重復采動下綜放面采動裂隙發育高度預測

白雪斌

(山西工程技術學院 礦業工程系， 山西 陽泉 045000)

近年來，國內學者對導水裂隙帶發育高度的預測和確定進行了大量研究,主要通過理論計算、物理模擬、數值模擬和現場實測等[1-5],確定了在綜放開采條件下煤礦導水裂隙帶發育高度的影響因素按影響程度從大到小依次為開采厚度、工作面斜長和開采深度。此外，曾先貴等[6-10]眾多學者利用數值模擬對特定開采條件下導水裂隙帶發育高度進行了研究,發現隨工作面長度和采高的增加,覆巖導水裂隙帶高度也增加,但工作面長度對覆巖導水裂隙帶高度起主導作用，并給出了采動條件下導水裂隙帶高度的預測方法。

本文以某礦4-2煤層現開采的42107工作面為例，采用工程類比法、經驗公式法、UDEC數值模擬法，預測重復采動下42107綜放面采動裂隙發育高度。

1 概 況

1.1 工程概況

42107綜放工作面布置在4-2煤層一盤區，該盤區主采2-2煤層與4-2煤層，上層為前期已采的2-2煤層采空區，下層為現階段開采的4-2煤層。一盤區2-2煤層平均采高為3.6 m，4-2煤層平均采高6.5 m，兩層煤間距55～80 m. 42107工作面傾向長度303.3 m，走向長度4 807.9 m，傾角為1°～3°. 采煤方法采用傾斜長壁后退式綜合機械化放頂煤開采，全部垮落法處理采空區頂板。煤層頂板主要由砂質泥巖、泥巖和細粒砂巖組成，底板巖性以泥巖和砂質泥巖為主。42107工作面開采條件見圖1.

圖1 42107工作面開采條件圖

1.2 關鍵層判別

根據地質鉆孔資料，利用關鍵層判別軟件判別覆巖關鍵層的位置，判別結果見圖2.

圖2 鉆孔關鍵層判別結果圖

由圖2可知，4-2煤層上覆巖層主要由砂質泥巖、泥巖和細砂巖組成，煤層上覆松散層厚16.7 m，上覆基巖厚16.7～368.1 m，覆巖中有6層亞關鍵層，1層主關鍵層，上下煤層間賦存有兩層亞關鍵層，在2-2煤層上方存在厚度為39.39 m的亞關鍵層。

1.3 工程實例類比

該礦4-2煤層已采完工作面來壓規律，見表1. 通過對比同一煤層其他工作面礦壓規律及裂隙帶高度，可推測出42107工作面基本頂初次來壓步距變化為51～58 m，持續距離為8～10 m，動載系數1.3～1.5，周期來壓步距變化為13～16 m，持續距離5～7 m，動載系數1.1～1.3，采動裂隙發育高度為190～353 m.

表1 4-2煤層已采完工作面來壓規律統計表

2 采動裂隙發育高度理論計算

將煤層覆巖分為堅硬、中硬，采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》中導水裂縫帶高度Hd的計算公式，分別計算覆巖是堅硬巖層和中硬巖層時導水裂隙帶的發育高度。

按堅硬巖層計算：

(1)

按中硬巖層計算：

(2)

式中，∑M為累計采高，Hd為采動裂隙發育高度。

根據實際的地質條件，2-2煤層厚度按3.6 m計算，得出2-2煤層采后的導水裂縫帶高度為47～66 m，4-2煤層厚度按6.5 m計算，2-2煤層和4-2煤層的累計煤層厚度約為10.1 m，得出4-2煤層采后聯合2-2煤層采動引起的導水裂縫帶高度為122～141 m.

3 采動裂隙發育高度數值模擬分析

通過UDEC數值模擬軟件，模擬研究先采2-2煤層再采4-2煤層后，覆巖破壞及采動裂隙發育高度，分析2-2煤層和4-2煤層采后的位移應力分布特征。

3.1 數值模型建立

根據42107工作面具體地質生產條件，建立模型，模型尺寸為1 200 m×477 m×450 m，其中X軸方向為工作面傾向，Y軸方向為模型高度。在模型中上層煤布置22105、22106和22107工作面，寬度為230～320 m，煤層高度3.6 m，下層煤布置42106和42107工作面，煤層高度6.5 m，寬度為310 m，為減小模型邊界的影響，模型兩端邊界煤柱至少留設50 m. 數值計算模型見圖3.

圖3 數值計算模型圖

材料準則選用摩爾-庫倫準則，煤巖物理力學參數見表2. 按照2-2煤和4-2煤各工作面實際的傾向位置關系，先開采上2-2煤層后觀測覆巖破壞形態，分析應力位移數據，后開采4-2煤層后觀測覆巖破壞形態，分析應力位移數據。

表2 煤巖體物理力學參數表

3.2 數值模擬結果分析

3.2.1 2-2煤層采后覆巖破壞形態

2-2煤層開采過程中，覆巖破壞形態見圖4.

圖4 2-2煤層回采結束時覆巖破壞形態圖

由圖4可知，回采2-2煤層過程中，第一個工作面回采結束后其上方的亞關鍵層3發生破斷，其控制的上覆軟巖產生彎曲下沉。在第二個工作面回采結束后，隨著開采空間不斷加大，工作面上方亞關鍵層4與下部軟巖之間發生微小離層。結合圖2可知，此時覆巖中采動裂隙已發育到53 m. 在第三個工作面回采結束后，工作面上方亞關鍵層4與下部軟巖之間的離層空間加大。隨著2-2煤層各工作面回采結束，亞關鍵層4未發生完全破斷，僅產生撓曲下沉，并與下部巖層發生較大離層，此時覆巖中裂隙發育高度為60～65 m，亞關鍵層4下的離層空間也逐漸增大。通過模擬比例換算得出，在開采空間不斷增大的情況下，亞關鍵層4下離層較第一個工作面開采結束時增加0.33 m2，增大0.25倍；亞關鍵層4下離層空間增加69 m2，增大0.29倍。

綜上所述，在2-2煤層回采過程中，由于厚硬亞關鍵層4的存在使得工作面開采的跨落帶只能發育到亞關鍵層3和亞關鍵層4之間，裂隙帶發育到亞關鍵層4底界面，即2-2煤采后采動裂隙為53 m. 2-2煤層回采結束時塑形區與位移圖見圖5.

圖5 2-2煤層回采結束時塑性區與位移圖

由圖5可知，厚硬亞關鍵層4的存在使得煤層開采的主要移動變形區集中于跨裂帶下部區域內，亞關鍵層4上覆巖層移動下沉值變化不大。所以2-2煤層的開采對亞關鍵層4影響較小，亞關鍵層4保持水平狀態，以板的形式控制著上方覆巖的移動變形，其受到的水平應力平均為21 MPa，基本處于原巖應力狀態，隨著2-2煤層其他工作面的開采，采空區覆巖破斷釋放了水平應力。

3.2.2 4-2煤層采后覆巖破壞形態

4-2煤層開采過程中，覆巖破壞形態見圖6.

圖6 4-2煤層回采結束時覆巖破壞形態圖

由圖6可知，當42107工作面回采結束后，工作面上方亞關鍵層5均已破斷，工作面上方巖層整體下沉，亞關鍵層5的回轉變形量增加，并失去了對上方覆巖的控制，其上的應力拱結構失穩。采動裂隙的影響范圍隨工作面推進不斷增大，最終達到穩定范圍，且原巖應力受擾動范圍在采空區上方有明顯的分界范圍，為模型上方271 m處，貫穿亞關鍵層KS5，下方的卸壓區形成可能與破斷的高位關鍵層塊體的承載特性有關，此時隨著開采范圍的增加，應力拱的拱腳橫跨工作面兩端，拱頂發育到更高的層位。即工作面的采動已經影響到亞關鍵層6，在此關鍵層下方出現微小離層空間，新的應力拱承載結構在其上方形成。

模擬得出，4-2煤層采后聯合2-2煤層采動引起的采動裂隙高度為271 m.

在4-2煤層的開采過程中，開采范圍持續增加，覆巖的破壞高度將更大程度的增加，亞關鍵層5上承受的載荷也不斷增加，當其承受的載荷達到亞關鍵層5的承載極限時，亞關鍵層5發生破斷。亞關鍵層5承受載荷增加，進而變形量增大，載荷傳遞到區段煤柱，造成煤柱支撐應力增大，4-2煤層回采結束時塑性區與位移見圖7. 在亞關鍵層5破斷前工作面前方和后方處最大應力分別為56 MPa和51 MPa，煤柱上的應力約為46 MPa. 亞關鍵層5破斷后工作面前方和后方煤壁前方支承應力較亞關鍵層5破斷前明顯降低，分別為34 MPa和32 MPa，煤柱上的應力約為35 MPa.

圖7 4-2煤層回采結束時塑性區與位移圖

通過對比經驗公式和數值模擬結果，可知現有的經驗公式將頂板巖性概化地分為堅硬、中硬、軟巖、極軟弱4類，尚未考慮煤層覆巖中具體巖層結構的差異性，尤其對于該礦重復采動條件下多層堅硬頂板導水裂隙帶的計算，需要結合現場礦壓顯現狀況來綜合判斷覆巖破壞高度。

4 結 論

1) 通過對比同一煤層其他工作面礦壓規律，可推測出42107工作面初次來壓步距、周期來壓步距、動載系數的范圍。

2) 通過數值模擬覆巖破壞特征，確定了重復采動下綜放面采動裂隙累計發育高度，4-2煤采后聯合2-2煤采動引起的采動裂隙已經發育到KS6底界面，即2-2煤采后采動裂隙發育高度為53 m，2-2煤層和4-2煤層回采后的綜合采動裂隙發育范圍為271 m.

3) 對于該礦重復采動條件下多層堅硬頂板采動裂隙發育高度的計算，傳統公式計算方法與數值模擬結果有一定差距。根據現場礦壓顯現，數值模擬結果與現場實測資料更吻合，研究結果為相似條件下采動裂隙發育高度計算提供了參考和借鑒。