淺埋近距離煤層覆巖裂隙發育高度研究

趙 飛

（庫車縣科興煤炭實業有限責任公司，新疆 庫車 842000）

采動引起的覆巖破壞是造成頂板水害的主要因素之一[1-2]。確定裂隙高度、揭示覆巖破斷規律是近距離煤層保水開采成功的關鍵[3-4]。榆樹泉煤礦近距離煤層埋藏淺、基巖薄，煤層上方存在弱膠結巖層，與中東部地區有著較大的區別。分析該地質條件下近距離煤層覆巖的破壞規律，探究重復采動下頂板裂隙帶的發育高度，對西部煤礦保水開采有重要的借鑒意義。

1 工程概況

榆樹泉煤礦井田內具有開采價值的煤層有5 層，其中下8、下10 煤層回采價值最高，為正在開采的主采煤層。下8 煤層平均可采厚度1.69 m，下10 煤層平均可采厚度3.41 m，兩煤平均層間距8.61 m，屬近距離煤層。煤層上方存在弱膠結巖層，介于直接頂與基本頂之間。兩層煤下行開采造成圍巖重復采動，覆巖裂隙二次發育。近距離煤層工作面分布圖如圖1。

圖1 近距離煤層工作面分布圖

2 淺埋近距離煤層覆巖裂隙理論高度

下8與下10煤層綜合開采厚度計算公式如下：

式中：∑M為綜合采厚，M上為下10 煤厚，M下為下8煤厚，h為兩層煤間隔巖層厚度，y為下10煤垮落帶與采厚的比值。下8 與下10 煤層的綜合采厚為3.94 m。

煤層開采后覆巖破壞，自下而上形成垮落帶、裂隙帶與彎曲下沉帶，垮落帶與裂隙帶合稱導水裂隙帶，一般用它代指覆巖裂隙發育[5]。《三下采煤規程》中預測覆巖裂隙發育高度的經驗公式（2）與公式（3）如下[6]：

下8煤層回采時，公式（2）所得覆巖裂隙發育高度為50.8 m，公式（3）所得覆巖裂隙發育高度為39 m，故近距離煤層上層煤回采時44.9 m。公式（2）所得H為67.5 m，公式（3）H為69.5 m，故近距離煤層覆巖裂隙發育高度理論值約為68.5 m。

3 淺埋近距離煤層覆巖裂隙發育數值模擬

3.1 近距離煤層開采模型建立

依據下8 與下10 煤層實際地質和開采條件，利用數值模擬軟件建立模型。模型大小為500 m（長）×200 m（高），下8 與下10 煤層各留設兩個工作面，工作面間煤柱設為30 m。模型選用摩爾—庫侖模型，上邊界為應力邊界，模擬模型上部載荷，其余邊界為位移邊界。限制模型移動；模擬回采方式為采全高，垮落法管理頂板。觀察上層煤開采后覆巖破斷規律以及下層煤開采后近距離煤層群塑性區發育規律。建模巖體力學參數見表1。

表1 巖層物理力學參數

3.2 淺埋近距離煤層群開采覆巖裂隙發育高度

隨著下8 煤層（上層煤）兩工作面回采工作的結束，上覆巖層在開采擾動的作用下產生了“三帶”結構，處于垮落帶與裂隙帶的巖層遭到破壞[6]。由圖2 可知，上層煤兩工作面距離較近，工作面互相干擾，兩工作面上方出現拱形的彎曲下沉帶。此時覆巖破壞高度不大，兩工作面高度分別為37 m、45 m。下8 煤層回采覆巖裂隙高度與理論值接近。

圖2 下8 煤層回采覆巖裂隙高度（m）

由圖3 可知，隨著下10 煤層（下層煤）工作面回采，本就受擾動的下10 煤底板再次遭到破壞，兩層煤之間的隔斷巖層失效，下層煤覆巖裂隙與上層煤相連。重復采動使得上層煤彎曲下沉帶進一步破壞，轉變為整個上下煤層工作面覆巖的裂隙帶，巖層產生的裂隙相互貫通，裂隙帶之上的巖層經過新一輪的彎曲變形達到新的平衡，再次形成彎曲下沉帶。下層煤開采后覆巖破壞高度達到83 m。覆巖破壞高度與理論值差距較大，推測可能是理論計算并非專門針對近距離煤層開采制定，且理論值未包括兩煤層之間間隔巖層。

圖3 下10 煤層回采覆巖裂隙高度（m）

近距離煤層群煤層間距過小時，上層煤回采會造成底板間隔巖層損傷，下層煤重復采動后間隔巖層極易受失穩破斷；破壞后的巖層與上層煤垮落的頂板架構相連，形成新的破壞頂板結構，向上發育出新的破壞巖層。

4 淺埋近距離煤層群覆巖裂隙帶探測

為探究近距離煤層覆巖破壞高度，在下8煤層與下10 煤層設置兩測站，分別探測上、下煤層回采時覆巖裂隙高度。在距8107 工作面80 m 處聯絡巷中鉆孔，布置測站Ⅰ，在距1016 工作面100 m 處聯絡巷中鉆孔，布置測站Ⅱ，利用雙端堵水器探測覆巖破壞高度。測站中各布置4 個鉆孔，其中1#鉆孔用于工作面采前探測，與地面呈60°，指向工作面頂板；另3 個鉆孔用于回采結束后探測，與地表角度分別為50°、60°、70°。

4.1 下8 煤回采覆巖裂隙高度探測

如圖4（a）所示，下8 煤層8107 工作面回采前，鉆孔水量漏失保持在6 L/min 以下，覆巖原生裂隙較少，且沒有受到采動影響。

圖4 下8 煤層探測水量漏失圖

8107 工作面回采結束后，覆巖鉆孔水量漏失有了明顯增加。在煤層頂板0～20 m 距離左右，鉆孔水量漏失在5～15 L/min 之間，雖較采前有所增加，但增量不大，說明鉆孔下部位于導水裂隙發育帶之外，導水裂隙帶呈倒梯形。覆巖高度20～46 m 左右這段距離，鉆孔漏失流量達到30～40 L/min，鉆孔漏失流速有了明顯提升，說明此段距離受煤層回采影響裂隙發育較多，覆巖破壞比較嚴重。覆巖高為50 m 以上時，鉆孔水量漏失逐漸下降，在覆巖高60 m 水量漏失接近0，說明50 m 以上時覆巖沒有出現新的裂隙，此段高度應處于彎曲下沉帶范圍。現場實測表明，上層煤回采時覆巖破壞高度為46 m左右，與理論和模擬值接近。

4.2 近距離煤層回采覆巖裂隙高度探測

1016 工作面回采前，8107 工作面已回采結束。如圖5 所示，在覆巖高25～45 m 之間漏失量較多，說明1#鉆孔受下8 煤層回采影響，存在較多裂隙，但1#鉆孔漏失水量均在10 L/min 以下，說明測站距離8107 工作面較遠，受回采影響較小。

圖5 近距離煤層探測水量漏失圖

1016 工作面回采結束后，工作面覆巖可按深度分為3 部分：（1）覆巖高0～25 m 左右，此時漏失流量多在10～15 L/min 左右，與采前探測相差不大。說明工作面回采后，這段距離內覆巖沒有新的破斷與離層出現，這是因為覆巖破壞帶呈倒梯形分布。（2）覆巖高25～85 m 時，鉆孔漏失流量達到25～30 L/min，相比采前增加了大約5～6 倍。水量漏失的明顯增加說明在此高度范圍內覆巖形成了大量新的裂隙與離層。（3）覆巖高度在85 m 以上時，水量漏失與采前基本一致，說明沒有出現新的破壞。現場實測表明，受近距離煤層重復采動影響，覆巖破壞高度達到了85 m 左右。

5 結論

（1）通過理論計算得到近距離煤層上層煤回采時覆巖裂隙高度為44.9 m，下層煤回采時覆巖裂隙高度為68.5 m，此結果未包括兩煤層間隔巖層厚度。

（2）通過UDEC 模擬得出近距離煤層群煤層間距過小時，上層煤回采造成的底板損傷疊加下層煤重復采動頂板破壞，使煤間巖層極易失穩破斷；破壞后的巖層與上層煤垮落的頂板結構相連，形成新的破壞頂板結構，向上發育出新的破壞巖層。下10煤層回采后覆巖裂隙高度由45 m 增加到83 m。

（3）現場探測發現，下8 煤層回采后覆巖裂隙高度為46 m；下10 煤層回采后，覆巖高25～85 m階段鉆孔漏失流量相比采前增加5～6 倍，說明受近距離煤層重復采動影響，覆巖破壞高度達到了85 m左右。