综采工作面覆岩裂隙动态演化特征研究

尹嘉帝，张华磊，涂 敏

(1.安徽理工大学 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001)

采动裂隙演化规律的研究，对煤炭绿色安全高效生产具有重要的意义，关于裂隙带发育、演化过程的深入分析，对瓦斯抽采工程设计、矿井突水灾害防控、保护水资源开采具有重要作用[1]。国内外学者在采场覆岩结构和覆岩裂隙发育规律等方面开展了大量的研究，文献[2-5]总结了大量煤矿实测资料，得到裂隙带发育高度的经验公式；许家林等[6，7]采用理论分析、工程探测和模拟实验等手段，指出上覆岩层中主关键层位置会对导水裂隙带高度产生重大的影响，并初步确定了关键层破断裂缝贯通的临界高度可以按7～10倍采厚来进行估算；柴华彬等[8]基于GA-SVR建立了的导水裂隙带高度预测模型；伍永平等[9]采用试验的方法研究了覆岩裂隙的动态分布特征；陈长华等[10]通过对神东矿区的现场实测，研究了采场覆岩的破坏类型以及覆岩裂隙的发育高度；殷帅峰等[11]运用数值模拟研究了裂隙发育规律，提出了有效的抽采瓦斯方案；徐智敏等[12]研究了覆岩裂隙渗透性演化规律，分析了干旱矿区保水采煤的重要意义。

综上所述，国内外学者采用不同的理论和方法对覆岩裂隙的发育规律进行了研究，取得了丰富的成果。目前，关于采场覆岩裂隙分布特征的研究较少，基于此，在前人研究的基础上，采用了物理相似模拟试验、离散元方法(DEM)以及理论分析相结合的方法，研究了采动影响下覆岩裂隙的动态演化规律、空间分布特征以及导水裂隙带发育高度。导水裂隙带发育高度的判定，采用相似模拟试验、数值计算分析并与理论经验公式多种研究方法，对所得结果进行综合的对比分析，克服了单一方法的局限性，为研究相似矿井覆岩裂隙的演化规律提供参考。

1 工程地质概况

以潘二矿18111工作面为具体工程背景，该工作面上覆岩层地质条件复杂，煤层开采受到上方厚松散层和承压含水层的影响；煤层埋深约450m，平均煤层厚度4m，煤层倾角8～12°，平均10°，岩层柱状如图1所示；开采采用一次采全高综采技术，顶板采用全部垮落法管理。

2 相似模拟试验

2.1 试验概况

根据工作面地质条件、模型架尺寸、相似原理及量纲分析，选定模拟试验几何相似比为1∶100，容重相似比为3∶5，应力相似比为1∶150，时间相似比为1∶10，岩层相关力学参数和材料配比见表1。

图1 岩层柱状图

表1 各岩层物理模型力学参数表

2.2 试验结果分析

采动过程中覆岩裂隙动态演化过程如图2所示。随着工作面向前推进，后方采空区的空间不断增大，靠近采空区上覆顶板受到了应力集中和采动的影响，岩层中静止的微裂隙再次激活，沿着裂隙尖端开始发育。如图2(a)所示，当工作面推进至25m时，上方岩层中的裂隙已经贯通形成了横向约11cm(实际长度11m)的裂隙，在裂隙末端从亦形成了纵向裂隙，此时上覆岩层未发生垮落，裂隙发育高度约为2～3m，仍保持完整性。

图2 采动覆岩裂隙发育过程

图2(a)中所示当工作面推进至25m时上覆岩层垮落及裂隙分布特征图，随着采空区跨度进一步增大，上覆岩层裂隙进一步发育，直接顶发生垮落。受直接顶垮落的影响，直接顶上方约3cm处产生了横向裂隙，工作面推进至32m时，基本顶发生垮落，工作面出现了初次来压。图2(b)为工作面推进至35m时，上覆岩层垮落及裂隙分布特征图，由于采空区空间大，垮落岩层难以填充采空区导致上方形成大的裂隙空间；此时距煤层7m左右，形成了2条可见的裂隙，呈现出拱形形态，其局部详图如(c)所示。图2(d)为当工作面推进65m时，上覆岩层垮落及裂隙分布特征图，随着工作面进一步推进，上覆岩层出现周期性破断垮落，呈现出了不规则梯形状，且在工作面前端与开切眼处形成了贯通的主裂隙。随着工作面进一步推进，整个上覆岩层破断与裂隙发育如图3所示。

图3 裂隙演化迁移图

当工作面基本顶初次来压时，工作面上部形成了“阶梯型”贯通裂隙，工作面继续向前推进出现周期来压时，工作面上部亦形成“阶梯型”贯通裂隙，与前一个周期相比，工作面上部贯通裂隙进一步向上覆岩层发育，整个工作面前端上部裂隙随着工作面推进向前迁移发展(图3所示1→2→3→4)，前期产生的覆岩裂隙将会被压实闭合，发育过程将会被终止。当工作面推进至150m时，裂隙发育基本趋于稳定，裂隙发育高度达到54m左右。

为了更加精确直观描述采动后覆岩裂隙发育状况，采用裂隙密度作为反映分析裂隙发育特征的指标，得出了覆岩推进过程中裂隙密度分布特征曲线，如图4所示。由图4可知，在工作面推进工程中，受采动影响，覆岩垮落产生裂隙，并且随着工作面推进裂隙数量呈增多趋势，上覆岩层的存在将会使采空区被压实，导致裂隙数量降低，最终形成了交替往复周期现象。受采动影响工作面煤壁上方处于一种应力释放状态，工作面前方煤壁处裂隙数量与切眼处相比处于高位，整个上覆岩层裂隙密度呈现非对称“马鞍形”。

图4 覆岩裂隙密度分布特征图

3 离散元数值计算分析

3.1 模型建立

为了直观清晰反映上覆岩层断裂与裂隙的发育情况，并与相似模拟试验对比，本次数值模拟选用PFC2D(DEM颗粒流程序)进行建模、分析、计算，根据潘二矿18111工作面地质条件，沿工作面走向方向建立2D模型，模型长200m，高为100m。计算时采用了平行粘结模型，左右和下边界施加了固定约束，上表面为自由约束，分析上覆岩层裂隙发育状况。

3.2 结果分析

根据潘二矿18111工作面相关资料，建立如图5(a)所示的数值模型，为了区分不同岩层，将各岩层标记为不同颜色，煤层厚度为4m，模拟时每次开挖5m计算一次平衡，与相似模拟试验一致工作面推进150m。

当工作面推进150m时，上覆岩层破断及裂隙发育如图5(b)所示，在工作面开切眼处和工作面煤壁上方形成两条贯通的主裂隙，发育高度接近58m，可以观察到工作面推进过程中煤壁上部裂隙逐渐向前迁移，离工作面煤壁较远未发育完全的裂隙，逐渐被垮落带上部的岩层荷载所压实，裂隙逐渐闭合，只有距离工作面煤壁较近处存在裂隙如图5(c)所示，并且对裂隙的方位角进行了监测统计，岩层裂隙方位角统计结果见表2。

图5 上覆岩层裂隙发育数值模型

表2 岩层裂隙方位角统计表

覆岩裂隙的发育角度与各岩层的厚度、岩性、节理面分布、地质构造、煤层采动影响等因素有关，具有复杂性和随机性，但从整体来看，裂隙发育角度又具有一定的统计特征，角度的分布呈现出区域性的特点。

根据对数值模拟裂隙发育角度的统计分析，并结合相似模拟试验结果，可将上覆岩层按裂隙角度大小分为如图5(c)所示的三个区域：小角度裂隙区、中角度裂隙区、大角度裂隙区，各区域裂隙的整体分布特征具有显著的差异性。

小角度裂隙区主要分布在弯曲下沉带和裂隙发育上限之间，裂隙发育角度0°～30°为主，形成的主要原因是各岩层在向下弯曲变形的过程中，由于岩层间岩性不同，变形挠度不一致，而导致各相邻岩层间出现了分层现象。中角度裂隙区主要分布在裂隙带和冒落带内，该区域内的裂隙主要由大角度裂隙的垮落岩体或散落岩块堆积而形成，由于受到上覆垮落岩体自重、工作面推进过程中的周期来压及矿山构造应力等因素的影响，使得岩体的裂隙发育角度降低，裂隙发育角度多集中在30°～60°。大角度裂隙区主要分布在工作面两端附近，该区域的裂隙分布密集，多表现为高角度的穿层裂隙，随工作面的推进，从开切眼处上方保持持续向高位扩展的趋势，裂隙发育角度主要为60°～90°。

由相似模拟试验和数值模拟的结果可知，在工作面两端裂隙发育密集且发育高度高、角度大，根据裂隙角度统计结果，角度大于60°的裂隙占了裂隙总数量的44%左右，表明上覆岩层在采动影响下裂隙场的发育多以大角度为主。

对数值模拟裂隙发育高度进行了监测，其裂隙发育高度与工作面推进距离之间关系大致呈现斜“S”型，如图5(d)所示。

裂隙带高度发育如图6所示，由图6可知，工作面推进至20m左右时，顶板上方由于应力集中和采动影响开始出现裂隙，并且逐渐向上发育；当工作面推进至60m时，上方关键层开始出现了裂隙，裂隙发育高度迅速增长；当工作面推进至100m左右时，采空区逐渐被压实，上方岩层下沉量减少，处于高位的岩层形成了稳定的铰接梁结构，遏制了裂隙继续向上发育，最终裂隙发育高度稳定在58m左右。

图6 裂隙带高度发育图

4 导水裂隙带发育高度预计与分析

4.1 关键层判别计算法

根据关键层位置对导水裂隙带发育高度的影响规律，采用基于关键层位置来预计导水裂隙带高度的方法来推测18111工作面导水裂隙带的发育高度。

由潘二矿的地质资料，依据钱鸣高、许家林的关键层判别方法[13，14]，确定18111工作面有1个主关键层和1个亚关键层，主关键层为距煤层顶端15m、厚12m的细砂岩；亚关键层为煤层上方厚5.5m 的砂质泥岩，关键层的具体位置如图1所示。

由图1可知，煤层的开采厚度为4m，计算可得到10M为40m，主关键层位置距煤层的高度为15m小于40m，因此导水裂隙带发育高度按照基岩厚度来计算，可以得到导水裂隙带高度为56m。

4.2 导水裂隙带经验公式预计

根据18111 工作面的地质条件，煤层上覆岩层主要是砂岩和砂质泥岩，属于中硬岩层。按照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》[15]，中硬岩层导水裂隙带的高度计算公式为：

式中，Hf为导水裂隙带发育最大高度，m；∑M为累计开采厚度，m。

根据18111工作面的煤层地质条件，煤层取平均厚度4m，代入式(1)可计算得到裂隙带发育高度为(40±5.6)m。

4.3 经验类比计算法

涂敏[6]通过对潘谢矿区3个大采高综采工作面的垮落钻孔进行实测，得到了煤层开采后上覆岩层裂隙发育高度的实测数据。利用最小二乘法进行拟合计算，得出潘谢矿区采动裂隙发育高度经验公式：

式中，H为上覆岩层裂隙带发育高度，m；M为煤层开采厚度，m。

煤层的平均厚度为4m，代入式(2)可计算得到裂隙带发育高度为(58.8±2)m。

4.4 导水裂隙带预计高度综合分析

将上述各种方法得到的导水裂隙带发育高度预计结果见表3。根据以上3种手段得到导水裂隙带的发育高度为34.4～60.8m。由表3可知，“三下规程”与其它几种方法所得结果差距较大，文献[8，16]指出，规程中的公式得到的预测结果一般适用于开采方式为炮采与普通机采，且当煤层分层采厚大于3.0m时，规程中的统计经验公式与实测结果存在较大的差异。而运用相似模拟实验、数值模拟、经验类比和关键层理论所得到的结果均比较接近，因此，可根据计算结果预测导水裂隙带的发育高度为54～60.8m。

表3 导水裂隙带发育高度预计结果

5 结 论

1)随着工作面的不断推进，工作面前端裂隙出现迁移现象，前期采空区产生的裂隙将会被压实闭合，导致裂隙数量降低，最终呈现出交替的周期现象。

2)工作面两端裂隙发育密集且以大角度发育为主，裂隙发育角度的整体空间分布呈现区域性的特点，上覆岩层裂隙发育多以大角度为主，该研究方法对复杂地质条件下的煤层瓦斯抽采以及矿井突水的防控具有重要的参考价值。

3)随着工作面的不断推进，采空区逐渐被压实，岩层的下沉量减少，上部岩层逐渐形成了稳定的铰接梁结构，遏制了裂隙继续向上发育，导水裂隙的发育高度趋于稳定。运用多种方法对导水裂隙发育高度进行分析，综合所得结果可预测导水裂隙的发育高度为54～60.8m。