題正義，董強(qiáng)強(qiáng)，秦洪巖

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新123000)

確定裂隙帶高度是實(shí)現(xiàn)水體下安全開采和瓦斯抽采的一個(gè)重要技術(shù)，裂隙帶高度在我國的煤炭工作者的多年研究中已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展［1-2］。研究結(jié)果表明裂隙帶的發(fā)育高度主要與采厚、采深、頂板巖性和工作面跨度等因素有關(guān)［3］。由于厚煤層綜放開采裂隙帶高度的研究成果相對(duì)來說較少，《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中也沒有給出綜放開采的裂隙帶發(fā)育高度的計(jì)算公式［4-5］。規(guī)程中的裂隙帶計(jì)算公式是劉天泉院士根據(jù)20 世紀(jì)80 年代我國華北地區(qū)的煤礦實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)用多元統(tǒng)計(jì)分析整理所得，收集的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)都是一次采全厚的裂隙帶高度［6-8］。本文從理論類比計(jì)算和數(shù)值模擬得出工作面的裂采比和裂隙帶高度，通過試采工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)進(jìn)行檢驗(yàn)，最終確定綜放開采頂板裂采比。

1 工程概況

某井田3 號(hào)煤層呈層狀產(chǎn)于延安組第三段上旋回的頂部，層位穩(wěn)定，分布廣泛，厚度在7.55 ～10.36 m之間，平均9.06 m，是區(qū)內(nèi)主要可采煤層。井田礦井?dāng)M采用大采高綜放開采，采3.8 m 放5.26 m。井田3 號(hào)煤層覆巖破壞高度研究屬于堅(jiān)硬巖性條件下厚煤層綜放開采覆巖破壞高度研究。

2 裂隙帶高度理論預(yù)計(jì)

井田礦井屬于新建礦井，無實(shí)際的覆巖破壞觀測(cè)資料，只能借鑒全國其他類似地質(zhì)條件的煤礦開采經(jīng)驗(yàn)。因此，我們采用類比分析法來分析3 號(hào)煤層綜放開采的覆巖破壞規(guī)律［9-14］。類似于礦井3 號(hào)煤層水體下綜放開采的實(shí)例有:陜西省彬縣煤炭責(zé)任有限公司下溝煤礦涇河下厚煤層綜放開采與神東公司榆樹灣煤礦3 號(hào)煤層綜采分層開采，對(duì)井田3 號(hào)煤層綜放開采具有重要的借鑒意義。

①下溝礦涇河下綜放開采

下溝煤礦地處彬長煤田邊緣，井田面積11 km2，可采儲(chǔ)量為0.91 億t，涇河下壓煤0.41 億t，約占礦井地質(zhì)儲(chǔ)量的21%。下溝煤礦主采3 號(hào)煤層，煤層在涇河下的厚度為8 ～14 m，上覆煤巖柱為軟弱偏中硬類型。2005 年9 月至2006 年5 月在涇河下的一個(gè)面進(jìn)行了綜放試采。工作面南北長約1 060 m，東西寬93.4 m，設(shè)計(jì)采高8.5 m。試采過程中在試采工作面的合適位置設(shè)計(jì)并施工了兩個(gè)覆巖破壞觀測(cè)孔對(duì)綜放開采的“兩帶”高度進(jìn)行了觀測(cè)研究;利用鉆孔采取巖心實(shí)驗(yàn)測(cè)定的巖石力學(xué)參數(shù)，采用變形分析法分析計(jì)算涇河下3 號(hào)煤層綜放開采的裂隙帶高度。通過理論計(jì)算再與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，最終確定了涇河下試采工作面綜放開采覆巖破壞裂采比為12.71。

②榆樹灣煤礦綜采分層開采

榆樹灣煤礦位于陜北侏羅紀(jì)煤田榆神礦區(qū)的東南部，鄰近雙山礦，井田地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，主采煤層為3 號(hào)煤層。目前榆樹灣煤礦已開采一個(gè)工作面，綜采分層開采，初分層采高為5 m。工作面覆蓋層厚度為203 ～295 m，其中基巖厚度在120 ～150 m，表土層厚為103 ～145 m，隨著工作面的開采覆蓋層厚度逐步增加，基巖層屬于堅(jiān)硬類型。榆樹灣煤礦的水文地質(zhì)條件與井田礦井類似，第四系含水層組強(qiáng)弱皆有分布，基巖承壓含水層組富水性弱，第四系含水層組與基巖承壓含水層組之間有穩(wěn)定的紅土隔水層，兩者未形成統(tǒng)一含水體。綜采初分層開采期間工作面最大涌水量為25 m3/h，判斷綜采初分層裂隙帶未波及到第四系含水層組，但根據(jù)其涌水量出水規(guī)律判斷其裂隙帶已發(fā)育至風(fēng)化帶，裂采比應(yīng)該在15 ～20 倍之間。后經(jīng)煤炭科學(xué)研究總院西安分院綜合分析，得出榆樹灣煤礦綜采初分層開采裂高采厚比為18 倍。

③井田綜放開采裂隙帶高度預(yù)計(jì)

綜合上述兩個(gè)實(shí)例分析，下溝礦綜放開采厚度與井田相近，但井田3 號(hào)煤層上覆煤巖柱屬于堅(jiān)硬類型，而下溝礦8 號(hào)煤層上覆基巖柱屬于軟弱偏中硬類型，因此井田礦井綜放開采的裂采比應(yīng)該大于下溝礦的12.71;榆樹灣煤礦與井田礦井覆巖結(jié)構(gòu)及水文地質(zhì)條件類似，但榆樹灣煤礦屬于綜采初分層開采，相當(dāng)于綜采一次采全高，其裂采比應(yīng)高于綜放開采，因此井田礦井綜放開采裂采比應(yīng)小于榆樹灣煤礦，則井田礦井的裂采比應(yīng)在12.71 ～18 之間。

3 裂隙帶高度數(shù)值模擬

FLAC 數(shù)值模擬軟件廣泛應(yīng)用于巖土工程和采礦工程等領(lǐng)域。該軟件基于巖石力學(xué)相關(guān)理論，采用拉格朗日元算法進(jìn)行計(jì)算。軟件內(nèi)含11 個(gè)彈、塑性材料本構(gòu)模型，并可以針對(duì)特殊情況，利用FISH自定義分析，進(jìn)行深入而準(zhǔn)確的計(jì)算和分析［15-17］。

3.1 數(shù)值模型的建立

井田礦井首采面1303 工作面設(shè)計(jì)長度185 m，推進(jìn)距離約1 409 m。經(jīng)鄰近鉆孔M103、M503、M305揭示上覆巖層主要有:第四系上更新統(tǒng)Q3，主要為薩拉烏蘇組Q13s;第四系中更新統(tǒng)Q2，主要為離石組Q21;新近系上新統(tǒng)N2，主要為靜樂組N2j;侏羅系中統(tǒng)J2，包括延安組第四段J2y4 及延安組第三段J2y3，本礦主采煤層3 煤位于J2y3 上部。

基于FLAC 建模原理，應(yīng)用FLAC 軟件，根據(jù)M103、M305、M503 鉆孔，建立1303 工作面煤巖層分析模型，模型長1 100 m，高200 m，共劃分為10 340 個(gè)單元，21 658 個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型四周施加水平約束使邊界水平位移為零，底部為固定邊界，頂部為自由邊界。

為簡(jiǎn)化建模，根據(jù)鉆孔M103、M305、M503 所得巖層分布，考慮具有相似力學(xué)性質(zhì)巖層的組合特征并將其劃為一組，將研究區(qū)內(nèi)煤巖層共劃分為13 個(gè)層組，其中3 號(hào)煤層的埋深為191 m，煤厚為9.06 m。通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)定獲得煤巖層的力學(xué)參數(shù)，部分無法測(cè)定的取統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的平均值。模型頂端施加等效載荷，即自重應(yīng)力，上覆巖層的體積力按25 kN/m3計(jì)算。各煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanics parameters of rock and coal

3.2 覆巖破壞高度的確定原則

模擬巖體采用的彈塑性本構(gòu)模型是莫爾-庫侖型，其屈服準(zhǔn)則描述如下:

式中:σ1為最大主應(yīng)力，MPa;σ3為最小主應(yīng)力，MPa;C 為粘結(jié)力，MPa;φ 為內(nèi)摩擦角，(°)。

當(dāng)fs＞0 時(shí)，巖層發(fā)生剪切破壞。隨著工作面回采，頂板上覆巖層相繼出現(xiàn)不同的破壞。自下而上可以分為:垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。其中垮落帶又分拉張破壞區(qū)和局部破壞區(qū)，拉張破壞區(qū)指巖層由于雙向拉應(yīng)力的作用被拉斷、垮落的區(qū)域。彎曲下沉帶指彈性區(qū)和剪切破壞區(qū)。裂隙帶指巖體由于某一方向上大于其抗拉強(qiáng)度的拉應(yīng)力作用而產(chǎn)生一定方向的張裂隙，不同大小和貫通狀況的裂隙對(duì)巖體的滲透性和破壞程度不同。彎曲下沉帶的下限定義為裂隙帶上限，將垮落帶上限定義為裂隙帶下限。

巖石一般具有較高的抗壓強(qiáng)度和較低的抗拉強(qiáng)度。對(duì)于一次采放厚度較大的綜放工作面而言，低抗拉特性在覆巖整體應(yīng)力重新分布中表現(xiàn)更為突出。因此可根據(jù)抗拉強(qiáng)度準(zhǔn)則，即3 倍的抗拉強(qiáng)度來判斷巖體是否產(chǎn)生拉伸破壞。

3.3 模擬結(jié)果的分析

為研究裂隙帶高度隨著工作面推進(jìn)距離的增加，分別模擬了工作面推進(jìn)距離為100 m、200 m、400 m、800 m 四種方案情況下覆巖破壞程度，工作面推進(jìn)800 m 時(shí)的破壞場(chǎng)分布如圖1 所示。由破壞場(chǎng)的分布圖(見圖1)可以看到，自工作面開切眼回采開始，工作面頂?shù)装寮懊罕谇胺胶凸ぷ髅婧蠓骄饾u產(chǎn)生明顯的破壞區(qū)域，隨著工作面的不斷回采，破壞范圍逐漸呈現(xiàn)出明顯的“馬鞍”型。工作面不同推進(jìn)長度時(shí)的裂隙帶發(fā)育范圍和高度，詳見表2。

圖1 工作面推進(jìn)800 m 破壞場(chǎng)Fig.1 Damage fields while working face forward 800 m

表2 工作面推進(jìn)不同階段裂隙帶的發(fā)育高度Tab.2 Fissure and collapse field's height while working face in various positions

通過表2 可以發(fā)現(xiàn)，工作面回采前期，裂隙帶的發(fā)育范圍和高度較小，且隨著工作面的推進(jìn)均不斷增加;當(dāng)工作面推進(jìn)到400 m 之后，裂隙帶的范圍僅沿工作面推進(jìn)的水平方向上不斷擴(kuò)大，而最大發(fā)育高度在132 m 左右不再增加，數(shù)值模擬的最大裂隙帶高度為132 m，則裂采比小于14.57。

4 試采工作面裂隙帶高度實(shí)測(cè)

對(duì)試采工作面的頂板裂隙發(fā)育情況打鉆孔實(shí)測(cè)，一共打孔6 個(gè)，打孔時(shí)距工作面的距離是8 m至14 m 范圍，六個(gè)鉆孔的角度分布如圖2 所示。

1 ～6 號(hào)鉆孔分別對(duì)應(yīng)的裂隙帶的發(fā)育高度是121 m、118 m、120 m、122 m、117 m 和113 m，4 號(hào)鉆孔測(cè)得的裂隙帶發(fā)育高度最大為122 m。圖3 為4 號(hào)鉆孔的觀測(cè)過程截圖，從圖3 中可以看出:鉆孔深度71 m 時(shí)有縱向裂隙，深度為98 m 時(shí)有橫向裂隙，當(dāng)深度大于126 m 之后就再也沒有裂隙的存在，根據(jù)4 號(hào)孔的角度可以得出工作面的裂隙帶的高度為122 m，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的裂采比為13.47。

圖2 鉆孔角度及位置示意圖Fig.2 Schematic plot of borehole angle and location

圖3 鉆孔觀測(cè)過程截圖Fig.3 The screenshot of observation process

采用類比法分析得到工作面裂采比范圍是12.71 ～18，通過數(shù)值模擬得出裂采比小于14.57，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)為13.47，由此可見，類比法分析和數(shù)值模擬的結(jié)果是可靠的。通過三種方法確定綜放工作面的裂采比既充分利用了已有經(jīng)驗(yàn)，又緊密結(jié)合了礦井實(shí)際情況，準(zhǔn)確確定了工作面裂采比，為礦井防水提供可靠的理論依據(jù)。

5 結(jié) 論

①通過理論分析得出3 號(hào)煤層的裂采比是12.71 至18，通過數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)得出裂采比的范圍是13.47 至14.57，理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，相互得到了驗(yàn)證，使得結(jié)果更加可靠;

②由以上的理論分析、數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得出當(dāng)采厚相等條件下綜放開采的裂采比小于綜采分層開采的裂采比;

③綜合分析得出類比法在該礦井的裂隙帶高度預(yù)計(jì)過程中是可以應(yīng)用的，而且方法準(zhǔn)確可靠，能滿足礦井的生產(chǎn)安全。

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