所示。

圖7 N1S2綜放工作面觀測鉆孔布置圖

表3 鉆孔施工參數

1)巖層采動離層

當鉆進至離層、破碎巖層時，鉆孔沖洗液出現了短時性漏失量大，水位下降，以及卡、掉鉆等現象。1#孔鉆至深度180.35～182.85 m、2#孔鉆至深度171.45～178.65 m、3#孔鉆至深度185.03～189.25 m時，遇到厚層砂礫巖下的離層、破碎巖層。

2)采動斷裂巖層

當鉆進至該區域破壞巖層時，鉆孔沖洗液會持續流失，耗失量大增，水位居高不下。1#、2#、3#孔分別鉆進至223.92、210.80、231.51 m深度時，均出現了這一現象，判定鉆孔進入導水斷裂帶。

3)采動垮落巖層

巖層破壞垮落后，其完整性喪失。垮落破壞的巖塊間出現大量的孔隙，既導水，又蓄水。當鉆進至該區域時，鉆孔沖洗液不僅耗失量大、水位高，還有明顯的卡鉆等現象，甚至可聽到蜂鳴聲。1#、2#、3#孔分別鉆進至368.02、341.80、374.21 m深度時，出現了這一現象，分析判斷鉆孔已進入了垮落帶。由此，結合垮落巖體拱形發育特征和煤層埋深，可以計算出垮落帶高度為88.20 m。

鉆孔沖洗液測得的垮落帶高度(88.20 m)與前述測定方法測得的垮落帶高度(88.65 m)的絕對誤差為0.45 m，相對誤差僅為0.51%，誤差較小，說明使用該方法測定垮落帶高度具有較高的準確性和實用性。

5 結論

1)依據工作面采動后頂板巖層破斷垮落、彎曲下沉對采空區煤層底板施加應力的情況，結合采空區上覆各巖層的厚度和密度，提出了垮落帶發育高度的測定方法及計算公式，并設計了測定裝置。

2)利用所提出的測定方法測得的垮落帶高度為 88.65 m，鉆孔沖洗液法測得的垮落帶高度為88.20 m，二者絕對誤差為0.45 m，相對誤差僅為0.51%，誤差較小，表明采用該測定方法推測的垮落帶高度具有較高的準確性和實用性。