巨厚煤层综放工作面覆岩“三带”演化特征

孟祥军，林海飞，王 超，赵鹏翔，王绪友，宁廷州，邱春亮，安学东，杨俊生，孙红星

（1.兖矿集团有限公司，山东 邹城273500；2.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安710054）

随着我国煤矿开采深度的不断加深，覆岩应力逐渐增强，并伴随着冲击地压、瓦斯灾害的频繁发生，给矿井的安全生产带来了巨大的威胁。由于我国中西部煤层瓦斯赋存均具有“三高三低”的特征，地面抽采以及井下瓦斯预抽效果并不理想。而采动影响下覆岩裂隙形成瓦斯运移通道，在瓦斯运移通道中可以提高瓦斯的抽采效率。因此研究煤层采动后覆岩裂隙发育形态及分布范围十分有必要[1-2]。许多学者对采动覆岩裂隙演化开展了大量研究。钱鸣高[3-4]提出了采场上覆岩层中基本顶岩层破断的“砌体梁”结构力学模型和“关键层”理论。宋振骐[5]通过对采场围岩运动规律和压力的研究，提出了“传递岩梁”理论。袁亮[6-8]与林柏泉[9]等提出了“顶板环形裂隙圈”与“回”形圈分布特征。刘天泉[10-11]提出“横三区”、“竖三带”理论。李树刚[12-14]提出覆岩采动裂隙在空间上的分布是1个“椭抛带”形态。黄庆享[15]提出采空区上覆岩层的“四带”：“垮落带、块体铰接带、似连续带和弯曲下沉带”。Bai M[16]、Palchik V[17]等将采动覆岩分为3个区域：垮落带、断裂带、连续变形带。林海飞[18-19]提出采场覆岩裂隙发育演化规律及其形态可用“采动裂隙圆矩梯台带”的工程简化模型来表征。刘洪永[20]、赵鹏翔[21]等通过模拟试验、数值计算、现场实测的方法，基于采动裂隙椭抛带理论，构建了采动优势瓦斯通道带的时空形态理论模型。由于采动覆岩裂隙受众多因素影响，难以运用1种规律进行描述；且以往的研究大多是以中、厚煤层为研究对象，而对巨厚煤层研究较少，因此以硫磺沟（9-15）06工作面为背景，通过二维物理相似试验探究巨厚煤层综放工作面覆岩裂隙演化特征。

1 试验模型设计与制作

1.1 试验原型

《煤矿安全规程》规定8 m以上的煤层称为特厚煤层，然而随着煤炭资源勘查力度的增大，发现远远大于8 m以上的厚煤层，因此，煤层的厚度定义应根据实际煤层厚度及现有开采技术能力而有所调整。许猛堂确定煤厚超过20 m以上的煤层为巨厚煤层，试验模拟西山窑组下段下部的9-15号煤层，9-15号煤层是井田唯一巨厚煤层，且为稳定煤层，顶板以粉砂岩、泥岩为主；底板以泥岩、粉砂岩为主，煤厚23.3～25.6 m，平均25.4 m。

1.2 相似参数的确定

在研究采动覆岩演化规律的物理相似模拟试验中，要实现试验现象与实际现场现象的相似必须满足几何相似、动力相似和运动相似这3个条件，为了更好的提高模型与原型匹配度，根据试验要求，计算得到相似常数见表1。

表1 试验模拟相似常数Table 1 Test simulation sim ilarity constants

1.3 模型制作

选择合适的实验材料进行物理相似模拟试验，是试验成功的基础。选择沙子作为骨料，石膏和淀粉作为胶结材料，因为石膏、淀粉和沙子在混合搅拌后所呈现出的硬化特性为制作得到的模型岩层强度提供了一定的保证，云母作为模型分层材料。模型材料如图1。

图1 模型材料Fig.1 M odelmaterials

试验过程如下：

1）模型搭建。用不同配比下的煤、沙子、石膏和淀粉进行配制来模拟岩层，进行模型搭建。

2）模型干燥。将搭建完成的模型进行晾干，并布置相应的位移测点与加载相应的配重。测线布置图如图2。

图2 测线布置图Fig.2 Layout of the survey line

3）模型开采。工作面开采时记录每次来压后位移测点的位移量与离层、破断裂隙等物理量。

2 试验结果

2.1 覆岩垮落形态

随着工作面的推进，上覆岩层受采动影响，会形成“三带”：垮落带、裂隙带、弯曲下沉带。垮落带位置处于工作面附近，基本直接接触煤层，处于这一范围内的岩层由于煤层采高问题，随着工作面推进掉落下来时易碎，且分布杂乱，垮落带上方是裂隙带，这一范围内的岩层，较于垮落带岩层分布规则，且岩层内部存在许多裂隙，但是岩层有其原本的连续性。裂隙带上方是弯曲下沉带，其只有工作面推进距足够长时才会显现，相较于裂隙带此范围内岩层裂隙发育一般，且会有离层现象。覆岩“三带”各自范围内岩层特性影响着采煤工作面的矿压显现特征。

本次试验模型几何相似比为1∶200，根据现场实际情况，巨厚煤层综放采煤工作面模型实验，模拟煤层25 m，工作面共推进210 m，周期来压9次，各个周期来压覆岩形态如图3。

图3 各个周期来压覆岩形态Fig.3 Pressing each cycle

根据各个周期来压所对应的推进距离对（9-15）06工作面采空区覆岩裂隙分布形态进行划分，采空区覆岩裂隙形态如图4，由于煤厚与试验自身局限性，本次试验可以观察到完整的垮落带形态。

图4 采空区覆岩裂隙形态Fig.4 The shape of overlying cracks in goaf

2.2 下沉量变化特征

上覆岩层受采动影响，其受到应力作用发生弯曲变形，随着工作面的不断推进，上覆岩层会垮落进而产生竖直方向的位移，上覆岩层各测点的下沉值如图5。由图5得到，第2排测线与第3排测线间距较大，由此可以推断得出：第3排测线下方为垮落带，进而得到（9-15）06工作面巨厚煤层覆岩垮落带模型试验高度为60 m。

300余名汽车后市场专家人士出席了本次活动，中国汽车维修行业协会常务副秘书长王逢铃、广东省道路运输协会机动车检测分会会长罗少泽、迪威欧亚董事长刘晓冰分别为会议致辞。会上众多行业领军人物针对维修连锁、汽车配件供应链等话题发表演讲。放心联合认证中心董事长底彦彬发表以中国汽车维修连锁产业发展分析为主题演讲；北京新汽联科技有限公司CEO张科发表了以中国汽车配件产业供应链发展机遇为主题的演讲随后，驷惠科技董事长项展洲介绍了CAASA软件联盟。进入圆桌论坛环节，CAASA成员单位代表围绕“汽车技术企业发展趋势及行业责任”展开深入探讨。汽车照明协会会长秦立庆以维修与供应链场景下的科技创新为题发表演讲。

图5 覆岩弯曲下沉量曲线Fig.5 Overlying rock bending and sinking

3 讨论

3.1 采动覆岩破断裂隙分布规律

通过对在不同推进距离下裂隙密度的变化来描述采动覆岩裂隙的演化过程。根据物理相似模拟试验中记录的数据：不同推进距离与其所对应的破断裂隙条数，得到各个水平方向上的裂隙密度。

3.1.1 覆岩水平破断裂隙密度分布特征

水平裂隙密度分布图如图6，当工作面距煤柱100 m左右时，裂隙密度最大，但是伴随着工作面的再次向前推进，裂隙密度缓慢下降。这是因为随着工作面的不断推进，垮落带不断发育，破断裂隙不断向上发育，裂隙密度也会随之升高。当工作面再次向前推进时，垮落带发育至最大高度，覆岩向上进入裂隙带，相较于之前破断裂隙发育缓慢，裂隙密度也随之下降。综上所述，裂隙密度在采空区中部达到最大，并且覆岩破断裂隙密度在水平上分布表现为一个抛物线。

图6 水平裂隙密度分布图Fig.6 Horizontal crack density distribution

3.1.2 覆岩垂直破断裂隙密度分布特征

工作面推进至210 m时，根据所收集到的垮落岩层和各岩层破断裂隙数据，绘制的距煤层底板不同距离时的裂隙密度如图7。从图7可知，随着距煤层底板距离的升高，破断裂隙密度不断减小，当距离底板60 m时裂隙密度的下降趋势趋于平缓。造成以上现象的原因距煤层底板60 m范围内的垮落岩层位于垮落带中，裂隙密度较大，当距煤层底板距离超过60 m时，垮落岩层高度超过垮落带的最大高度，裂隙密度明显降低，并且变化趋于平稳。

图7 推进至210 m垂直裂隙密度分布图Fig.7 Vertical crack density distribution

3.2 离层量分布规律

根据工作面采动后各岩层间的竖向位移计算得到采空区覆岩离层量分布，根据计算结果得到采空区离层量分布呈内低外高，离层量如图8。

图8 离层量图Fig.8 Amount of delam ination

由图8可以看出，随着工作面距煤柱距离的增大，离层量分布特征可以划分为3个区域。

1）第1个区域。第1个区域在距煤柱20 m到60 m之间，在此区域范围内，从切眼侧开始由于附近的岩层可以受到煤柱的支撑作用，进而使岩层垮落、弯曲程度变小，导致岩层离层量数值较小，随着工作面推进，其距离切眼的距离增大，上覆岩层由于空洞、煤厚且在应力的多重作用下开始出现大幅度弯曲变形及大量垮落，导致垮落岩层的平均离层量开始逐渐增大，随着距离增大离层量增加到一定程度，由于采空区下部已垮落岩层受周期来压作用进一步被压实，进而导致新生离层裂隙数量也随之减小，当新生裂隙数值小于被压实的离层裂隙数量时，离层量便又随之逐渐减小，第1个区域就是采空区已垮落岩层的裂隙区。

2）第2个区域。因为随着工作面距离煤柱的距离增大，下部垮落岩层大量被压实，上覆岩层垮落的空洞高度开始逐渐减小，上覆岩层由于受到下部垮落岩层的作用，导致其弯曲下降程度逐渐减小，剩余离层裂隙之间间隔开始减小，因此离层量处于较小的一个水平，并且离层量随着距切眼距离的增大整体有较小程度的上下浮动变化，此区域主要是采空区已垮落岩层的压实区。

3.3 采动覆岩“三带”高度计算公式优化

3.3.1 覆岩碎胀系数计算

工作面采动后，上覆岩层受其影响出现破裂，且已垮落岩块间接触面存在空隙，导致受破裂影响后的岩体体积大于未受影响前的岩体体积。为定理描述此变化特征，计算得覆岩碎胀系数Kp为1.39。

式中：V′为破裂后的岩体体积；V为未破坏状态下的岩体体积；M为开采高度，25 m；hn第n排测线与煤层顶板变形前距离，m；△Wn为第n排测线测点下沉值，m。

3.3.2 垮落带高度计算

根据覆岩性质的不同，采空区垮落带最大高度一般采用经验计算公式[22]，但覆岩受弯曲下沉、破裂变形等影响，垮落带的理论计算值往往偏高，且随煤层厚度此因素表现更加明显，因此对经验计算公式进行优化，得式（2），以减少巨厚煤层计算误差。

式中：Hm为垮落带高度，m；M为工作面开采煤厚，试验取25 m；Kp为岩层垮落的碎胀系数，取1.39；Kmax=1.4；α为煤层倾角，试验工作面煤层倾角取0°。

将以上参数代入式（2），得工作面垮落带高度为63.29 m，试验模型高度为60 m。因此说明式（2）用于计算垮落带高度有一定的准确性。

4结论

1）采空区岩层形成垮落带、裂隙带、弯曲下沉带“三带”，通过对覆岩下沉量及覆岩形态分析得到硫磺沟（9-15）06工作面巨厚煤层覆岩垮落带高度为60 m，并对巨厚煤层垮落带最大高度计算公式进行优化。

2）工作面覆岩水平裂隙密度随推进距增加呈现1个抛物线分布，采空区覆岩垂直裂隙密度随岩层距煤层底板距离增大，不断下降，但当其距离超过垮落带最大高度，其密度会骤降且趋于稳定。

3）采空区离层量由于受“横三区”岩层分布特点影响，总体分布呈现“两侧高中间低”。