工作面上覆巖層“三帶”發育特征研究

王慧林 王文彬 王金國

（延安市禾草溝煤業有限公司，陜西 延安 717300）

煤層開采后，原始應力被打破，因此應力需要重新趨于平衡，采空區上方巖層必然會垮落，采空區上方形成“垮落帶”、“裂隙帶”和“彎曲下沉帶”，簡稱“三帶”[1]。采空區上覆巖層“三帶”發育高度的研究能夠為近距離煤層開采、采空區抽采瓦斯提供基礎數據[2]。目前，確定采空區上覆巖層“三帶”的方法主要有探測法、理論計算法、數值模擬法和相似材料模擬法。由于影響采空區上覆巖層“三帶”發育高度因素眾多，因此，僅靠其中的一種方法來確定“三帶”高度是不準確的，更加合理的方法是將多種方法所測得數據進行融合，縮小誤差。禾草溝5#煤層上覆巖層賦存著厚度約11 m的油頁巖，開采過程中釋放出一定的烴類氣體，給禾草溝煤礦生產帶來一定的隱患，因此，采用更加合理的方法研究上覆巖層“三帶”發育高度能夠為治理頁巖氣提供準確的基礎數據。

1 工作面概況

禾草溝煤礦50205工作面煤層平均厚2.28 m，煤層傾角0°～3°。本區域煤層為一結構簡單的穩定型中厚煤層，煤層厚度穩定，結構簡單，對應地面標高為1 249.0～1 407.0 m，煤層底板標高在1005～1025 m之間，走向長度3 749.3 m，傾斜長度300 m。煤層直接頂為泥質粉砂巖，厚0.98 m；基本頂為油頁巖，厚11.17 m；煤層直接底為泥質粉砂巖，厚9.41 m。

2 “三帶”高度理論計算

禾草溝煤礦50205工作面頂板從下至上依次為：0.98 m砂質粉砂巖、0.34 m煤、11.17 m油頁巖、16.6 m細粒砂巖等。不考慮垮落過程中頂板的下沉量，則垮落帶的最大高度Hm為[3]：

式中：Hm為垮落帶的最大高度，m；M為采高，2.28 m；α為煤層的傾角，1.5°；KP為巖層的碎脹系數，不同的巖石碎脹系數KP值可以見表1。

表1 巖石碎脹系數

根據巖石力學參數測試結果，并結合表1，取Kp=1.2，計算Hm=11.4 m，取KP=1.3，計算Hm=7.6 m。50205工作面采空區上方的垮落帶最大高度為：7.6～11.4 m，取最大值做為頂板垮落帶高度，即11.4 m。

50205工作面采空區頂板導水裂隙帶高度（垮落帶和裂隙帶兩帶的總高度）理論計算方法如下：

（1）按《煤炭工業設計規范》計算[4]

式中：Hli為導水裂隙帶高度，m；M為采高，m。以下同。

計算得：Hli'=25.86～37.06 m；Hli''=40.2 m。

則導水裂隙帶高度為40.2 m。

（2）巖體綜合強度預計方法計算[4]

式中：Hm為垮落帶高度，m；a、b為巖體綜合 強 度 系 數，a=0.107 5-0.024lnRc，b=0.155-0.029 9llnRc；Rc為覆巖的綜合強度，MPa。

50205工作面頂板的抗壓強度為37.36 MPa，考慮頂板的節理裂隙影響，影響系數取0.9，則Rc=33.624 MPa，計算得a=0.023 1，b=0.05。50205工作面采高按2.28 m計算，垮落帶頂部至裂隙帶頂部高度為22.21 m。則垮落帶和裂隙帶總高度為33.61 m。

綜合以上各式計算結果，50205工作面采空區頂板導水裂隙帶高度（垮落帶和裂隙帶兩帶的總高度）約為33.61～40.2 m。

3 “三帶”高度數值模擬計算

為了使工作面采動覆巖應力及裂隙演化規律分析更加科學合理，在綜合現場調研、鉆芯取樣和理論分析的基礎上，應用FLAC3D軟件，對50205工作面上覆巖層“三帶”進行數值計算。建立三維模型的尺寸為400 m×15 m×86.8 m，共劃分944 756個單元，900 000個節點。數值模型建立后，對煤層進行開挖，開挖寬度300 m，高度2.28 m。

圖1和圖2分別為50205工作面的垂直應力云圖和水平應力云圖。從圖1中可知，采場兩側出現垂直應力升高區，最大垂直應力達到11.89 MPa；從圖2中可以得出，也是采場兩側出現了水平應力升高區，最大水平應力達到8.65 MPa；圖3為50205工作面塑性區分布圖，從圖中可得出垮落帶+裂隙帶最大高度在33.8 m，彎曲下沉帶高度在33.8～50.7 m。

圖1 50205工作面垂直應力云圖

圖2 50205工作面水平應力云圖

圖3 50205工作面塑性區

4 “三帶”高度相似材料模擬試驗

（1）相似比的選取及相似材料配比

本試驗采用的相似模擬試驗架尺寸為長×寬×高=2850 mm×300 mm×2000 mm。依據禾草溝煤礦實體原型尺寸和試驗架條件，設幾何相似比為αL=100，容重相似比αγ=1.67，時間相似比取αt=10，應力相似比取α0=166.67。試驗選取砂子做骨料，石膏粉和石灰粉做膠結材料，根據相似材料配比表對相似材料進行配比不同巖層[5]。

（2）50205工作面開采試驗結果分析

開挖：根據50205工作面日進度為9.6 m，按照前述尺寸相似比和時間相似比計算，試驗中5號煤60 min推進4 cm。

50205工作面距模型左端35 m處開切眼，工作面自開切眼起向前方推進20 m時，采空區上方4 m處出現裂隙，推進29 m時發生初次垮落，煤層上方1.5 m高巖層垮落，上方4 m處出現離層，初次來壓步距為29 m。初次垮落情況如圖4。

圖4 50205工作面推進29 m模型狀態

工作面推進43 m時，采空區上方頂板發生垮落，對應的第一次周期來壓步距為14 m，采空區兩端出現顯著的豎向裂隙，采空區上方頂板15.5 m處出現顯著離層，如圖5所示。工作面推進54 m時，采空區上方頂板發生垮落，對應的第二次周期來壓步距為11 m，采空區上方頂板26.5 m處出現顯著離層。

圖5 50205工作面推進43 m模型局部放大

工作面推進84 m時，采空區上方頂板發生垮落，對應的第四次周期來壓步距為16 m，采空區上方頂板26.5 m處出現顯著離層，如圖6。

圖6 50205工作面推進84 m模型局部放大

隨著工作面的不斷推進，在采空區兩端出現的豎向裂隙逐漸向上發育，使上覆巖層再次周期性地呈“離層-下沉-離層閉合-壓實”的現象。此外，在模型中部位置，5煤頂板受上煤層開采擾動破壞較嚴重，出現隨采隨冒現象。此時5煤頂板36 m范圍內豎向裂隙及離層均發育較顯著。

當工作面推進164 m，上覆巖層發生整體下沉，垮落情況如圖7。采空區兩端邊界裂隙寬度進一步增大并貫穿至模型頂部，采空區靠近切眼位置頂板下沉量較大，靠近工作面一側頂板下沉量相對較小。開切眼處垮落角約為70°，工作面處垮落角約為65°。采空區靠近切眼方向上覆巖體下沉量相對較大，工作面后方采空區小范圍內上覆巖體下沉量相對較小，表明采空區上覆巖體是沿推進方向逐漸向前被壓實。

圖7 50205工作面推進164 m模型局部放大

通過相似材料模擬試驗得出，50205工作面推進29 m時，頂板1.5 m處巖體垮落，頂板4 m處出現離層；推進43 m時頂板垮落，頂板15.5 m處出現離層；工作面推進128 m時，離層最大發育至5煤頂板36.0 m處。

5 結論

（1）理論計算得出：垮落帶高度為11.4 m，裂隙帶最大高度為33.61～40.2 m。

（2）數值模擬計算得出：垮落帶+裂隙帶最大高度在33.8 m，彎曲下沉帶高度在33.8～50.7 m。

（3）相似材料模擬得出：垮落帶高度為15.5 m，裂隙帶最大高度為36.0 m處。

以上所得“三帶”高度基本一致，并可互為補充，互為校驗，取三種方法所得結果的平均值作為確定5#煤層頂板“三帶”高度，即：垮落帶高13.45 m，裂隙帶高33.67 m，彎曲下沉帶高50.7 m。