煤層回采過程中覆巖破壞及裂隙演化規律

郎 君

(呂梁學院礦業工程系，山西 呂梁 033000)

0 引 言

我國是一個煤礦大國，煤炭對我國經濟發展具有重要意義[1]，隨著我國煤炭資源的大量回采，優勢地質條件下煤炭資源已趨于殆盡，煤炭企業不得不開采劣勢地質條件下煤炭資源[2]。特別是水體下采煤和瓦斯抽采面臨眾多問題。

煤炭資源開采前，地層處于原始應力狀態，當煤層回采后原始應力被打破，覆巖必然發生垮落，最終形成有規律分布的“三帶”[3-4]，其中垮落帶高度是礦井布置高抽巷和高位鉆孔的依據。導水裂縫帶發育高度是礦井防治水的技術關鍵[5]。同時受到采動影響和應力的雙重作用，覆巖產生裂隙，裂隙分布特征對于瓦斯抽采至關重要。因此，覆巖裂隙發育特征和破壞高度的研究對于礦井水災害和瓦斯防治具有重要意義[6]。

對于覆巖破壞高度和裂隙發育特征的研究，易四海[7]等采用相似模擬試驗對潞安礦區薄基巖綜放面開采進行了研究，得出了覆巖破壞特征以及導水裂縫帶發育高度影響因素，論證了粘土層隔水能力；張紀星[8]等以神東礦區大柳塔煤礦為試驗礦井，采用相似模擬、數值模擬、實測對其覆巖破壞規律進行了研究，得出了該煤礦的破壞高度，實測與模擬結果一致，為礦井安全開采提供了技術支持；鄭訓臻[9]等采用數值模擬對安盛煤礦覆巖破壞規律進行了研究，得出了覆巖破壞高度，為煤礦富積水下工作面安全開采提供了技術支持；熊祖強[10]等采用相似模擬技術對礦井破壞及裂隙演化進行了研究，得出了該煤礦裂隙發育特征，為礦井突水監測和瓦斯抽采提供了技術支持；馬蓮凈[11]等采用數值模擬和相似模擬對煤礦分層開采進行了研究，并采用鉆孔沖洗液進行了驗證，得出了裂隙破壞規律；許文濤[12]等采用相似模擬對楊柳礦進行了研究，得出了覆巖變形破壞特征，為煤礦安全生產提供了技術支持。

以上學者的研究大多是通過模擬、現場對裂隙發育高度進行了研究，而對裂隙演化特征沒有進行較詳細的分析。本文以山西某礦為試驗礦井采用分段注水試驗、鉆孔電視對覆巖破壞高度進行探測分析，對裂隙變化特征進行定量化分析，并對工作面回采過程中裂隙演化和應力變化規律進行數值模擬研究。

1 工程概況

山西某礦礦井生產能力4 Mt/a，主采3號煤層，煤層平均厚度為5.9 m，煤層平均傾角5°，為近水平煤層，試驗以3203工作面為試驗工作面，該工作面走向長度1 210 m，傾向長度285 m，為了有效測定覆巖裂隙發育高度及裂隙演化特征，根據工作面實際情況和地質特征，在工作面巷道布置兩個鉆孔，其編號分別是Ⅰ、Ⅱ，垂直煤壁進行布置，仰角60°，鉆孔深度170 m。工作面及鉆孔布置如圖1所示[13-14]。

圖1 鉆孔布置示意圖

2 覆巖破壞特征

采用鉆孔電視和分段注水試驗對工作面回采覆巖破壞高度進行分析，分段注水試驗對于覆巖破壞高度的確定是可靠的，鉆孔電視能夠直觀地看到裂隙發育特征。

2.1 試驗設備

1）分段注水設備

分段注水采用的是雙端封堵測試裝置。其測試原理是工作面回采后，覆巖發生破壞，其破壞特征自下而上產生明顯的分區特性，越往下裂隙發育程度越高，其分段注水漏失量越大，越往上裂隙發育程度越低，分段注水漏失量越小，根據鉆孔內不同部位其漏失量的變化情況來判定裂隙發育高度，該方法屬于物理測試方法，不受外界影響，具有測試準確度高的優點，其裝置結構如圖2所示。

圖2 分段注水系統

2）鉆孔電視

鉆孔電視采用的是防爆型井下用鉆孔電視系統。主要由測孔成像系統、處理系統、測深系統三部分構成（如圖3所示）。當進行測試時，測孔成像系統的探頭在鉆孔中移動，探頭將觀測到的鉆孔圖像進行記錄并傳輸到處理系統中，通過CCD光學耦合器將鉆孔圓周圖像以圖片的形式展示出來，同時，測深系統中的深度測試器能夠實時記錄探頭測試深度并與圖像進行結合，在圖片上顯示出來，最終通過顯示器以展開圖片形式將鉆孔內裂隙發育特征展現出來，圖像轉變機理如圖4所示。

圖3 鉆孔電視系統

圖4 鉆孔圖像轉變系統結構

2.2 試驗結果與分析

1）分段注水

采用分段注水設備對工作面回采前后鉆孔裂隙發育特征進行了測試，每個鉆孔測試了155 m，測試壓力為0.5 MPa，封堵壓力1.5 MPa，每個測試段測試3次，每次5 min，其結果取3次平均值。其注水量曲線如圖5所示。

圖5 分段注水數據曲線

由圖5分段注水試驗曲線可知，工作面回采前鉆孔注水量較低，基本保持在50 mL左右，裂隙發育度較低，當工作面回采后，鉆孔注水量明顯升高，最大注水量可達到1 500 mL，是工作面開采前的30倍，裂隙發育程度較高。由此可知，工作面開采后，覆巖在采動影響和支撐應力的雙重作用下發生破壞同時形成了裂隙，裂隙發育程度較開采前明顯提高。

工作面回采后鉆孔注水測試曲線呈“臺階形”，綜合覆巖裂隙三帶發育特征，得出冒落帶、裂隙帶發育高度（垂直）分別是34.4 m、83.8 m。

2）鉆孔電視

采用鉆孔電視對工作面回采前后覆巖裂隙發育進行探測分析，探測結果如圖6所示。

圖6 裂隙發育特征

由鉆孔電視圖像可知，工作面回采前，鉆孔裂隙數量較少，當工作面回采后，鉆孔裂隙數量明顯增多，覆巖裂隙發育程度較高，根據鉆孔探測圖像以及三帶特征得出冒落帶和裂隙帶發育高度（垂直）分別是29.8 m、88.2 m。

3 裂隙發育定量化分析

工作面回采后覆巖裂隙發育特征對于礦井瓦斯抽采以及防治水具有重要意義，因此，對工作面回采前后覆巖裂隙進行定量化分析，主要從裂隙發育傾角、發育寬度、裂隙深度與數量進行分析。

3.1 裂隙發育傾角

對工作面回采前覆巖鉆孔裂隙進行矢量化處理，綜合分析Ⅰ號鉆孔開采前的28條裂隙和開采后的86條裂隙，得出裂隙傾角與數量曲線如圖7所示。

圖7 裂隙傾角特征曲線

由圖7可知，工作面回采前的28條鉆孔裂隙中，小于 30°傾角的裂隙數量為 3條，占 10.7%，30°～39°傾角的裂隙數量為 3 條，占 10.7%，40°～49°傾角的裂隙數量為12條，占42.8%，50°～59°傾角的裂隙數量為1條，占3.5%，60°～69°傾角的裂隙數量為5條，占18.1%，70°～79°傾角的裂隙數量為2條，占7.1%，80°～90°傾角的裂隙數量為2條，占7.1%。工作面回采前裂隙以小角度為主。

工作面回采后的86條鉆孔裂隙中，小于30°傾角的裂隙數量為12條，占14.0%，30°～39°傾角的裂隙數量為16條，占18.6%，40°～49°傾角的裂隙數量為 29條，占 33.7%，50°～59°傾角的裂隙數量為10條，占 11.6%，60°～69°傾角的裂隙數量為 9條，占10.5%，70°～79°傾角的裂隙數量為5條，占5.8%，80°～90°傾角的裂隙數量為5條，占5.8%。工作面回采后裂隙數量增加，增加的裂隙主要以小角度為主。

3.2 裂隙寬度

裂隙寬度反映的是覆巖受采動影響裂隙發育程度。得出其關系曲線如圖8所示。

圖8 裂隙寬度特征曲線

3.3 鉆孔深度與裂隙數量

裂隙數量隨鉆孔深度發育特征反映了上覆巖層受采動影響的程度，對鉆孔深度與裂隙數量進行分析，得出其曲線如圖9所示。

圖9 裂隙發育深度特征曲線

由圖9可知，工作面回采前覆巖鉆孔裂隙數量與鉆孔深度無明顯關系，除41～80 m之間裂隙數量較少外，其他幾個鉆孔深度段裂隙數量基本上持平。工作面回采后，受采動影響覆巖鉆孔裂隙數量發生了轉變，隨著鉆孔深度的增加，裂隙數量不斷減少，越靠近工作面裂隙發育程度越高。工作面回采促進覆巖裂隙發育。

4 開采覆巖破壞數值模擬研究

4.1 模型建立

采用UDEC數值模擬軟件對覆巖裂隙發育進行分析，根據工作面覆巖特征，對巖層進行劃分。對模型前后左右四個側面進行約束，對頂部施加巖層厚度的載荷[15]，其力學參數如表1所示。

表1 巖石物理力學參數表

4.2 模擬結果與分析

1）覆巖破壞特征

工作面開采過程覆巖破壞特征如圖10所示，可以看出，隨著工作面的不斷推進覆巖發生了破壞。當工作面推進到50 m時，直接頂發生垮落，垮落高度為6.2～7.8 m，成“拱”型分布；當工作面推進到80 m時，冒落帶發育高度不再隨著工作面的推進而向上發展，此時，冒落帶發育高度達到最大值為31.2 m；當工作面推進到110 m時，覆巖形成了離層裂隙，同時受到拉伸作用產生了大量的破斷裂隙，裂隙數量明顯升高，隨著工作面的繼續推進，受覆巖作用，采空區中部被壓實，裂隙數量降低；當工作面推進到160 m時，采空區中部被完全壓實，地表形成了下降盆地，此時裂隙帶達到最大值為86.2 m。

圖10 開采覆巖破壞特征

2）覆巖位移變化規律

為了直觀觀察覆巖變形特征，在工作面回采過程中布置幾條位移曲線，并將不同推進距離下的位移曲線進行總結，得出位移沉降曲線如圖11所示。

圖11 不同推進距離下各測點沉降曲線圖

由圖11可知，覆巖受采動影響發生變化，原始應力受到破壞，覆巖內部應力發生變化，隨著工作面的不斷推進，覆巖不斷垮落，最終自上而下形成有規律的三帶，其變化曲線是不對稱的，由于覆巖的不同部位的各向異性，使得覆巖的運動存在差異性且不同步。

隨著工作面的不斷推進覆巖破壞高度不斷向上發展，當工作面推進到一定距離時，破壞高度不再向上發展，覆巖的整個運動是一個動態的、連續的發育過程。

3）覆巖應力特征

采過程中對覆巖應力進行觀測，覆巖應力主要分三個階段，原始應力階段、采動變化階段、應力重新穩定階段，其反映了采動過程中覆巖應力顯現特征以及破壞特征，工作面推進50 m、100 m、160 m時覆巖應力變化特征如圖12所示。

圖12 應力分布曲線

由圖12可知：工作面推進過程中，應力影響范圍較大，峰值較高，由于受開采影響，原始應力狀態被打破，隨著工作面的推進，應力值逐漸變化，并呈現增加—減小—穩定的變化特征，經分析，工作面開始回采產生了應力集中區導致某些區域應力升高，隨著工作面的不斷推進，覆巖泄壓，應力隨著降低，最后由于回采結束，覆巖穩定，形成新的應力平衡，隨之應力穩定。

4）覆巖裂隙發育特征

對采動過程中覆巖裂隙進行研究，裂隙發育存在三個明顯的變化特征。

自開切眼至頂板初次來壓，覆巖隨著工作面的推進，由彈性變形向塑性變形、破斷失穩過渡，直到裂隙產生，裂隙數量隨著工作面的推進而呈上升趨勢。

隨著工作面的繼續推進，覆巖不斷垮落，裂隙向高層為發展，當推進到某一距離后，采空區被壓實，裂隙數量迅速降低。

在近煤壁區域，由于支撐作用，裂隙數量仍呈較高水平。

5 結束語

采用分段注水試驗和鉆孔電視探測得出該煤礦冒落帶發育垂直高度為29.8～34.3 m，裂隙帶發育垂直高度為83.8～88.2 m。

工作面回采前覆巖裂隙以低角度、小寬度為主，裂隙數量發育程度低。隨著工作面的回采覆巖裂隙數量明顯增加，增加的裂隙以低角度、中寬度為主。

覆巖的整個運動是一個動態的、連續的發育過程；工作面回采過程中應力呈現增加—減小—穩定的變化特征；采動過程中，近煤層區域覆巖裂隙數量一直處于較高水平。