重复采动下综放面采动裂隙发育高度预测

白雪斌

(山西工程技术学院 矿业工程系， 山西 阳泉 045000)

近年来，国内学者对导水裂隙带发育高度的预测和确定进行了大量研究,主要通过理论计算、物理模拟、数值模拟和现场实测等[1-5],确定了在综放开采条件下煤矿导水裂隙带发育高度的影响因素按影响程度从大到小依次为开采厚度、工作面斜长和开采深度。此外，曾先贵等[6-10]众多学者利用数值模拟对特定开采条件下导水裂隙带发育高度进行了研究,发现随工作面长度和采高的增加,覆岩导水裂隙带高度也增加,但工作面长度对覆岩导水裂隙带高度起主导作用，并给出了采动条件下导水裂隙带高度的预测方法。

本文以某矿4-2煤层现开采的42107工作面为例，采用工程类比法、经验公式法、UDEC数值模拟法，预测重复采动下42107综放面采动裂隙发育高度。

1 概 况

1.1 工程概况

42107综放工作面布置在4-2煤层一盘区，该盘区主采2-2煤层与4-2煤层，上层为前期已采的2-2煤层采空区，下层为现阶段开采的4-2煤层。一盘区2-2煤层平均采高为3.6 m，4-2煤层平均采高6.5 m，两层煤间距55～80 m. 42107工作面倾向长度303.3 m，走向长度4 807.9 m，倾角为1°～3°. 采煤方法采用倾斜长壁后退式综合机械化放顶煤开采，全部垮落法处理采空区顶板。煤层顶板主要由砂质泥岩、泥岩和细粒砂岩组成，底板岩性以泥岩和砂质泥岩为主。42107工作面开采条件见图1.

图1 42107工作面开采条件图

1.2 关键层判别

根据地质钻孔资料，利用关键层判别软件判别覆岩关键层的位置，判别结果见图2.

图2 钻孔关键层判别结果图

由图2可知，4-2煤层上覆岩层主要由砂质泥岩、泥岩和细砂岩组成，煤层上覆松散层厚16.7 m，上覆基岩厚16.7～368.1 m，覆岩中有6层亚关键层，1层主关键层，上下煤层间赋存有两层亚关键层，在2-2煤层上方存在厚度为39.39 m的亚关键层。

1.3 工程实例类比

该矿4-2煤层已采完工作面来压规律，见表1. 通过对比同一煤层其他工作面矿压规律及裂隙带高度，可推测出42107工作面基本顶初次来压步距变化为51～58 m，持续距离为8～10 m，动载系数1.3～1.5，周期来压步距变化为13～16 m，持续距离5～7 m，动载系数1.1～1.3，采动裂隙发育高度为190～353 m.

表1 4-2煤层已采完工作面来压规律统计表

2 采动裂隙发育高度理论计算

将煤层覆岩分为坚硬、中硬，采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中导水裂缝带高度Hd的计算公式，分别计算覆岩是坚硬岩层和中硬岩层时导水裂隙带的发育高度。

按坚硬岩层计算：

(1)

按中硬岩层计算：

(2)

式中，∑M为累计采高，Hd为采动裂隙发育高度。

根据实际的地质条件，2-2煤层厚度按3.6 m计算，得出2-2煤层采后的导水裂缝带高度为47～66 m，4-2煤层厚度按6.5 m计算，2-2煤层和4-2煤层的累计煤层厚度约为10.1 m，得出4-2煤层采后联合2-2煤层采动引起的导水裂缝带高度为122～141 m.

3 采动裂隙发育高度数值模拟分析

通过UDEC数值模拟软件，模拟研究先采2-2煤层再采4-2煤层后，覆岩破坏及采动裂隙发育高度，分析2-2煤层和4-2煤层采后的位移应力分布特征。

3.1 数值模型建立

根据42107工作面具体地质生产条件，建立模型，模型尺寸为1 200 m×477 m×450 m，其中X轴方向为工作面倾向，Y轴方向为模型高度。在模型中上层煤布置22105、22106和22107工作面，宽度为230～320 m，煤层高度3.6 m，下层煤布置42106和42107工作面，煤层高度6.5 m，宽度为310 m，为减小模型边界的影响，模型两端边界煤柱至少留设50 m. 数值计算模型见图3.

图3 数值计算模型图

材料准则选用摩尔-库伦准则，煤岩物理力学参数见表2. 按照2-2煤和4-2煤各工作面实际的倾向位置关系，先开采上2-2煤层后观测覆岩破坏形态，分析应力位移数据，后开采4-2煤层后观测覆岩破坏形态，分析应力位移数据。

表2 煤岩体物理力学参数表

3.2 数值模拟结果分析

3.2.1 2-2煤层采后覆岩破坏形态

2-2煤层开采过程中，覆岩破坏形态见图4.

图4 2-2煤层回采结束时覆岩破坏形态图

由图4可知，回采2-2煤层过程中，第一个工作面回采结束后其上方的亚关键层3发生破断，其控制的上覆软岩产生弯曲下沉。在第二个工作面回采结束后，随着开采空间不断加大，工作面上方亚关键层4与下部软岩之间发生微小离层。结合图2可知，此时覆岩中采动裂隙已发育到53 m. 在第三个工作面回采结束后，工作面上方亚关键层4与下部软岩之间的离层空间加大。随着2-2煤层各工作面回采结束，亚关键层4未发生完全破断，仅产生挠曲下沉，并与下部岩层发生较大离层，此时覆岩中裂隙发育高度为60～65 m，亚关键层4下的离层空间也逐渐增大。通过模拟比例换算得出，在开采空间不断增大的情况下，亚关键层4下离层较第一个工作面开采结束时增加0.33 m2，增大0.25倍；亚关键层4下离层空间增加69 m2，增大0.29倍。

综上所述，在2-2煤层回采过程中，由于厚硬亚关键层4的存在使得工作面开采的跨落带只能发育到亚关键层3和亚关键层4之间，裂隙带发育到亚关键层4底界面，即2-2煤采后采动裂隙为53 m. 2-2煤层回采结束时塑形区与位移图见图5.

图5 2-2煤层回采结束时塑性区与位移图

由图5可知，厚硬亚关键层4的存在使得煤层开采的主要移动变形区集中于跨裂带下部区域内，亚关键层4上覆岩层移动下沉值变化不大。所以2-2煤层的开采对亚关键层4影响较小，亚关键层4保持水平状态，以板的形式控制着上方覆岩的移动变形，其受到的水平应力平均为21 MPa，基本处于原岩应力状态，随着2-2煤层其他工作面的开采，采空区覆岩破断释放了水平应力。

3.2.2 4-2煤层采后覆岩破坏形态

4-2煤层开采过程中，覆岩破坏形态见图6.

图6 4-2煤层回采结束时覆岩破坏形态图

由图6可知，当42107工作面回采结束后，工作面上方亚关键层5均已破断，工作面上方岩层整体下沉，亚关键层5的回转变形量增加，并失去了对上方覆岩的控制，其上的应力拱结构失稳。采动裂隙的影响范围随工作面推进不断增大，最终达到稳定范围，且原岩应力受扰动范围在采空区上方有明显的分界范围，为模型上方271 m处，贯穿亚关键层KS5，下方的卸压区形成可能与破断的高位关键层块体的承载特性有关，此时随着开采范围的增加，应力拱的拱脚横跨工作面两端，拱顶发育到更高的层位。即工作面的采动已经影响到亚关键层6，在此关键层下方出现微小离层空间，新的应力拱承载结构在其上方形成。

模拟得出，4-2煤层采后联合2-2煤层采动引起的采动裂隙高度为271 m.

在4-2煤层的开采过程中，开采范围持续增加，覆岩的破坏高度将更大程度的增加，亚关键层5上承受的载荷也不断增加，当其承受的载荷达到亚关键层5的承载极限时，亚关键层5发生破断。亚关键层5承受载荷增加，进而变形量增大，载荷传递到区段煤柱，造成煤柱支撑应力增大，4-2煤层回采结束时塑性区与位移见图7. 在亚关键层5破断前工作面前方和后方处最大应力分别为56 MPa和51 MPa，煤柱上的应力约为46 MPa. 亚关键层5破断后工作面前方和后方煤壁前方支承应力较亚关键层5破断前明显降低，分别为34 MPa和32 MPa，煤柱上的应力约为35 MPa.

图7 4-2煤层回采结束时塑性区与位移图

通过对比经验公式和数值模拟结果，可知现有的经验公式将顶板岩性概化地分为坚硬、中硬、软岩、极软弱4类，尚未考虑煤层覆岩中具体岩层结构的差异性，尤其对于该矿重复采动条件下多层坚硬顶板导水裂隙带的计算，需要结合现场矿压显现状况来综合判断覆岩破坏高度。

4 结 论

1) 通过对比同一煤层其他工作面矿压规律，可推测出42107工作面初次来压步距、周期来压步距、动载系数的范围。

2) 通过数值模拟覆岩破坏特征，确定了重复采动下综放面采动裂隙累计发育高度，4-2煤采后联合2-2煤采动引起的采动裂隙已经发育到KS6底界面，即2-2煤采后采动裂隙发育高度为53 m，2-2煤层和4-2煤层回采后的综合采动裂隙发育范围为271 m.

3) 对于该矿重复采动条件下多层坚硬顶板采动裂隙发育高度的计算，传统公式计算方法与数值模拟结果有一定差距。根据现场矿压显现，数值模拟结果与现场实测资料更吻合，研究结果为相似条件下采动裂隙发育高度计算提供了参考和借鉴。