急倾斜煤层采动垮冒高度分布规律研究

王磊 WANG Lei；王坤 WANG Kun；龙在海 LONG Zai-hai；王永敬 WANG Yong-jing；师吉林 SHI Ji-lin；姬周飞 JI Zhou-fei

（①国家能源集团新疆能源有限责任公司乌东煤矿，乌鲁木齐 830000；②中煤科工集团沈阳研究院有限公司，抚顺 113122；③中煤科工集团沈阳研究院有限公司煤矿安全技术国家重点实验室，抚顺 113122）

0 引言

采空区内部空隙和裂隙分布是漏风、瓦斯赋存和有害气体运移的载体，为了控制急倾斜煤层在采动影响条件下瓦斯涌出和采空区自然发火等灾害，必须掌握急倾斜煤层采动垮冒带高度发育情况。近年来，国内学者对缓倾斜煤层、倾斜煤层导水裂隙带发育高度和确定进行了大量研究，主要通过理论计算、相似模拟、数值模拟和现场实测等，研究不同的影响因素对开采煤层的导水裂隙带发育高度的影响程度。此外，还有些学者针对特定的开采条件下利用数值模拟软件，研究导水裂隙带发育高度[1-4]。但是，鲜有学者对急倾斜煤层的采动垮冒带高度分布规律进行研究。

本文采用理论分析和3DEC数值模拟的方法对其开展研究，为后期矿井采空区的火灾防治和流场分析等研究提供科学的依据。

1 急倾斜煤层概况

乌东煤矿南区B3+6煤层倾角86°～89°，平均倾角87°，走向N58°～60°之间，最大厚度52.3m，最小厚度39.85m，平均厚度48.87m，内含夹矸4～20层，夹矸总厚0.08～4.40m，有益厚度为44.99m，属于急倾斜特厚煤层。南区B1+2煤层平均厚度为30m，倾角85°～88°，平均倾角87°，走向N58°～60°之间，全井田范围煤稳定可开采。B1+2、B3+6煤层最短自然发火期均为45天，且煤尘具有爆炸危险性。南区B1+2、B3+6煤层初次开采标高为+550m，分阶段综放开采，阶段高度25m，已开采至+425m。

南区B1+2、B3+6煤层及岩层的宏观力学参数见表1所示，各岩层接触面细观参数见表2所示。

表1 南区各煤岩层宏观参数

表2 南区各煤岩层细观参数

2 采动垮冒带高度理论分析

我国煤炭部门总结的冒落带和导水裂隙带最大高度的经验公式见表3所示[5-7]。

表3 冒落带和导水裂隙带最大高度的经验公式

根据第1节中，南区B1+2、B3+6煤层开采技术参数可知，目前急倾斜煤层累计采出厚度为150m，针对煤层倾角、煤岩特性参数和采空区顶板管理方法等指标，及冒落带和导水裂隙带最大高度计算公式，急倾斜煤层垮冒带高度可采用下式计算：

式中：M—开采煤层累计采厚。

h1=0.5M=0.5×150m=75m

因此，南区急倾斜煤层由初采标高+550m，开采至+425m后，采空区煤岩体垮冒带高度约为75m。

3 采动裂隙及离散煤块粒径分布数值模拟

3.1 数值模型建立

根据3DEC建模理论（具体参数），在煤层走向上，不同阶段的煤层开挖可以简化为平面应变问题。因此，在煤层走向上（即Y方向）设置为模型的宽度40m，最终建立模型尺寸为360mØ40mØ525m。根据乌东南区地质勘察报告及煤岩体力学报告等内容，在模型竖向施加自重应力，最大主应力方向为平面方向，最小主应力方向为垂直平面方向，对模型施加对应的地应力场。煤岩采用从上而下的开采方式，模型最高标高为+825m水平，上部10m煤岩被开挖掉，此次模型从+550m水平开始，从上到下对煤岩进行逐层开挖，阶段高度为25m左右，B3-6煤层以及B1-2煤层均在开采范围内[8-10]。

3.2 数值模拟结果分析

利用3DEC数值模拟软件，模拟了B1+2、B3+6煤层在不同开采深度条件下，煤层垮冒带高度发育规律及分布情况，如图1所示。

图1中彩色部分所示为大小介于1～20mm之间的裂隙法向位移，灰色部分为法向位移小于1mm的裂隙分布，由于灰色部分裂隙开度（法向位移值）很小，灰色部分的裂隙开度可以忽略，因此，彩色部分展示了煤层采动过程中的动态发育情况。在对B3+6以及B1+2位于+550m的煤层开采后，采动作用主要对煤层的垮冒带发育影响较为显著，特别是在开采工作面附近，将形成较大的垮冒开度，另外，煤层厚度越大，开采的跨度越大，不仅工作面上部裂隙更早地形成贯通区，而且工作面下方的垮冒扩展范围越大，且纵向扩展深度越大。煤层中垮冒带一般以共轭角的形式发生拉伸破坏，在开挖一个阶段高度后，工作面周围围岩出现零星小开度裂隙，这说明，一个阶段高度的煤层开挖，并不会对围岩造成较为明显的影响。

在工作面开采至+525m时，煤层工作面垮冒范围进一步扩大，B3+6煤层空区顶部开始出现程度较大的拉伸破坏，拉裂区影响高度大约为2个开采阶段高度，即50m。B1+2工作面上部拉裂区高度大约为1.5个开采阶段高度，即37.5m，且B1+2上端煤体垮冒区此时并未完全贯通。B3+6及B1+2煤层周围，开始出现较为明显的竖向垮冒区域，中间岩柱裂隙并未贯通。

在工作面开采至+500m时，工作面煤层顶部有明显的块体分离及垮落的现象，在自重应力的作用下掉落下部采空区，B3+6工作面顶板侧的垮冒带渐进拉伸开裂范围逐渐接近3个阶段高度，即75m，工作面底板侧的垮冒区域扩展范围约为3个阶段高度，但影响较大的区域集中在工作面下部约2个阶段高度，即50m范围内。煤层开挖面两侧逐渐形成竖向拉裂隙，由开挖工作面向两侧扩展，但裂隙开度一般小于5mm。

当工作面开采至+450m及+425m水平时，B3+6煤层顶板侧的垮冒开度基本无明显变化，垮冒扩展高度约为3～4个阶段高度，约为75～100m左右。而工作面底板处，其垮冒扩展范围保持在3个阶段高度上。围岩中垮冒带的扩展高度与工作面开采高度范围保持一致，随着开采工作面往垂直向下方向开采而增大。

随着工作面向下水平开采，南区煤层的煤块粒径的变化过程如图2所示。

由图2可知，分离的煤岩块体几乎都集中于煤层中，B3+6及B1+2煤层两侧围岩未产生岩块的分离，视为一个整体。可以看出，煤层工作面顶底板煤块随着工作面的不断推进将产生愈发明显的块体分离，随着工作面的推进，空区高度的增加，使得煤块粒径逐步趋于增大化，显然，工作面顶板处分离的大粒径煤块要多于工作面底板处的分离煤块，这是由于工作面底板处的煤层是随着工作面向下开采而不断更新的，底板受到的开采扰动要比顶板处的煤层更加频繁[11-12]。

4 结论

①根据我国煤炭部门总结的冒落带最大高度的经验公式，计算得到工作面开采至+425水平时，垮冒带最大高度约75m。②理论分析垮冒带高于与3DEC数值模拟结果一致，即煤层开采至+450及+425水平时，煤层顶板侧的垮冒带高度发展趋于稳定，约75～100m，底板侧的垮冒带保持在3个阶段高度约75m。③B3+6与B1+2煤层间的围岩未产生分析；煤层顶板煤块随向下水平开采出现明显块体分离，随着向下开采，煤块粒径逐步趋于增大化，且顶板处分离的大粒径煤块多于煤层底板。