何清波，楊俊生，康新朋，黃義通，安學(xué)東，孫紅星，馬西仃，安星虣

(1. 兗礦新疆礦業(yè)有限公司硫磺溝煤礦，新疆維吾爾自治區(qū)昌吉市，831100；2.西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西省西安市，710054)

煤層在開采過程中，隨著工作面的不斷推進(jìn)，頂板上覆巖層會(huì)發(fā)生不同程度的破斷，最終形成“三帶”[1-2]。研究采場(chǎng)覆巖“三帶”分布規(guī)律對(duì)明確瓦斯抽采層位、支架選型及礦壓監(jiān)測(cè)等具有重要意義[3-4]。

向鵬等[5]將工作面上覆直接頂分為2層，建立2類不同開采階段垮落帶動(dòng)態(tài)分布過程，揭示采空區(qū)垮落帶分布特征；黃學(xué)滿[6]采用采場(chǎng)“豎三帶”的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法，引入采動(dòng)影響下采場(chǎng)覆巖組合劃分的關(guān)鍵層理論，建立能夠較準(zhǔn)確判斷采場(chǎng)“豎三帶”分布范圍的綜合計(jì)算法，并將該方法的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)采場(chǎng)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，證明綜合計(jì)算方法的正確性；張俊文等[7]等針對(duì)新疆屯寶煤礦1154工作面，采用物理相似模擬試驗(yàn)定性分析上覆巖層“三帶”分布規(guī)律；趙鵬翔等[8]采用物理相似模擬試驗(yàn)研究不同回采因素對(duì)“三帶”高度的影響，研究結(jié)果對(duì)明晰不同影響因素下卸壓瓦斯富集區(qū)的識(shí)別有一定指導(dǎo)作用；程國(guó)建[9]結(jié)合開采煤層地質(zhì)條件，采用數(shù)值模擬軟件對(duì)工作面開采過程中圍巖應(yīng)力分布進(jìn)行模擬，分析上覆巖層破壞規(guī)律，確定覆巖“三帶”高度；龔選平等[10]基于相似原理，采用物理相似模擬等手段研究上覆巖層采動(dòng)裂隙發(fā)育特征，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，從而合理確定“三帶”的高度范圍，為優(yōu)化設(shè)計(jì)高抽巷布置層位和高位鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)提供依據(jù)；GUO H等[11]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬研究結(jié)果，對(duì)采場(chǎng)頂板上卸壓區(qū)高度進(jìn)行預(yù)測(cè)，為實(shí)現(xiàn)開采過程中的最佳瓦斯抽放設(shè)計(jì)提供依據(jù)；劉震等[12]采用鉆孔窺視等手段研究深部條帶開采條件下采動(dòng)覆巖裂隙發(fā)育情況，得到特定條件下“三帶”分布特征，為治理采空塌陷區(qū)提供一定理論基礎(chǔ)。

從上述研究可以看出，目前對(duì)于覆巖“三帶”研究主要有理論計(jì)算、數(shù)值模擬、物理相似模擬試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)4種方法。筆者結(jié)合物理相似模擬試驗(yàn)、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等手段，研究?jī)嫉V新疆礦業(yè)有限公司硫磺溝煤礦(4-5)04工作面覆巖“兩帶”分布規(guī)律，以期為后續(xù)瓦斯抽采鉆孔的設(shè)計(jì)提供一定參考。

1 煤礦概況

硫磺溝煤礦礦井劃分為3個(gè)開采水平，(4-5)04工作面為二水平西翼首個(gè)回采工作面，工作面高程控制在+700～+770 m之間。4-5煤層厚度變異系數(shù)為13.09%，全區(qū)穩(wěn)定可采，煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，局部夾矸，夾矸巖性一般為泥巖和碳質(zhì)泥巖，屬穩(wěn)定煤層。4-5煤層為黑色，條痕為黑褐—褐黑色，硬度中等，性脆，節(jié)理裂隙比較發(fā)育，斷口以參差狀斷口為主，結(jié)構(gòu)多呈條帶狀結(jié)構(gòu)。(4-5)04工作面走向長(zhǎng)度2 618.5 m，傾向長(zhǎng)度180.0 m，煤層厚度5.50～6.80 m，平均煤層厚6.15 m，平均傾角24°，煤層瓦斯含量為3～4 m3/t[13]，(4-5)04工作面直接頂以粉砂巖、泥巖為主，局部為炭質(zhì)泥巖，平均厚度10.5 m。4-5煤層采取綜采放頂煤開采方法，頂板全部垮落法充填采空區(qū)。

2 采場(chǎng)覆巖“兩帶”高度相似模擬實(shí)驗(yàn)

2.1 構(gòu)建物理相似模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)

為探究工作面回采后上覆巖層“兩帶”分布規(guī)律，實(shí)驗(yàn)采用幾何比例1∶100二維物理相似模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)開展覆巖“兩帶”分布特征物理相似模擬實(shí)驗(yàn)。模型尺寸2 000 mm×200 mm×1 300 mm，模型高度以上巖層采用配重進(jìn)行均勻加載。在模型中，正面觀測(cè)模型垮落現(xiàn)象，背面設(shè)置下沉量觀測(cè)點(diǎn)，從開切眼處沿煤層法向設(shè)置9排測(cè)點(diǎn)，每排布置18個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距100 mm，測(cè)點(diǎn)處設(shè)置標(biāo)記物以方便測(cè)量。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

設(shè)計(jì)推進(jìn)速度為每次開挖30 mm，對(duì)(4-5)04工作面開展物理相似模擬實(shí)驗(yàn)，每次來壓后觀測(cè)測(cè)點(diǎn)下沉距離，工作面回采完畢后最終得到實(shí)際巖層下沉量變化規(guī)律，如圖1所示。

圖1 傾斜方向測(cè)點(diǎn)下沉量

受煤層采動(dòng)影響，采空區(qū)上覆巖層出現(xiàn)不同程度垮落，沿煤層法向形成垮落帶、裂縫帶及彎曲下沉帶。其中垮落帶受其上方巖層垮落影響發(fā)生斷裂呈無序塊狀；位于裂縫帶巖層發(fā)生垮落，部分形成破斷裂隙；彎曲下沉帶巖層整體結(jié)構(gòu)未發(fā)生較大破壞。得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果：(4-5)04工作面垮落帶實(shí)測(cè)高度為22～28 m，平均垮落帶高度為25 m；巖層裂縫帶高度為89.5～130.5m，平均高度為110.0 m；之上為彎曲下沉帶。

工作面“兩帶”物理相似模擬如圖2所示。從圖2中可知，沿工作面傾向，隨著工作面不斷推進(jìn)，當(dāng)巖層所受應(yīng)力大于巖層本身強(qiáng)度時(shí)，巖層產(chǎn)生豎向裂隙進(jìn)而斷裂垮落。受煤層傾角影響，頂板巖層沿傾向向下滑移且垂直于煤層彎曲，使得下部巖層下沉更為充分，在工作面回采完畢后，經(jīng)測(cè)量下部斷裂角為71°，上部斷裂角為60°。

圖2 工作面“兩帶”物理相似模擬

3 工作面覆巖“兩帶”數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型建立

采場(chǎng)“兩帶”分布特性不僅受上覆巖層特性影響，也與煤層賦存傾角有關(guān)，而不同的“兩帶”分布特性對(duì)應(yīng)不同抽采方式的布置層位。4-5(04)工作面平均傾角為24°，依此建立煤層傾向數(shù)值計(jì)算模型，模擬煤層開采后覆巖裂隙分布特征，步驟如下：

(1)建立數(shù)值模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分；

(2)針對(duì)開挖工作面進(jìn)行模型應(yīng)力平衡計(jì)算；

(3)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

工作面開采后應(yīng)力分布特征如圖3所示，其中X=271.3 m處為上端頭，X=106.9 m處為下端頭，模型傾角為24°。工作面開采后覆巖裂隙發(fā)育特征如圖4所示。

圖3 工作面開采后應(yīng)力分布特征

圖4 工作面開采后覆巖裂隙發(fā)育特征

由圖3和圖4可知如下結(jié)果。

(1)工作面上下端頭頂?shù)装宄霈F(xiàn)應(yīng)力增高區(qū)，其中底板上下端頭應(yīng)力分別達(dá)到16 MPa和20 MPa；頂板上下端頭應(yīng)力達(dá)到16 MPa；這些區(qū)域巖層受拉伸破壞，有裂隙發(fā)育。

(2)工作面回采后，相比于兩側(cè)鉸接梁的支撐作用，中部上覆巖層大面積垮落，隨著工作面不斷推進(jìn)，多次冒落的巖石逐漸被壓實(shí)，該區(qū)域應(yīng)力可視為逐步恢復(fù)狀態(tài)。

(3)工作面回采后，模型兩側(cè)巖層由于支撐作用未充分垮落，形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)，該區(qū)域?yàn)樾秹簠^(qū)。

(4)工作面上端頭內(nèi)側(cè)20～55 m，即橫向35 m范圍，與下端頭內(nèi)側(cè)8～38 m，即橫向30 m范圍形成的豎向條帶為卸壓區(qū)，該區(qū)域內(nèi)裂隙發(fā)育較為充分。

(5)卸壓區(qū)最終形成有利于瓦斯聚集的場(chǎng)所。

(6)煤層開采后，數(shù)值模擬結(jié)果顯示，垮落帶高度21.3 m，裂縫帶高度61.3 m。

工作面上端頭覆巖裂隙分布特征如圖5所示。由圖5可知，其主要分布特征包括以下幾點(diǎn)。

(1)傾斜方向垮落角在64°以內(nèi)。

(2)垂直方向上裂隙分布可分為2個(gè)區(qū)域，第一個(gè)區(qū)域?yàn)榭迓鋷?，具體范圍為距煤層底板0～21.3 m，橫向?qū)挾葹?5 m，距采空區(qū)邊界平均距離為9.1 m；上方第二區(qū)域?yàn)榱芽p帶，距離底板21.3～61.3 m，平均寬度約為34 m，距離采空區(qū)邊界平均為35.2 m。

(3)第一區(qū)域垮落破碎最為嚴(yán)重，且距離工作面較近，因而漏風(fēng)現(xiàn)象較為嚴(yán)重；受升浮作用影響，采空區(qū)及工作面瓦斯主要集中在第二區(qū)域。

(4)高位鉆孔終孔位置應(yīng)布置在垮落帶頂部，即圖5中第二區(qū)域頂部。

圖5 工作面上端頭覆巖裂隙分布特征

4 工作面覆巖“兩帶”高度的確定

通過上述2種方法得到采場(chǎng)覆巖“兩帶”高度對(duì)比如圖6所示。因此得出，(4-5)04工作面覆巖垮落帶高度為21.3～ 25.0 m，為平均煤層厚度的3.46～4.07倍。

圖6 “兩帶”高度對(duì)比

綜合相關(guān)數(shù)值，可以得出垮落帶高度與采高倍數(shù)滿足以下關(guān)系：

(1)

式中：H冒——垮落帶高度，m；

M采——采高，m；

m——煤層厚度，m；

η——采出率，%。

5 工作面覆巖裂隙演化高度現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

5.1 鉆孔參數(shù)及其布置

(4-5)04工作面共布置23個(gè)鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)尺寸為3.6 m×4.0 m×2.6 m(寬×深×高)；鉆場(chǎng)間距65 m。鉆場(chǎng)內(nèi)布置2排鉆孔，每排布置5個(gè)鉆孔，并選擇4個(gè)鉆孔作為窺視鉆孔。通過利用YTJ20型鉆孔窺視儀得到高位鉆場(chǎng)距工作面不同距離時(shí)鉆孔內(nèi)部裂隙分布特征，分析工作面回采對(duì)煤層覆巖裂隙演化的影響，可掌握(4-5)04工作面推進(jìn)時(shí)高位鉆孔經(jīng)過的各層覆巖裂隙分布特征，為合理優(yōu)化高位鉆孔參數(shù)及抽采參數(shù)，改善抽采效果提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及理論支持。為便于后期持續(xù)性窺視鉆孔，需將窺視鉆孔布置在鉆場(chǎng)內(nèi)幫。窺視鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)見表1，具體布置如圖7所示。

表1 (4-5)04工作面垮落帶高度

表1 18號(hào)高位鉆場(chǎng)窺視鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

圖7 高位鉆場(chǎng)窺視鉆孔布置示意

5.2 觀測(cè)結(jié)果分析

利用鉆孔窺視儀，對(duì)18號(hào)鉆場(chǎng)抽采鉆孔于2019年6月5-20日開展連續(xù)觀測(cè)，窺視過程中只對(duì)4個(gè)窺視鉆孔進(jìn)行窺視分析。各窺視鉆孔連續(xù)觀測(cè)結(jié)果如圖8～圖14所示。

1號(hào)窺視鉆孔隨著工作面推進(jìn)其裂隙演化的過程如圖8所示。由圖8可以看出，當(dāng)鉆場(chǎng)距離工作面78 m時(shí)，窺視深度為63.1 m到達(dá)孔底，此時(shí)鉆孔剛進(jìn)入采動(dòng)覆巖應(yīng)力影響區(qū)域，鉆孔中出現(xiàn)了一些微小的裂隙；隨著工作面進(jìn)一步推進(jìn)，當(dāng)距離鉆場(chǎng)70 m時(shí)，鉆孔可窺視深度仍然為63.1 m，此時(shí)鉆孔已深入采動(dòng)覆巖影響區(qū)，受采動(dòng)應(yīng)力影響較為明顯，表現(xiàn)為裂隙空間分布已有明顯擴(kuò)展；隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，當(dāng)鉆場(chǎng)距離工作面53～61 m時(shí)，鉆孔終孔段處于工作面液壓支架支撐范圍內(nèi)，可觀測(cè)最大距離仍為63.1 m，但由于鉆孔已經(jīng)深入采空區(qū)中，其內(nèi)部裂隙已由分散的條狀裂隙相互溝通發(fā)展成帶狀裂隙，且孔底四周孔壁巖石呈現(xiàn)棉絮狀；當(dāng)工作面推進(jìn)距鉆場(chǎng)36 m時(shí)，鉆孔可觀測(cè)最大距離由63.1 m縮短為52.5 m，鉆孔有16.5 m位于采空區(qū)中，此段鉆孔與采空區(qū)連接，同時(shí)受巖層垮落影響，表現(xiàn)為縱向裂隙分布；工作面推進(jìn)至距離鉆場(chǎng)24 m時(shí)，鉆孔可觀測(cè)的長(zhǎng)度僅為36.4 m，觀測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)鉆孔多處產(chǎn)生較為明顯的橫向及縱向裂隙，其中12.4 m位于采空區(qū)，與采空區(qū)完全貫通，且在鉆孔終孔位置處觀測(cè)到大范圍的塌孔。

圖8 1號(hào)窺視鉆孔日窺視最大長(zhǎng)度裂隙演化對(duì)比(18號(hào)鉆場(chǎng))

2號(hào)窺視鉆孔隨工作面推進(jìn)其裂隙演化過程如圖9所示。由圖9可以看出，當(dāng)鉆場(chǎng)距離工作面78 m時(shí)，窺視深度為88 m到達(dá)孔底，此時(shí)鉆孔終孔位于支架上方承力區(qū)范圍內(nèi)，未見垮落現(xiàn)象，只存在小范圍裂隙區(qū)；隨著工作面進(jìn)一步推進(jìn)，當(dāng)距離鉆場(chǎng)70 m時(shí)，鉆孔可窺視深度達(dá)到80.5 m，此處部分產(chǎn)生切孔現(xiàn)象，說明超過該深度鉆孔已發(fā)生塌孔，窺視鉆孔與采空區(qū)連通；隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，當(dāng)鉆場(chǎng)距離工作面為61 m時(shí)，鉆孔可窺視深度達(dá)到71 m，鉆孔探測(cè)到切孔與不規(guī)則冒落巖石，表明鉆孔進(jìn)入不規(guī)則垮落帶；當(dāng)工作面推進(jìn)距鉆場(chǎng)53 m時(shí)，鉆孔可觀測(cè)最大深度為60.9 m，此處可觀測(cè)到切孔現(xiàn)象，說明此處已與采動(dòng)空間完全溝通；當(dāng)工作面推進(jìn)至距離鉆場(chǎng)36 m時(shí)，鉆孔可觀測(cè)的深度為48.9 m，鉆孔終孔處發(fā)生大范圍切孔，可觀測(cè)到裂隙與不規(guī)則垮落巖石；隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，鉆孔層位不斷下降，當(dāng)工作面與鉆場(chǎng)間距為24 m時(shí)，鉆孔可觀測(cè)深度為34.2 m，此時(shí)工作面后方鉆孔全部位于不規(guī)則垮落帶范圍，鉆孔窺視可觀測(cè)到絮狀巖屑及不規(guī)則裂隙，表明鉆孔可觀測(cè)末端與采空區(qū)完全貫通，呈現(xiàn)隨工作面推進(jìn)而破壞的狀態(tài)。

圖9 2號(hào)窺視鉆孔日窺視最大長(zhǎng)度裂隙演化對(duì)比(18號(hào)鉆場(chǎng))

3號(hào)窺視鉆孔隨工作面推進(jìn)其裂隙演化過程如圖10所示。由圖10可以看出，當(dāng)鉆場(chǎng)距離工作面78～61 m時(shí)，窺視深度為58.8 m到達(dá)孔底，此時(shí)鉆孔所在覆巖層位較高未受到采動(dòng)影響，沒有裂隙產(chǎn)生；隨著工作面進(jìn)一步推進(jìn)，當(dāng)距離鉆場(chǎng)53 m時(shí)，鉆孔可窺視深度為58.8 m，但已進(jìn)入采動(dòng)空間范圍，表現(xiàn)為鉆孔內(nèi)部有微小裂隙產(chǎn)生；隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，當(dāng)鉆場(chǎng)距離工作面為36 m時(shí)，鉆孔可窺視深度為50.1 m，由于鉆孔層位較高，使鉆孔伸入采空區(qū)長(zhǎng)度為14.1 m，但此時(shí)鉆孔窺視深度較上次減少了8.7 m，50.1 m之后的鉆孔完全塌孔并進(jìn)入采空區(qū)；當(dāng)工作面推進(jìn)距鉆場(chǎng)24 m時(shí)，鉆孔可觀測(cè)最大距離由50.1 m縮短為37.4 m，鉆孔有13.4 m位于采空區(qū)中，鉆孔在37.4 m之后發(fā)生垮落，此時(shí)鉆孔與采空區(qū)完全溝通，同時(shí)在37.4 m處受垮落影響孔口呈不規(guī)則形狀。

圖10 3號(hào)窺視鉆孔日窺視最大長(zhǎng)度裂隙演化對(duì)比(18號(hào)鉆場(chǎng))

4號(hào)窺視鉆孔隨工作面推進(jìn)其裂隙演化過程如圖11所示。由圖11可以看出，當(dāng)鉆場(chǎng)距離工作面78 m時(shí)，窺視深度為89 m到達(dá)孔底，由于窺視鉆孔布置層位較高，雖鉆孔已深入采空區(qū)，但覆巖裂隙未發(fā)育至此，只有少部分微小裂隙；隨著工作面進(jìn)一步推進(jìn)，當(dāng)距離鉆場(chǎng)70 m時(shí)，由于鉆孔施工過程中鉆頭下沉影響，此時(shí)鉆孔所處層位突然下降，鉆孔窺視深度也縮短至82.5 m，且鉆孔發(fā)生大面積垮落及塌孔，鉆孔層位已進(jìn)入不規(guī)則垮落帶上部；隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，當(dāng)鉆場(chǎng)距離工作面為61 m時(shí)，鉆孔終孔層位持續(xù)下降，可窺視深度為74 m，之后的鉆孔完全垮落，垮落巖石呈不規(guī)則破碎狀；當(dāng)工作面推進(jìn)距鉆場(chǎng)53 m時(shí)，鉆孔可觀測(cè)最大距離由74 m縮短為62 m，深入采空區(qū)鉆孔僅有9 m，62 m之前由于垮落巖石產(chǎn)生的切孔現(xiàn)象導(dǎo)致無法觀測(cè)；當(dāng)工作面推進(jìn)至距離鉆場(chǎng)36 m時(shí)，鉆孔可觀測(cè)的深度僅為47.9 m，前方鉆孔均發(fā)生垮落及塌孔，且深入采空區(qū)的鉆孔發(fā)現(xiàn)多處明顯橫、縱向裂隙，孔口位置發(fā)生大面積變形；當(dāng)工作面推進(jìn)至距離鉆場(chǎng)24 m時(shí)，鉆孔觀測(cè)深度為29.6 m，此時(shí)鉆場(chǎng)層位已降至不規(guī)則垮落帶底部，隨工作面推進(jìn)呈現(xiàn)邊采邊冒狀態(tài)，表明鉆孔已與采動(dòng)空間完全溝通。

圖11 4號(hào)窺視鉆孔日窺視最大長(zhǎng)度裂隙演化對(duì)比(18號(hào)鉆場(chǎng))

通過上述實(shí)測(cè)鉆孔窺視結(jié)果，表明(4-5)04工作面垮落帶高度為22 m，為采高的3.58倍，滿足式(1)的垮落帶高度與采高倍數(shù)關(guān)系。

在礦井瓦斯抽采措施布置中，高位鉆孔終孔位置應(yīng)位于垮落帶上部，以解決上隅角瓦斯積聚問題。高抽巷應(yīng)布置于裂縫帶靠近垮落帶上部的位置，以便對(duì)采空區(qū)卸壓瓦斯及鄰近層瓦斯進(jìn)行強(qiáng)化抽采，如圖12所示。依據(jù)(4-5)04工作面垮落帶高度可為后續(xù)礦井采用高位鉆孔治理瓦斯時(shí)，對(duì)高位鉆孔布置及優(yōu)化提供一定指導(dǎo)。

圖12 各抽采方式適宜布置位置

6 結(jié)論

(1)(4-5)04工作面垮落帶實(shí)測(cè)高度為22～28 m，平均垮落帶高度為25 m；巖層裂縫帶高度在89.5～130.5 m之間，平均高度為110.0 m；之上為彎曲下沉帶。運(yùn)用UDEC數(shù)值模擬軟件對(duì)(4-5)04工作面進(jìn)行模擬開采，模擬結(jié)果顯示，垮落帶高度21.3 m，裂縫帶高度61.3 m。

(2)通過相似模擬實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等得到(4-5)04工作面采場(chǎng)覆巖垮落帶高度為21.3～25.0 m，為平均煤層厚度的3.46～4.07倍。

(3)通過對(duì)工作面覆巖裂隙演化進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)垮落帶高度為22 m，為采高的3.58倍，滿足垮落帶高度與采高倍數(shù)關(guān)系。依此可為后續(xù)礦井采用高位鉆孔治理瓦斯時(shí)，對(duì)高位鉆孔布置及優(yōu)化提供一定指導(dǎo)。