鄭宏旭

（霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦，山西 霍州 031412）

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電10-428B工作面位于10#煤層?xùn)|四左翼采區(qū)，工作面位于東四左翼采區(qū)北側(cè)，南面為東四左翼軌道巷、皮帶巷，西面為10-428A工作面。工作面開采10#煤層，煤層均厚為2.6m，10#煤層位于太原組下段上部，全井田可采，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、含兩層或三層夾矸。10#煤頂板巖性以泥巖石灰?guī)r和砂巖為主，直接底為砂質(zhì)泥巖（0.8m）；老底為中砂巖（7.0m）。

10-428B工作面的主要水源為10#基本頂K2灰?guī)r巖溶裂隙水，該含水層巖溶裂隙發(fā)育，含水豐富，現(xiàn)分析10-428B工作面回采期間覆巖的運(yùn)動(dòng)情況，掌握工作面回采期間覆巖導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，以有效指導(dǎo)后續(xù)工作面防治水工作面的開展，特進(jìn)行工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的研究分析。

2 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度理論分析

根據(jù)10-428B工作面的具體地質(zhì)條件可知，工作面長度240m，可采走向長度880m，周期來壓步距平均為18m，覆巖的平均厚度為4.5m，據(jù)此可知，工作面上覆巖層板的厚度h與板寬度之間的比值為K≤1/5，據(jù)此薄板理論，可將覆巖視為薄板進(jìn)行分析[1-3]，現(xiàn)采用基于壓力拱效應(yīng)的薄板理論進(jìn)行導(dǎo)水裂隙帶動(dòng)態(tài)高度的分析。

1）壓力拱效應(yīng)：根據(jù)導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)巖層破壞的原因，大致可將導(dǎo)水裂隙帶劃分為剪切破壞區(qū)和張拉破壞區(qū)，具體工作面上覆巖層破壞區(qū)的性質(zhì)及分布特征如圖1所示。根據(jù)壓力拱理論可知，導(dǎo)水裂隙帶在走向上的發(fā)育斷面圖呈現(xiàn)為拱形，圖1中的剪切破壞區(qū)相對(duì)不發(fā)育，可近似將導(dǎo)水裂隙帶的高度視為張拉破壞區(qū)的高度，即前后兩條破裂線與上部巖層形成大的梯形區(qū)域。

圖1 工作面上覆巖層破壞區(qū)的性質(zhì)及分布特征

壓力拱效應(yīng)認(rèn)為下部巖層所受的載荷與上部巖層的自重并不相等，故建立導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度模型前，需確定張拉破壞區(qū)所受載荷情況。如圖2所示，在工作面初始開采階段，推進(jìn)方向上煤層上方的第一層巖層S1為主要承載層，隨著工作面回采S1發(fā)生破斷垮落，形成1#垮落平衡拱，此時(shí)上部的S2巖層稱為主要承載層，2#垮落平衡拱隨著回采作業(yè)的進(jìn)行會(huì)逐漸發(fā)育，隨著回采作業(yè)的進(jìn)一步進(jìn)行，平衡拱會(huì)逐漸發(fā)育上移，最終達(dá)到充分采動(dòng)，停止發(fā)育[4-6]。同理在工作面傾向方向阿時(shí)能夠平衡拱的發(fā)育形態(tài)同樣如此。

圖2 工作面推進(jìn)與傾向方向覆巖破斷形態(tài)圖

針對(duì)上覆巖層薄板模型建立基本的微分方程，薄板的長采用a表示，寬采用b表示，厚度采用h表示，分別將長寬厚位于xyz軸上，建立各變形應(yīng)變參量彎曲變形時(shí)的撓度方程w（x,y），在通過平衡方程求出薄板彎曲微分方程，具體薄板力學(xué)模型如圖3a。

圖3 薄板力學(xué)模型圖

根據(jù)彈性力學(xué)知識(shí)能夠推導(dǎo)得出，以w(x,y)為基礎(chǔ)變量的薄板彎曲基本微分方程表達(dá)式為：

在工作面回采過程中，上覆巖層的力學(xué)模型屬于四邊固支的薄板，力學(xué)模型如圖4b所示，薄板面所受的荷載呈現(xiàn)為正弦函數(shù)的分布，基于材料力學(xué)知識(shí)能夠推導(dǎo)出第n層巖層中心處的撓度表式為：

式中：E為第n層巖層的彈性模量；hi為第i層巖層的厚度；v為第n層巖層的泊松比；θ1、θ2和θ3、θ4分別為工作面走向方向上的破裂角和傾向方向的破裂角；λ為平衡拱內(nèi)巖層的平均容重，Lx、Ly分別為工作面的斜長和推進(jìn)距離。

根據(jù)薄板的抗拉強(qiáng)度能夠推導(dǎo)出薄板的極限跨距am和bm，表達(dá)式為：

聯(lián)立式（2）～（4）能夠計(jì)算得出巖層的垮落距Lx，采用薄板模型判斷導(dǎo)水裂隙帶高度時(shí)，有以下原則：①當(dāng)?shù)趈層巖層的實(shí)際撓度小于極限撓度時(shí)，此時(shí)該巖層不會(huì)發(fā)生破斷，當(dāng)巖層所受撓度超過極限撓度時(shí)，巖層便會(huì)發(fā)生破斷；②當(dāng)?shù)趈層的極限跨距下巖層的撓度大于下方自由空間高度時(shí)，不會(huì)發(fā)生破斷，在該巖層處導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度達(dá)到最大值。

根據(jù)10-428B工作面具體地質(zhì)條件，采用壓力拱理論進(jìn)行導(dǎo)水裂隙帶高度的分析，巖層破斷角經(jīng)過相似模擬實(shí)驗(yàn)，取θ1～θ4均為60°，具體計(jì)算結(jié)果如表1所示。

根據(jù)10-428B工作面上覆巖層的計(jì)算結(jié)果及表1中的數(shù)據(jù)可知，工作面上覆14#巖層的極限撓度為1.785m,大于其下部空間的高度1.305，根據(jù)判別準(zhǔn)則可知該巖層不會(huì)發(fā)生破斷，工作面上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶在該層達(dá)到最大值，導(dǎo)水裂隙帶的高度穩(wěn)定在42.56m，根據(jù)計(jì)算過程能夠繪制出導(dǎo)水裂隙帶的動(dòng)態(tài)發(fā)育過程如圖4所示。

3 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度現(xiàn)場實(shí)測

為充分保障10-428B工作面導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度不會(huì)導(dǎo)通上覆采空區(qū)，需準(zhǔn)確得出導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，故進(jìn)一步采用鉆孔彩色窺視進(jìn)行10-428B工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的觀測分析，工作面煤層底板平均埋藏深度為331.15m，通過工作面埋深減去煤層厚度及觀測得出的裂隙帶的標(biāo)高，即能夠得出導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度。

表1 工作面上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算結(jié)果

圖4 導(dǎo)水裂隙動(dòng)態(tài)發(fā)育過程曲線圖

本次利用工作面回采前的疏水鉆孔進(jìn)行窺視作業(yè)，鉆孔垂直頂板打設(shè)，根據(jù)觀測結(jié)果能夠得出如圖5所示圖像。

圖5 頂板導(dǎo)水裂隙帶鉆孔彩色窺視觀測圖像

根據(jù)鉆孔窺視結(jié)果及圖5a中的圖像可知，鉆孔內(nèi)在279.07m深度及以上的巖層較為完整，從窺視結(jié)果上看該區(qū)域的巖層主要由泥巖和砂質(zhì)泥巖組成，且從圖像上能夠看出該區(qū)域無明顯的采動(dòng)裂隙存在。

分析圖5b可知，在窺視鉆孔深度279.07～279.27m之間，存在一個(gè)近乎垂直的裂隙，在286.3～294.6m之間巖層存在著眾多的離層現(xiàn)象，另外能夠看出在294m深度以下的巖層中，裂隙發(fā)育現(xiàn)象明顯，且裂隙基本以近乎垂直的方向發(fā)育，基于此該區(qū)域的裂隙發(fā)育情況可知，在鉆孔深度為279.07的位置處為導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育頂部。

分析圖5c可知，在鉆孔深度298.9m以下的區(qū)域，巖層的破壞現(xiàn)象嚴(yán)重，裂隙發(fā)育程度高，且從圖像中能夠看出存在著較大的空洞，據(jù)此可知該處存在著巖層的垮落塌陷現(xiàn)象，結(jié)合窺視結(jié)果，判定在鉆孔298.8m的深度處為上覆巖層垮落袋的頂部邊界。

因此根據(jù)煤層底板的深度，導(dǎo)水裂隙帶的計(jì)算式為：

式中：H為導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度；H'為煤層底板的埋藏深度；M為煤層的厚度；h為導(dǎo)水裂隙帶的頂部深度；基于上述窺視結(jié)果能夠得出導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度H=331.15-279.07-3.4=48.68m。

根據(jù)鉆孔窺視結(jié)果得出的工作面導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度與基于壓力拱效應(yīng)的薄板理論計(jì)算得出的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度基本相同，導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度為48.68m。

4 結(jié)論

根據(jù)10-428B工作面的地質(zhì)條件，采用基于壓力拱效應(yīng)的薄板理論進(jìn)行導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的理論計(jì)算和分析，根據(jù)分析結(jié)果可知，導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度為42.56m，通過工作面鉆孔窺視結(jié)果，得出工作面導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度為48.68m，與理論分析結(jié)果相近，驗(yàn)證了理論分析的正確性。