3109綜采面覆巖垮落、裂隙帶模擬與結果分析

姚利軍

（山西新元煤炭有限責任公司，山西 陽泉 045000）

井工開采中，工作面回采后，覆巖在上覆巖層及自身重力作用下發生破斷，并發生以大位移為特征的垮落運動，這是工作面礦壓顯現的主要原因[1-4]。因此，掌握覆巖運移規律及覆巖垮落、裂隙帶范圍對于綜采面支護設計具有重要意義。本文以新元煤礦3109 綜采工作面為研究背景，采用相似模擬方法對覆巖垮落、裂隙帶高度演化過程進行了試驗。

1 工作面概況

新元煤礦3109 工作面位于一水平一采區，開采3#煤層，煤層厚度為2～3.1 m，平均2.75 m，傾角為2°～9°，平均3°。煤層賦存穩定，結構較簡單，屬中灰、低硫的優質貧、瘦煤。煤層以亮煤為主，內生裂隙發育。煤層中一般含1～2 層泥質夾矸，厚度一般為0.02～0.05 m，平均0.03 m。工作面傾斜方向長258.2 m，走向長1 364.3 m，面積352 262.3 m2。工作面標高+656～+620 m，對應地表標高+1 049.2～+1 132.7 m，埋藏深度393.2～512.7 m。3#煤層偽頂為高嶺石泥巖，平均厚度0.32 m，直接頂為灰黑色砂質泥巖，平均厚度3.1 m，老頂為中粒砂巖，平均厚度2.40 m；煤層直接底為深灰黑色泥巖，平均厚度2.98 m，老底為淺灰色細粒砂巖，平均厚度3.5 m，見表1。

表1 3109 工作面煤層頂底情況

2 工作面覆巖垮落帶及裂隙帶相似模擬試驗

由于現場觀測施工程序復雜，成本高，且無法直觀得到覆巖垮落、裂隙帶范圍，因此，采用相似模擬方法進行試驗。本試驗采用二維平面相似模擬試驗臺，試驗臺尺寸為2 000 mm×1 500 mm×200 mm。根據工作面頂底板巖層厚度、強度鋪設模型，模型尺寸為2 000 mm×1 500 mm×200 mm，試驗采用1:100 的幾何相似比。由于試驗臺尺寸限制，通過液壓系統在模型上表面施加7.5 MPa垂直應力（350 m×25 000 N/m3）模擬上覆巖層重量。為監測巖層運移情況，在采場模型頂板上方0.1 m、0.3 m、0.5 m、0.7 m 位置處布置4 條測線，測線上每兩測點間間距為0.1 m。

模型開挖步距為0.05 m，采用自左向右逐步開挖方式，圖1為工作面開采期間覆巖運移情況。當工作面推進至0.15 m 位置時，直接頂開始發生初次破斷垮落，見圖1（a）。直接頂巖層初次破斷垮落后，由于強度相對較低且受到支架反復支撐作用，隨著工作面推進基本上隨采隨垮。工作面推進至0.30 m 位置時，老頂巖層中部首先產生拉伸裂隙而后發生破斷，見圖1（b）。工作面推進至0.50 m位置處，老頂巖層發生懸臂梁式的第二次破斷，見圖1（c）。此后，隨著工作面不斷推進，老頂巖層呈周期性的破斷垮落，覆巖破斷及運移逐漸向上方發展,見圖1（d）及圖1（e）。工作面開挖至右邊界后，工作面上方巖層均受到采動影響而發生運移，模型上邊界出現下沉盆地，隨著工作面停止開挖，覆巖活動逐漸趨于穩定，見圖1（f）。

圖1 3109 工作面覆巖運移情況

3 試驗結果分析

分析試驗結果可知，3109 工作面老頂初次垮落步距、周期垮落步距分別約30 m、20 m。老頂垮落步距與現場通過支架工作阻力計算得到的結果基本相符，表明相似模擬試驗在一定程度上可以反映工作面上覆巖層運移情況。由圖1可知，上覆巖層破斷前首先發生離層，隨后隨著工作面不斷推進離層逐漸發育，而后破斷垮落至采空區底板，上覆巖層形成垮落、裂隙帶。

依據煤層上方測點位移變化情況，可知垮落帶及裂隙帶高度演化過程。由圖2可知，工作面推進過程中，受覆巖步距式垮落影響，垮落帶及裂隙帶的發育高度逐漸增加，并在工作面推進一定距離后趨于穩定。直接頂是垮落帶的主要巖層，其破斷垮落是垮落帶高度不斷變化的主要原因，隨著直接頂垮落巖層充滿采空區并支承頂板，垮落帶范圍將逐漸穩定。由于直接頂破碎巖塊孔隙率較高，采空區內由于直接頂垮落堆積形成的矸石在未垮落上覆巖層作用下逐漸被壓實，使得工作面推進到70 m位置處垮落帶高度又出現一次增加，此后再次趨于穩定，最終垮落帶發育高度約12.2 m。而裂隙帶高度則在老頂發生初次破斷后迅速增加，此后，隨工作面的推進逐漸向上發育,并在老頂巖層第一次周期性破斷后趨于穩定，裂隙帶高度約33.0 m。

圖2 垮落帶、裂隙帶發育高度曲線

4 結論

1）直接頂及老頂的破斷是垮落帶高度不斷演化的直接原因，直接頂的初次破斷是垮落帶開始發育的主要原因，老頂初次破斷后垮落帶第一次穩定，而老頂的第一次周期來壓則導致采空區垮落矸石的快速壓實，造成垮落帶再次發育，此后再次穩定。

2）裂隙帶的發育總體滯后于垮落帶，裂隙帶高度在老頂初次破斷前發育較為緩慢，而在老頂發生破斷后快速增加，最終逐漸趨于穩定。

3）3109 綜采面覆巖垮落帶發育高度約12.2 m，裂隙帶高度約33.0 m。