特厚煤层综放开采覆岩裂隙发育与应用

李乃录 周伟

1.山东省新汶矿业集团水帘洞煤矿，陕西 咸阳 712000；2.安徽理工大学能源与安全学院，安徽 淮南 232001

为了深入研究水帘洞煤矿特厚煤层开采时覆岩破坏规律，科学选定瓦斯抽排钻孔位置和瓦斯抽排巷道位置，实现煤矿绿色开采、合理开采，在对工作面地质特征、工程地质特征和开采技术条件分析的基础上，进行了典型相似材料模拟试验研究。模型原型按水帘洞煤矿煤岩柱状，采厚和放煤高度，以及开采参数参照矿方作业规程。同时进行了现场测试。

1 采场覆岩裂隙的相似材料模拟试验

1.1 模型的设计与制作

模拟工作面煤层厚度11.5m，埋藏深度412m，直接顶为6.22m厚的粉细砂岩，老顶为2.91m的中细砂岩，煤层底板有3.28m的砂质泥岩与1.2m的铝质泥岩组成，其下为6m细砂岩。

平面模型试验架长度3m，宽0.3m，模型高度1.2m（考虑加载高度），因此，取模型与原型的几何相似比为：Cl＝1/100，取容重相似比为：Cγ＝0.6，取应力相似比为Cσ＝Cγ×C1＝0.6×1/100＝0.006，取时间相似比al＝1/12，即模拟试验中的2个小时相当于现场的一天。

本次相似材料模拟试验[1-2]材料，骨料：选用颗粒大小为0.15mm～0.5mm河砂；胶结料：选用石灰宜采用新鲜烧透的灰块，石膏为熟石膏；

分层材料：选用云母粉。改变骨料和胶结材料的成分，可以模拟不同类型的岩层。

相似材料模拟试验模型全景如图1所示。

图1 相似材料模拟实验模型全景

开采过程中应力、位移的变化是由计算机控制的YJD－27静动态电阻应变仪数控自动巡回监测系统采集应变信息，同时进行拍照及顶板垮落过程的描述。模型加载：模型上部岩层的重力按均布载荷处理，杠杆加载系统见图2所示。

图2 模型杠杆加载系统

1.2 模拟试验结果分析

1.2.1 回采程序设计

整个模型开采近192个小时，相当于现场开采96天；模型停止开采后，继续测试了24小时，直到岩层移动稳定以后，整个模型共测试了111次，持续216小时，相当现场实测108天。

1.2.2 裂断岩梁运动发展过程

裂隙带中覆岩运动的发展过程包括两个阶段：

1）第一次裂断运动阶段（即采场第一次来压阶段）

该发展阶段自开切眼推进开始，到裂隙带中最上部一个“岩梁”第一次裂断运动完成为止，为裂隙带覆岩的第一次运动阶段[3]，如图3所示。

在该运动阶段，随着工作面的不断推进，覆岩运动范围逐渐扩大。从相似材料模拟试验的过程看，当工作面推进距离大约为工作面长度1/4.1以上时，压力拱向上扩展到最高处，高度约100m多。在该运动阶段工作面推进的距离称为裂隙带覆岩第一次运动步距，一般与初次来压步距基本相等。

2）正常运动阶段

包括“破坏拱”最上部岩层第一次运动完成到回采工作面推进结束的全部推进过程[4](图4)。在正常运动阶段，“破坏拱”不再向上方岩层扩展，保持恒定的高度随工作面向前方推进。

由试验分析可知，裂隙带岩层[5-6]第一次运动阶段包括“破坏拱”在工作面前方和上方两个方向上逐渐扩展的阶段。当第一次运动阶段结束后，“破坏拱”在工作面垂直方向上扩展到最高处，然后进入正常运动阶段，“破坏拱”将只在工作面前方跳跃式向前扩展。此时“破坏拱”拱顶为一近似水平线。

1.2.3 裂隙发育与应力场

1）本项目采用相似材料模拟试验，对综放工作面煤层覆岩破坏进行了多方面的试验和研究，获得了良好的技术效果。经分析研究得出，综放工作面覆岩冒落带高度45m～55m，冒高采厚比3.91～4.78，裂隙带高度93.0m～100.7m，裂高采厚比8.1～8.8。

图3 裂隙带覆岩第一次运动阶段

2）综放采场超前支承压力的峰值位置深入煤体距离约为10m～15m，在工作面前方30m范围内受超前支承压力影响剧烈，而超前支承压力影响范围，可达工作面前方70m。

3）工作面前方煤层及离工作面不远的顶板岩层，压力集中程度较高；随着离煤层顶板垂直距离越大，上覆岩体内应力集中程度越小，垂直应力的峰值位置，随着岩层高度的增加有向煤壁后方移动的趋势。

4）覆岩离层主要出现在应力卸压区，在应力集中区即工作面前方或煤柱外侧不可能出现离层。

5）在工作面前方约30m至工作面煤壁，顶板下沉较为明显，在工作面前方1～2m，顶板最大下沉速度可达到为3mm/d；从工作面煤壁到工作面后方50m，顶板下沉剧烈，在工作面后方10～20m处，顶板下沉速度达到最大，最大速度可达到471mm/d；在采空区后方50m到工作面后方80m，顶板运动基本缓和，顶板下沉速度最大为76mm/d，越接近80m处速度越小；在采空区后方80m以后，顶板运动基本趋于稳定，下沉速度几乎为0，采空区重新被压实，应力重新恢复到原岩应力状态。

6）距离煤层顶板不同位置的上覆岩层，其垂直位移量不同，离煤层顶板垂直距离愈大，其顶板位移量愈小，沿煤层顶部垂直向上，顶板位移量依次减小。越向上覆岩形成的离层间距越大。

7）在试验基础上，全面分析研究了水帘洞煤矿综放煤层覆岩破坏的一般状态、发展变化规律及其影响因素。结果表明，在综放工作面的地质开采条件下，煤层采厚、覆岩性质结构和工作面推进速度，是影响覆岩破坏程度和发展高度的重要因素。它们的影响程度分别为：覆岩破坏程度和发展高度一般均随采厚增减而增减。水帘洞煤矿综放工作面覆岩其强度一般较高，覆岩破坏程度和高度亦将显著增大。在其他条件相同时，工作面能否以较高速度连续推进，对覆岩破坏有重大影响；保持工作面持续快速推进，对抑制、减少覆岩破坏高度，至关重要[6]。

2 覆岩移动变形高位钻孔抽采效果测试

2.1 测试依据

采用钻孔瓦斯抽采参数[8]变化来判定高位钻孔抽采最佳位置。

2.2 测试地点

3801工作面以东50m处布置第一组高位钻孔，与第一组高位钻孔开孔位置相距30m布置第二组高位钻孔，其具体参数见表1。

2.3 测试要求

高位钻孔开孔位置与工作面相距40m时每天监测高位钻孔的瓦斯浓度、抽采负压和瓦斯抽采纯量等参数。

2.4 测试结果

对高位钻孔进行参数测试，其测试结果见表2所示。

表2 抽放参数测试一览表

通过对测试结果分析，距工作面11m左右范围，即3801工作面上方50m左右范围内，由于受采动影响，煤岩体处于破断、冒落，此时抽放瓦斯浓度下降明显，浓度由24.5%下降到8%左右，抽放负压由9.83kPa下降到7.3kPa，表明此区域范围内受采动影响明显，煤岩体处于破裂状态，由此可以判定破断、冒落上限为50m左右。这与实验室相似材料模拟和数值计算结果基本吻合[9-11]。

图4 裂隙带覆岩正常运动阶段

表1 高位钻孔布置参数

3 小结

通过理论分析、实验室相似材料试验与现场实测综合分析，水帘洞煤矿3801综放工作面顶板煤岩层冒落带上限范围为40-55m，裂隙带上限范围为100m左右，8煤层钻孔抽放半径为3m。因此建议在对此类条件相似的工作面进行瓦斯治理时，可采用顶板高抽巷，其高抽巷的布置位置为冒落带上限范围与裂隙带的下限范围内[12]，即建议布置在距煤层顶板50m左右的范围内。测试结果表明建议参数是合理的。

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