傾斜煤層綜放工作面覆巖“兩帶”發育高度研究

何清波，楊俊生，康新朋，黃義通，安學東，孫紅星，馬西仃，安星虣

(1. 兗礦新疆礦業有限公司硫磺溝煤礦，新疆維吾爾自治區昌吉市，831100；2.西安科技大學安全科學與工程學院，陜西省西安市，710054)

煤層在開采過程中，隨著工作面的不斷推進，頂板上覆巖層會發生不同程度的破斷，最終形成“三帶”[1-2]。研究采場覆巖“三帶”分布規律對明確瓦斯抽采層位、支架選型及礦壓監測等具有重要意義[3-4]。

向鵬等[5]將工作面上覆直接頂分為2層，建立2類不同開采階段垮落帶動態分布過程，揭示采空區垮落帶分布特征；黃學滿[6]采用采場“豎三帶”的經驗計算方法，引入采動影響下采場覆巖組合劃分的關鍵層理論，建立能夠較準確判斷采場“豎三帶”分布范圍的綜合計算法，并將該方法的計算結果與現場采場測量結果進行對比分析，證明綜合計算方法的正確性；張俊文等[7]等針對新疆屯寶煤礦1154工作面，采用物理相似模擬試驗定性分析上覆巖層“三帶”分布規律；趙鵬翔等[8]采用物理相似模擬試驗研究不同回采因素對“三帶”高度的影響，研究結果對明晰不同影響因素下卸壓瓦斯富集區的識別有一定指導作用；程國建[9]結合開采煤層地質條件，采用數值模擬軟件對工作面開采過程中圍巖應力分布進行模擬，分析上覆巖層破壞規律，確定覆巖“三帶”高度；龔選平等[10]基于相似原理，采用物理相似模擬等手段研究上覆巖層采動裂隙發育特征，并根據現場實測結果對模擬結果進行驗證，從而合理確定“三帶”的高度范圍，為優化設計高抽巷布置層位和高位鉆孔設計參數提供依據；GUO H等[11]根據現場監測和數值模擬研究結果，對采場頂板上卸壓區高度進行預測，為實現開采過程中的最佳瓦斯抽放設計提供依據；劉震等[12]采用鉆孔窺視等手段研究深部條帶開采條件下采動覆巖裂隙發育情況，得到特定條件下“三帶”分布特征，為治理采空塌陷區提供一定理論基礎。

從上述研究可以看出，目前對于覆巖“三帶”研究主要有理論計算、數值模擬、物理相似模擬試驗及現場實測4種方法。筆者結合物理相似模擬試驗、數值模擬及現場實測等手段，研究兗礦新疆礦業有限公司硫磺溝煤礦(4-5)04工作面覆巖“兩帶”分布規律，以期為后續瓦斯抽采鉆孔的設計提供一定參考。

1 煤礦概況

硫磺溝煤礦礦井劃分為3個開采水平，(4-5)04工作面為二水平西翼首個回采工作面，工作面高程控制在+700～+770 m之間。4-5煤層厚度變異系數為13.09%，全區穩定可采，煤層結構較簡單，局部夾矸，夾矸巖性一般為泥巖和碳質泥巖，屬穩定煤層。4-5煤層為黑色，條痕為黑褐—褐黑色，硬度中等，性脆，節理裂隙比較發育，斷口以參差狀斷口為主，結構多呈條帶狀結構。(4-5)04工作面走向長度2 618.5 m，傾向長度180.0 m，煤層厚度5.50～6.80 m，平均煤層厚6.15 m，平均傾角24°，煤層瓦斯含量為3～4 m3/t[13]，(4-5)04工作面直接頂以粉砂巖、泥巖為主，局部為炭質泥巖，平均厚度10.5 m。4-5煤層采取綜采放頂煤開采方法，頂板全部垮落法充填采空區。

2 采場覆巖“兩帶”高度相似模擬實驗

2.1 構建物理相似模擬實驗臺

為探究工作面回采后上覆巖層“兩帶”分布規律，實驗采用幾何比例1∶100二維物理相似模擬實驗臺開展覆巖“兩帶”分布特征物理相似模擬實驗。模型尺寸2 000 mm×200 mm×1 300 mm，模型高度以上巖層采用配重進行均勻加載。在模型中，正面觀測模型垮落現象，背面設置下沉量觀測點，從開切眼處沿煤層法向設置9排測點，每排布置18個測點，測點間距100 mm，測點處設置標記物以方便測量。

2.2 實驗結果及分析

設計推進速度為每次開挖30 mm，對(4-5)04工作面開展物理相似模擬實驗，每次來壓后觀測測點下沉距離，工作面回采完畢后最終得到實際巖層下沉量變化規律，如圖1所示。

圖1 傾斜方向測點下沉量

受煤層采動影響，采空區上覆巖層出現不同程度垮落，沿煤層法向形成垮落帶、裂縫帶及彎曲下沉帶。其中垮落帶受其上方巖層垮落影響發生斷裂呈無序塊狀；位于裂縫帶巖層發生垮落，部分形成破斷裂隙；彎曲下沉帶巖層整體結構未發生較大破壞。得到實驗結果：(4-5)04工作面垮落帶實測高度為22～28 m，平均垮落帶高度為25 m；巖層裂縫帶高度為89.5～130.5m，平均高度為110.0 m；之上為彎曲下沉帶。

工作面“兩帶”物理相似模擬如圖2所示。從圖2中可知，沿工作面傾向，隨著工作面不斷推進，當巖層所受應力大于巖層本身強度時，巖層產生豎向裂隙進而斷裂垮落。受煤層傾角影響，頂板巖層沿傾向向下滑移且垂直于煤層彎曲，使得下部巖層下沉更為充分，在工作面回采完畢后，經測量下部斷裂角為71°，上部斷裂角為60°。

圖2 工作面“兩帶”物理相似模擬

3 工作面覆巖“兩帶”數值模擬

3.1 數值模型建立

采場“兩帶”分布特性不僅受上覆巖層特性影響，也與煤層賦存傾角有關，而不同的“兩帶”分布特性對應不同抽采方式的布置層位。4-5(04)工作面平均傾角為24°，依此建立煤層傾向數值計算模型，模擬煤層開采后覆巖裂隙分布特征，步驟如下：

(1)建立數值模型，進行網格劃分；

(2)針對開挖工作面進行模型應力平衡計算；

(3)進行數據處理。

3.2 數值模擬結果分析

工作面開采后應力分布特征如圖3所示，其中X=271.3 m處為上端頭，X=106.9 m處為下端頭，模型傾角為24°。工作面開采后覆巖裂隙發育特征如圖4所示。

圖3 工作面開采后應力分布特征

圖4 工作面開采后覆巖裂隙發育特征

由圖3和圖4可知如下結果。

(1)工作面上下端頭頂底板出現應力增高區，其中底板上下端頭應力分別達到16 MPa和20 MPa；頂板上下端頭應力達到16 MPa；這些區域巖層受拉伸破壞，有裂隙發育。

(2)工作面回采后，相比于兩側鉸接梁的支撐作用，中部上覆巖層大面積垮落，隨著工作面不斷推進，多次冒落的巖石逐漸被壓實，該區域應力可視為逐步恢復狀態。

(3)工作面回采后，模型兩側巖層由于支撐作用未充分垮落，形成“砌體梁”結構，該區域為卸壓區。

(4)工作面上端頭內側20～55 m，即橫向35 m范圍，與下端頭內側8～38 m，即橫向30 m范圍形成的豎向條帶為卸壓區，該區域內裂隙發育較為充分。

(5)卸壓區最終形成有利于瓦斯聚集的場所。

(6)煤層開采后，數值模擬結果顯示，垮落帶高度21.3 m，裂縫帶高度61.3 m。

工作面上端頭覆巖裂隙分布特征如圖5所示。由圖5可知，其主要分布特征包括以下幾點。

(1)傾斜方向垮落角在64°以內。

(2)垂直方向上裂隙分布可分為2個區域，第一個區域為垮落帶，具體范圍為距煤層底板0～21.3 m，橫向寬度為55 m，距采空區邊界平均距離為9.1 m；上方第二區域為裂縫帶，距離底板21.3～61.3 m，平均寬度約為34 m，距離采空區邊界平均為35.2 m。

(3)第一區域垮落破碎最為嚴重，且距離工作面較近，因而漏風現象較為嚴重；受升浮作用影響，采空區及工作面瓦斯主要集中在第二區域。

(4)高位鉆孔終孔位置應布置在垮落帶頂部，即圖5中第二區域頂部。

圖5 工作面上端頭覆巖裂隙分布特征

4 工作面覆巖“兩帶”高度的確定

通過上述2種方法得到采場覆巖“兩帶”高度對比如圖6所示。因此得出，(4-5)04工作面覆巖垮落帶高度為21.3～ 25.0 m，為平均煤層厚度的3.46～4.07倍。

圖6 “兩帶”高度對比

綜合相關數值，可以得出垮落帶高度與采高倍數滿足以下關系：

(1)

式中：H冒——垮落帶高度，m；

M采——采高，m；

m——煤層厚度，m；

η——采出率，%。

5 工作面覆巖裂隙演化高度現場驗證

5.1 鉆孔參數及其布置

(4-5)04工作面共布置23個鉆場，鉆場尺寸為3.6 m×4.0 m×2.6 m(寬×深×高)；鉆場間距65 m。鉆場內布置2排鉆孔，每排布置5個鉆孔，并選擇4個鉆孔作為窺視鉆孔。通過利用YTJ20型鉆孔窺視儀得到高位鉆場距工作面不同距離時鉆孔內部裂隙分布特征，分析工作面回采對煤層覆巖裂隙演化的影響，可掌握(4-5)04工作面推進時高位鉆孔經過的各層覆巖裂隙分布特征，為合理優化高位鉆孔參數及抽采參數，改善抽采效果提供基礎數據及理論支持。為便于后期持續性窺視鉆孔，需將窺視鉆孔布置在鉆場內幫。窺視鉆孔參數設計見表1，具體布置如圖7所示。

表1 (4-5)04工作面垮落帶高度

表1 18號高位鉆場窺視鉆孔設計參數

圖7 高位鉆場窺視鉆孔布置示意

5.2 觀測結果分析

利用鉆孔窺視儀，對18號鉆場抽采鉆孔于2019年6月5-20日開展連續觀測，窺視過程中只對4個窺視鉆孔進行窺視分析。各窺視鉆孔連續觀測結果如圖8～圖14所示。

1號窺視鉆孔隨著工作面推進其裂隙演化的過程如圖8所示。由圖8可以看出，當鉆場距離工作面78 m時，窺視深度為63.1 m到達孔底，此時鉆孔剛進入采動覆巖應力影響區域，鉆孔中出現了一些微小的裂隙；隨著工作面進一步推進，當距離鉆場70 m時，鉆孔可窺視深度仍然為63.1 m，此時鉆孔已深入采動覆巖影響區，受采動應力影響較為明顯，表現為裂隙空間分布已有明顯擴展；隨著工作面繼續推進，當鉆場距離工作面53～61 m時，鉆孔終孔段處于工作面液壓支架支撐范圍內，可觀測最大距離仍為63.1 m，但由于鉆孔已經深入采空區中，其內部裂隙已由分散的條狀裂隙相互溝通發展成帶狀裂隙，且孔底四周孔壁巖石呈現棉絮狀；當工作面推進距鉆場36 m時，鉆孔可觀測最大距離由63.1 m縮短為52.5 m，鉆孔有16.5 m位于采空區中，此段鉆孔與采空區連接，同時受巖層垮落影響，表現為縱向裂隙分布；工作面推進至距離鉆場24 m時，鉆孔可觀測的長度僅為36.4 m，觀測過程中發現鉆孔多處產生較為明顯的橫向及縱向裂隙，其中12.4 m位于采空區，與采空區完全貫通，且在鉆孔終孔位置處觀測到大范圍的塌孔。

圖8 1號窺視鉆孔日窺視最大長度裂隙演化對比(18號鉆場)

2號窺視鉆孔隨工作面推進其裂隙演化過程如圖9所示。由圖9可以看出，當鉆場距離工作面78 m時，窺視深度為88 m到達孔底，此時鉆孔終孔位于支架上方承力區范圍內，未見垮落現象，只存在小范圍裂隙區；隨著工作面進一步推進，當距離鉆場70 m時，鉆孔可窺視深度達到80.5 m，此處部分產生切孔現象，說明超過該深度鉆孔已發生塌孔，窺視鉆孔與采空區連通；隨著工作面繼續推進，當鉆場距離工作面為61 m時，鉆孔可窺視深度達到71 m，鉆孔探測到切孔與不規則冒落巖石，表明鉆孔進入不規則垮落帶；當工作面推進距鉆場53 m時，鉆孔可觀測最大深度為60.9 m，此處可觀測到切孔現象，說明此處已與采動空間完全溝通；當工作面推進至距離鉆場36 m時，鉆孔可觀測的深度為48.9 m，鉆孔終孔處發生大范圍切孔，可觀測到裂隙與不規則垮落巖石；隨著工作面繼續推進，鉆孔層位不斷下降，當工作面與鉆場間距為24 m時，鉆孔可觀測深度為34.2 m，此時工作面后方鉆孔全部位于不規則垮落帶范圍，鉆孔窺視可觀測到絮狀巖屑及不規則裂隙，表明鉆孔可觀測末端與采空區完全貫通，呈現隨工作面推進而破壞的狀態。

圖9 2號窺視鉆孔日窺視最大長度裂隙演化對比(18號鉆場)

3號窺視鉆孔隨工作面推進其裂隙演化過程如圖10所示。由圖10可以看出，當鉆場距離工作面78～61 m時，窺視深度為58.8 m到達孔底，此時鉆孔所在覆巖層位較高未受到采動影響，沒有裂隙產生；隨著工作面進一步推進，當距離鉆場53 m時，鉆孔可窺視深度為58.8 m，但已進入采動空間范圍，表現為鉆孔內部有微小裂隙產生；隨著工作面繼續推進，當鉆場距離工作面為36 m時，鉆孔可窺視深度為50.1 m，由于鉆孔層位較高，使鉆孔伸入采空區長度為14.1 m，但此時鉆孔窺視深度較上次減少了8.7 m，50.1 m之后的鉆孔完全塌孔并進入采空區；當工作面推進距鉆場24 m時，鉆孔可觀測最大距離由50.1 m縮短為37.4 m，鉆孔有13.4 m位于采空區中，鉆孔在37.4 m之后發生垮落，此時鉆孔與采空區完全溝通，同時在37.4 m處受垮落影響孔口呈不規則形狀。

圖10 3號窺視鉆孔日窺視最大長度裂隙演化對比(18號鉆場)

4號窺視鉆孔隨工作面推進其裂隙演化過程如圖11所示。由圖11可以看出，當鉆場距離工作面78 m時，窺視深度為89 m到達孔底，由于窺視鉆孔布置層位較高，雖鉆孔已深入采空區，但覆巖裂隙未發育至此，只有少部分微小裂隙；隨著工作面進一步推進，當距離鉆場70 m時，由于鉆孔施工過程中鉆頭下沉影響，此時鉆孔所處層位突然下降，鉆孔窺視深度也縮短至82.5 m，且鉆孔發生大面積垮落及塌孔，鉆孔層位已進入不規則垮落帶上部；隨著工作面繼續推進，當鉆場距離工作面為61 m時，鉆孔終孔層位持續下降，可窺視深度為74 m，之后的鉆孔完全垮落，垮落巖石呈不規則破碎狀；當工作面推進距鉆場53 m時，鉆孔可觀測最大距離由74 m縮短為62 m，深入采空區鉆孔僅有9 m，62 m之前由于垮落巖石產生的切孔現象導致無法觀測；當工作面推進至距離鉆場36 m時，鉆孔可觀測的深度僅為47.9 m，前方鉆孔均發生垮落及塌孔，且深入采空區的鉆孔發現多處明顯橫、縱向裂隙，孔口位置發生大面積變形；當工作面推進至距離鉆場24 m時，鉆孔觀測深度為29.6 m，此時鉆場層位已降至不規則垮落帶底部，隨工作面推進呈現邊采邊冒狀態，表明鉆孔已與采動空間完全溝通。

圖11 4號窺視鉆孔日窺視最大長度裂隙演化對比(18號鉆場)

通過上述實測鉆孔窺視結果，表明(4-5)04工作面垮落帶高度為22 m，為采高的3.58倍，滿足式(1)的垮落帶高度與采高倍數關系。

在礦井瓦斯抽采措施布置中，高位鉆孔終孔位置應位于垮落帶上部，以解決上隅角瓦斯積聚問題。高抽巷應布置于裂縫帶靠近垮落帶上部的位置，以便對采空區卸壓瓦斯及鄰近層瓦斯進行強化抽采，如圖12所示。依據(4-5)04工作面垮落帶高度可為后續礦井采用高位鉆孔治理瓦斯時，對高位鉆孔布置及優化提供一定指導。

圖12 各抽采方式適宜布置位置

6 結論

(1)(4-5)04工作面垮落帶實測高度為22～28 m，平均垮落帶高度為25 m；巖層裂縫帶高度在89.5～130.5 m之間，平均高度為110.0 m；之上為彎曲下沉帶。運用UDEC數值模擬軟件對(4-5)04工作面進行模擬開采，模擬結果顯示，垮落帶高度21.3 m，裂縫帶高度61.3 m。

(2)通過相似模擬實驗、數值模擬、現場實測等得到(4-5)04工作面采場覆巖垮落帶高度為21.3～25.0 m，為平均煤層厚度的3.46～4.07倍。

(3)通過對工作面覆巖裂隙演化進行現場實測，發現垮落帶高度為22 m，為采高的3.58倍，滿足垮落帶高度與采高倍數關系。依此可為后續礦井采用高位鉆孔治理瓦斯時，對高位鉆孔布置及優化提供一定指導。