斜沟煤矿采场上覆岩层采动裂隙演化规律研究

袁天明，梁忠秋

(1. 山西西山晋兴能源有限责任公司 斜沟煤矿，山西 吕梁 033602； 2. 煤科集团 沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122)

工作面开采后，采动覆岩发生断裂、垮落、下沉，形成垮落带、断裂带和弯曲下沉带。其中，垮落带、断裂带(以下简称“两带”)高度始终是煤矿安全生产重点关注的问题，及时准确获得“两带”高度，能够为确定高位钻孔终孔位置、高抽巷布置层位、开采上限，防止顶板突水等提供良好的依据[1-2].

因此，我国科研工作者对覆岩“两带”高度开展大量的研究工作，李辉[3]在许疃矿3234工作面采用网络并行电法进行现场实测，准确划分了“两带”高度；杨道华等[4]分析野川煤矿3#煤综放开采条件下的覆岩裂隙演化规律，对比分析理论计算、数值模拟及现场实测结果，采用《“三下”采煤规范》的公式可准确计算综放开采覆岩“两带”高度，而通过经验公式得到的高度值更符合现场实际。李国辉、毕建乙等[5]在23107工作面上方施工观测孔，通过CXK6矿用本安型钻孔成像仪观测各钻孔采前和采后的岩层裂隙发育情况，现场实测得到“三带”的高度，实测结果与RFPA模拟结果基本吻合。

本文以斜沟煤矿18104大采高工作面为研究对象，通过理论计算和数值模拟[6]，借助孔巷三维测试技术现场实测覆岩“两带”发育高度，最终得到18104大采高工作面覆岩“两带”的高度[7]，为矿井安全生产奠定基础[8-9].

1 18104工作面概况

斜沟煤矿位于山西省吕梁市兴县县城北直距20 km处，行政区划隶属于兴县魏家滩镇和保德县南河沟镇管辖，该区位于河东煤田北部的中南部，地面标高为+1 003～+1 186 m. 主采煤层为8#、13#煤，井田南北长约22 km，东西宽约4.5 km，面积为88.6 km2.8#煤层厚度为3.00～7.50 m，平均厚度为4.7 m，倾角为6.9°～10.9°，平均9.4°. 8#煤为自燃煤层，煤尘具有爆炸性。顶板主要为粗中细粒砂岩和泥岩，底板主要为泥岩和中细粒砂岩，煤层顶板情况见表1.

18104工作面位于11采区措施巷南侧，西侧为18102工作面采空区，南侧、东侧均为实煤区。工作面标高为+765～+822 m，埋深为238～364 m，可采走向长度为3 338 m，倾斜长为283 m，采用综合机械化采煤工艺进行回采，长壁后退式一次采全高采煤方法，全部垮落法管理顶板。

表1 煤层顶板情况表

2 18104工作面覆岩破坏规程计算

根据斜沟煤矿18104大采高工作面所采煤层与覆岩特征，查阅相关资料[10-11]选取垮落带和断裂带最大高度的经验公式，计算18104工作面冒落带和断裂带的高度。

垮落带最大高度hΙ计算如下：

(1)

断裂带最大高度计算如下：

hⅡ=(2～3)hΙ

(2)

式中：

M—工作面的采高，m；

ks—覆岩的碎胀系数；

α—所采煤层倾角，(°).

18104工作面煤厚平均为4.7 m，一次采全高，顶板岩性为泥岩，属于中硬型顶板类型。因此，岩石碎胀系数ks可取1.35(对于煤厚4.7 m煤层，砂岩ks为1.5～1.6)，煤层平均倾角为9.4°，则垮落带高度为9.53 m，断裂带高度为19.06～28.59 m. 即理论冒高/采厚比约为2.03，裂高/采厚比为4.06～6.08.

3 顶板“两带”现场监测

3.1 钻孔布置及数据采集

设计模拟探测孔的角度小于90°，为仰角孔，分析研究18104工作面沿着倾向和走向“两带”的高度。使用孔巷三维测试方法，在1#孔布置52个电极，电极间距为2.4 m，从1#孔向工作面方向沿着皮带巷道顶板共布置18个电极，电极间距为3 m，2#钻孔共布置52个电极，电极间距为1.6 m，从2#孔钻孔向工作面方向沿着皮带巷道顶板布置18个电极，电极间距为2.8 m. 钻孔施工参数见表2，钻孔剖面和电极布置见图1，图2.

对1#孔和2#孔每天指派专人收集2组以上的数据，以更加充分地验证数据的有效性。采集数据过程中发现电阻率变化较大的阶段，选取比较稳定的一组数据开展反演与解释工作，其他两组数据作为对比参考。对1#孔监测监控32天，共采集有效的物理数据点29 013个；对2#孔监测监控50天，得到有效物理数据点201 634个。

表2 钻孔现场监测参数表

图1 1#孔电极布置图

图2 2#孔电极布置图

3.2 结果分析

以每个电极不同时间电流变化情况为对象，寻找各个孔64个电极测试时供电电流随时间变化的曲线，结果见图3，图4.根据2#走向监测钻孔64个电极电流在时间上的变化规律，找出煤层开采过程中上覆岩体变形破坏动态发育规律。1#走向监测钻测试时供电电流随时间变化的曲线结果见图3，2#倾向监测钻测试时供电电流随时间变化的曲线结果见图4.

图3 1#孔(沿走向)电极电流与时间的变化曲线图

图4 2#孔(沿倾向)电极电流与时间的变化曲线图

通过研究分析电流值的变化规律辅助判定“两带”的高度。不同电极电流的变化情况见表3.

从表3得到，垮落带高度8.6～9.5 m；断裂带高度为27.8～34.7 m.

表3 不同电极电流变化情况表

4 覆岩裂隙演化数值模拟

4.1 模拟材料及其屈服准则

采用莫尔-库仑塑性模型研究18104工作面本构模型，采用Mohr-Coulomb判别准则[9-11]，且均不考虑塑性流动(不考虑剪胀)对其的影响，即：

(3)

ft=σ3-σt

式中：

σ1，σ3—最大和最小主应力，MPa；

C—覆岩体的黏结力，MPa；

φ—覆岩体的内摩擦角，(°)；

当fs=0时，材料将发生剪切破坏；当ft=0时，材料产生拉伸破坏。

4.2 模型的建立

借助FLAC3D数值模拟18104工作面两带发育规律，依据18104工作面实际情况构建模型，见图5. 模型尺寸为长400 m×宽264 m×高208 m，共有79 987个节点，80 013个单元，采用零单元模拟采空区。设置开挖步距为12 m，共开挖100 m. 18104工作面岩层的力学参数见表4.

图5 18104工作面数值模型图

4.3 边界条件

模型的边界条件如下：

1) 应力边界：在模型的上部施加垂直方向的载荷(P=γH)；模型周围施加水平等效地应力。

表4 计算模型参数表

2) 位移边界：采用x、y方向固定模型的周边；在模型顶部设置自由边界条件，在z方向底部采用全约束边界条件。

3) 将等效荷载(自重应力和侧向应力)施加在模型顶端，自重应力计算如下：

σv=γH

(4)

式中：

γ—覆岩的重力密度，kg/m3；

H—模型所处深度，m.

侧向应力计算如下：

(5)

式中：ν—覆岩的泊松比。

4.4 实验结果及其分析

4.4.1塑性破坏区模拟结果分析

随着工作面的开采，覆岩开始发生剪切破坏，覆岩裂隙开始发育，逐步演化为拉伸破坏，最后产生破裂冒落，因此工作面顶板的冒落是拉伸破坏。受采动影响，覆岩裂隙逐步发育成“两带”，随着模型开挖步距不断变大，覆岩垮落区域也在不断扩大。向前开采80 m时，工作面沿走向和倾向的塑性破坏见图6. 从图6得到，覆岩破坏类型主要以剪切与拉伸破坏为主，处于覆岩塑性破坏的区域最大，呈现代表性的“凸”型破坏特征。

图6 18104工作面推进80 m时塑性破坏图

4.4.2应力模拟结果分析

18104工作面沿走向和倾向的垂直应力分布情况见图7. 从图7发现，垂直应力集中分布在工作面上覆岩层处，此区域存在数条“抛物线”型应力带，工作面后方和煤壁也产生应力集中，工作面中间部位产生了地应力分布带。随着工作面的持续开采，18104工作面采空区逐渐被压实，煤壁前方产生超前支撑压力。

图7 18104工作面推进80 m时应力分布图

4.4.3应变模拟结果分析

18104工作面向前开采80 m时沿走向和倾向的应变分布场见图8. 从图8可知，工作面上覆岩层的各点位移量从上到下逐渐变大，表明覆岩发育成弯曲下沉带、断裂带、垮落带，工作面底板位移量由上到下逐渐减小，两侧煤柱上方覆岩移近量较小，且随远离工作面推进方向逐渐变小最终无移近量。

图8 18104工作面回采80 m时应变分布图

根据模拟结果得到：18104工作面垮落带高度为9.4 m，是采高的2倍；断裂带高度是35.9 m，是采高的8倍。

5 现场监测与模拟结果对比分析

通过现场实测、理论计算和数值模拟，18104工作面垮落带和断裂带结果对比见表5. 从表5得到，18104工作面垮落带高度是8.6～9.5 m，断裂带高度是27.8～34.7 m，现场实测结果与数值模拟结果基本一致；同时验证了FLAC3D模拟方法是采动覆岩“两带”高度研究的有效手段。

6 结 论

1) 利用FLAC3D数值模拟得到斜沟煤矿18104工作面垮落带和断裂带的高度，模拟结果证明：覆岩破坏具有代表性的“凸”型破坏特征，两侧煤柱和采空区应力比较集中。

表5 18104工作面不同方法获得的“两带”高度值统计表

2) 通过理论计算、现场实测和数值模拟，得到斜沟煤矿18104工作面垮落带高度是9.5 m，断裂带高度是34.7 m，现场实测结果与数值模拟结果基本一致；验证了FLAC3D模拟方法是采动覆岩“两带”高度研究的有效手段。