厚松散層薄基巖工作面導水裂隙帶高度預計方法

丁希陽 劉尊欣 田曉偉

（汶上義橋煤礦有限責任公司，山東 濟寧 272100）

1 工程概況

義橋煤礦6304 工作面寬度在切眼側為125 m，在停采線側為160 m，走向長度為510 m，松散層厚度平均為224 m，基巖厚度最小為35.45 m，最大為85.15 m。主采3 煤層，煤層厚度為3.10～3.95 m，平均3.4 m，煤層傾角為6°～18°，平均12°。工作面開采區域水體類型為第四系下砂、礫層空隙含水層和3 煤頂板砂巖裂隙含水層。厚松散層薄基巖條件下工作面開采覆巖裂隙帶高度準確預計是保證6304 工作面安全開采的前提。

2 厚松散層巖層控制的松散層拱理論

當煤層上覆松散層厚度滿足一定條件時，松散層中能夠形成具有穩定承載能力的松散層拱結構，如圖1。文獻[1-3]建立了松散層拱結構力學模型，得到了松散層拱高度與寬度的比值及厚度的解析式，確定了形成松散層拱時的松散層臨界厚度，如式（1）所示，式中參數如圖1 所示。

圖1 松散層拱示意圖[1-3]

3 厚松散層薄基巖工作面覆巖裂隙發育

3.1 試驗模型設計

試驗選用250 cm×30 cm×400 cm（長×寬×高）的平面應力實驗臺，模型幾何、容重、應力和強度相似比分別為100:1、1.67:1、167:1、167:1。松散層的相似材料為河砂和鋸末，河砂和鋸末的質量比為10:1；基巖的相似材料為河砂、石膏、碳酸鈣。試驗模型如圖2，力學參數見表1。

圖2 物理模型

表1 相似物理模型巖層參數

3.2 試驗結果及分析

圖3 為厚松散層薄基巖工作面開采過程中覆巖裂隙發育規律。亞關鍵層初次破斷前，采動覆巖裂隙帶發育高度止于亞關鍵層底界面，高度為14 m，如圖3（a）；亞關鍵層初次破斷且主關鍵層初次破斷前，采動覆巖裂隙帶發育高度止于主關鍵層底界面，高度為30 m，如圖3（b）；主關鍵層初次破斷且第一次松散層拱承載時，采動覆巖裂隙帶發育高度止于第一次松散層拱底界面，高度為56 m，如圖3（c）；第一次松散層拱失穩破壞且第二次松散層拱承載時，采動覆巖裂隙帶發育高度止于第二次松散層拱底界面，高度為71 m，如圖3（d）。工作面回采過程中，采動覆巖裂隙帶發育高度與工作面開采寬度間的變化規律如圖4，采動覆巖裂隙發育高度隨著關鍵層和松散層拱結構的周期性變化而呈現跳躍式增加。

圖3 工作面覆巖裂隙發育

圖4 工作面覆巖裂隙帶高度

4 厚松散層薄基巖工作面覆巖裂隙帶高度預測

目前，通常采用規程規范、實驗模擬和工程探測、數值分析等[4-6]預計裂隙帶高度。許家林提出了通過關鍵層位置預測裂隙帶的高度的新方法[7]。在厚松散層下采動覆巖裂隙帶發育高度預計方法的具體流程為：（1）確定待開采工作面開采參數和工作面區域巖層柱狀信息；（2）將相關參數帶入式（1）中，判別松散層拱結構是否形成；（3）當不能形成松散層拱時，關鍵層判別按照傳統方法進行，當松散層中能夠形成松散層拱時，根據文獻[8]計算松散層載荷折減系數；（4）確定采場上覆巖層中最上一層硬巖的載荷；（5）進行關鍵層判別，確定覆巖關鍵層位置及關鍵層和煤層間距；（6）當主關鍵層距開采煤層的距離小于7～10 倍采高時，裂隙帶高度大于或等于基巖厚度；當主關鍵層與煤層距離大于7～10 倍采高時，裂隙帶高度等于7～10倍采高上方最近關鍵層與開采煤層間距離。

5 工程應用

工作面汶8-1、補5 鉆孔柱狀如圖5。根據式（1）計算獲得松散層拱結構形成時的臨界松散層厚度為97.6 m，而汶8-1 鉆孔松散層厚度為251.1 m，松散層中能夠形成松散層拱。根據松散層拱結構特征參數和6304 工作面開采參數得到6304 工作面上覆松散層載荷折減系數為K=0.55，據此得到汶8-1 鉆孔關鍵層判別結果如圖5（a）。汶8-1 鉆孔中含有2層關鍵層，分別是厚度為15.21 m 的亞關鍵層和厚度為10.0 m 的主關鍵層，其中亞關鍵層與開采煤層間的距離為12.91 m，主關鍵層與開采煤層間的距離為33.82 m。根據汶8-1 鉆孔揭露的開采煤層厚度，當煤層厚度為3.02 m 時，按照10 倍采高計算得到臨界高度為30.2 m。顯然，主關鍵層與煤層間的距離大于按10 倍采高計算的臨界高度，因此得到裂隙帶最大高度為33.82 m。按照類似的方法得到補5 鉆孔關鍵層判別結果如圖5（b），煤層厚3.80 m，主關鍵層與煤層距離33.84 m 小于10 倍采高的38.0 m。因此，裂隙帶高度等于基巖的厚度為40.05 m。因此，6304 工作面的裂隙帶高度為33.82～40.05 m。

圖5 鉆孔柱狀

根據義橋煤礦在6304 工作面開展的兩帶高度觀測結果，6304 工作面裂隙帶高度為35.6～42.3 m，預計結果與現場探測值基本一致。事實上，義橋煤礦6304 工作面回采期間累計開采煤炭35 萬t，工作面頂板涌水量正常，實現了安全采煤，表明裂隙帶高度預計結果滿足要求。

6 結論

采動覆巖裂隙發育高度隨著關鍵層和松散層拱結構的周期性變化而呈現跳躍式增加。關鍵層初次破斷之前，覆巖裂隙帶高度發育至未破斷關鍵層的底界面；松散層拱失穩破壞前，覆巖裂隙帶高度發育至未失穩破壞松散層拱底界面。在松散層拱結構的影響下，6304 厚松散層薄基巖工作面的裂隙帶高度為33.82～40.05 m，預計結果和現場探測結果基本一致。6304 厚松散層薄基巖工作面于2020 年1 月回采結束，共計開采煤炭資源35 萬t，實現了含水層下安全采煤。