“两软一硬”不稳定煤层工作面覆岩“两带”发育高度研究

王振广，李飞龙，白志永，朱术云

(1.河南永锦能源有限公司云盖山煤矿二矿，河南 禹州 461670；2.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116)

长壁工作面开采引起覆岩垮落带和导水断裂带(简称“两带”)发育的高度对煤矿安全开采意义重大，众多学者已对不同地质及开采条件下的工作面开展了“两带”高度研究[1-12]。陈佩佩等系统整理了我国煤矿顶板突水预警系统现状，分析了顶板突水主要受控于4个因素，提出了顶板突水预警机制的研究趋势[1]；谭毅等研究了非充分采动条件下浅埋煤层坚硬顶板“两带”高度问题[2]；孙庆先等对红柳煤矿大采高综采覆岩“两带”高度进行了综合研究[3]；刘世奇等对近距离多煤层重复采动条件下覆岩“两带”高度预计方法进行了系统研究[6]。研究“两带”发展规律及其发育高度不仅有助于预防顶板突水，而且对于采掘巷道顶板支护亦非常重要[7-9]。总体来说，准确计算采动覆岩“两带”高度，可为“三下”安全采煤设计、防水煤柱留设、老空水及覆岩离层充填技术研究，以及开采沉陷等研究提供重要的量化依据，也是矿井顶板突涌水水量预测与防治的基础[10-12]。

近年来，我国不少学者对薄基岩条件下煤层开采“两带”高度的研究较多[11-15]，但针对“两软一硬”不稳定煤层“两带”发育高度相关研究较少。因此，笔者以河南永锦能源有限公司云盖山煤矿二矿(简称“云煤二矿”)23301采煤工作面为例，通过现场钻孔成像测试获得不充分采动条件下的“两带”高度，然后采用经验公式和数值模拟综合分析该工作面“两带”发育高度。研究成果为该工作面顶板支护和类似条件下顶板水害预测与防治提供了参考依据。

1 研究区基本概况

研究区为云煤二矿23301采煤工作面，其位于23采区西翼，北部为23300工作面采空区，南部为23303工作面实体煤(未掘)，东部至23301工作面设计终采线，西部为薄煤带。工作面地面标高+322～+423 m，工作面标高+2.1～+99.0 m。工作面走向长约1 126 m，倾向长约133 m，面积约149 710 m2。煤(岩)层产状走向NE35°～42°，倾向SE55°～48°，倾角11°～30°，平均倾角17°。工作面内小构造较发育，共发育有断层11条，断层落差最小1.2 m、最大7.8 m，落差大于5.0 m的断层1条，落差3～5 m的断层3条，落差小于3.0 m的断层7条。根据钻孔资料作图可得研究区主采的二1煤层厚度从西南向东北有逐渐增厚的趋势，最薄0.78 m，由西南的502钻孔揭露；最厚8.53 m，由东北的807钻孔揭露，如图1所示。在这不大的范围内厚度相差十几倍，可见该煤层厚度具有典型的不稳定性。

单位：m

2 现场实测研究

为了准确获得23301采煤工作面覆岩“两带”高度，根据现场实际条件，在巷道内沿着工作面回采方向设计施工钻孔，如图2所示。

图2 23301采煤工作面测试钻孔布设示意图

采用V8-3188DK型井下仰孔电视成像技术进行工作面推进过程中不同时期的钻孔成像监测。该设备成像后能在液晶显示屏幕上显示钻孔围岩裂隙特征，通过对比分析可获得垮落带和导水断裂带发育高度。观测孔设计技术参数见表1。在工作面内布置测试钻孔，从顶板开始通过钻孔成像对覆岩破坏高度进行监测。

表1 23301工作面“两带”观测钻孔设计技术参数

由于现场条件的限制，在研究过程中分别于2018年10月8日、11月8日和12月30日进行了3次顶板覆岩钻孔“两带”高度的现场实测，工作面距离孔口的水平距离分别为120、80、5 m。3次不同时间和不同工作面推进距离，对相同深度孔壁围岩钻孔成像，从孔口到终孔每隔0.2 m进行1次截图对比，可得到不同深度相关孔壁岩性变形破坏特征。部分钻孔成像测试截图如图3所示。

(a)垮落带高度(距离孔口9.4 m，对应垂高7.2 m)

(b)断裂带高度(距离孔口50.0 m，对应垂高38.3 m)

由图3(a)可得，在工作面距离施工钻孔孔口约5.0 m时，通过3次不同深度孔壁图像变形对比，发现沿着钻孔方向在距离孔口约9.4 m位置出现了与前面2次明显的垮落变形差异，第3次在该位置有非常明显的孔壁围岩垮落现象，产生了明显的垮落裂缝，而前2次均没有出现；另外，在该位置前9.2 m和其后的9.6 m位置处的3次成像结果也能明显反映出3次不同时间的图像差异。由此判断在这种条件下垮落带高度沿孔壁发育到9.4 m，根据钻孔角度可初步获得垂向上垮落带高度约为7.2 m。

由图3(b)可得，在工作面距离施工钻孔孔口约5.0 m时，通过3次不同深度孔壁图像变形对比，发现沿着钻孔方向在距离孔口约50.0 m位置出现了明显的裂隙变形差异性，第3次在该位置有非常明显的孔壁围岩裂隙和剥落痕迹，产生了明显的裂缝，而前2次均没有出现；另外，在该位置前49.8 m和后50.2 m位置的3次成像结果也能明显反映出3次不同时间的成像差异，过了50.2 m以后，3次成像基本完全一样。由此判断在这种条件下断裂带高度沿孔壁发育到50.0 m，根据钻孔角度可初步获得垂向上断裂带高度约为38.3 m。

由于现场条件的限制，测试钻孔是在23301工作面回风巷中间设置的，故无法得出工作面推过以后的实测结果。从理论上分析，该实测结果应属于不充分垮落条件下的“两带”发育高度，要小于工作面开采完毕后充分垮落的“两带”高度。

3 经验公式预计

为进行对比验证，在云煤二矿研究区范围内，根据钻孔揭露地层信息，进行导水断裂带高度计算。根据文献[16]中附表4，按中硬顶板考虑，运用公式(1)和(2)计算图1中各个钻孔的导水断裂带高度，运用公式(3)计算各个钻孔的垮落带高度，计算结果见表2。

(1)

(2)

(3)

式中：Hli为导水断裂带高度，m；Hk为垮落带高度，m；∑M为累计采厚，m。

表2 研究区主要钻孔位置“两带”高度计算 单位：m

将本次钻孔成像实测的“两带”高度与经验公式的计算结果进行比较，发现根据钻孔成像技术实测的“两带”高度都比文献[16]中相关公式计算的范围小。这也进一步说明了现场实测结果是在非充分垮落条件下获得的。研究区观测孔位置导水断裂带最大高度为50.0 m，垮落带高度为12.8 m。

4 采动顶板“两带”高度数值模拟

4.1 工程地质模型

为进一步增加对比性和可靠性，根据煤层开采情况，结合钻孔资料，将研究区内岩层按岩性和完整性划分为灰岩、泥岩、泥灰岩、砂质泥岩、粉砂岩、炭质泥岩、二1煤、中粒砂岩、细粒砂岩和粗粒砂岩共10个工程地质岩组，从下到上划分为23层地层，实测“两带”测试钻孔位置处的二1煤层厚度为4.0 m左右，沿走向方向建立顶底板主要影响岩层的工程地质模型，如图4所示。

图4 实测位置附近采动顶板工程地质模型

以煤层底板基点为坐标原点O，以煤层底面为xOy平面，倾斜水平投影方向为x正方向，煤层走向为x方向，垂直向上为z轴正方向建立三维坐标系统。模型空间范围取包含测试钻孔在内的200 m×120 m的区块，高93 m，煤层厚度4 m，顶板厚度取72 m，底板厚度取17 m。

4.2 边界条件和物理力学参数

根据二1煤层开采的技术条件，在尽可能反映原始地质条件的前提下，对模型地质条件采取一定的假设和简化：

1)模型上覆岩层的自重压力用补偿荷载代替；

2)岩层在岩组内为均匀连续介质；

3)原始应力场考虑为自重应力场，不考虑构造应力场的作用。

模型边界条件和初始条件如图5所示，模型前后、左右侧面采用水平方向固定，垂直方向自由边界；底面采用垂直和水平方向均固定的约束方式；模型顶部补偿荷载按230 m厚度上覆岩土体自重压力(0.025 MPa/m)施加，约为5.75 MPa。走向两侧留设40 m的保护煤柱，倾向两侧留设30 m的保护煤柱，开采长度120 m、宽度60 m，每步10 m，共计 12步开采完毕。

图5 模型边界与初始条件示意图

数值模拟采用Mohr-Coulomb本构模型，材料选项中需要输入密度ρ、体积模量K、切变模量G、黏聚力C、内摩擦角φ，以及抗拉强度σt等参数值。考虑到没有取得体积模量K和切变模量G的实际试验数据，计算时根据试验取得的弹性模量E和泊松比ν换算确定，具体参数见表3。

表3 计算模型中工作面顶底板地层物理力学参数

4.3 结果分析

为了更好地和实测结果、经验公式计算结果进行对比分析，模拟不同岩组的三维形态及煤层底板的破坏深度，根据研究区的地质测绘成果，在FLAC3D软件平台上构建地质体数值模型。模型共划分出 50 400个单元，54 653个节点。

该软件一般可通过塑性区分布特征来判断破坏问题，研究区数值模拟塑性区分布云图见图6。

(a)长度方向切片

(b)宽度方向切片

由图6可以看出，完全开采后，不论沿开采长度方向还是宽度方向，工作面在开采煤层顶底板和煤壁前方均产生明显的破坏。具体表现为在工作面两侧以剪切屈服为主，在采空区中部顶板以拉张屈服为主，整个上覆岩层的屈服破坏区域呈现出一个不太规则的“马鞍”形状，在工作面开切眼上部和终采线上部覆岩破坏高度最大。煤层开采后，在煤层顶板以上14.4 m区域内，煤层顶板呈面状破坏，采空区中部为拉张破坏，四周为剪切破坏，且破坏较为严重。随着顶板高度增加至14.4 m之后，顶板破坏范围及形式逐渐发生变化，采空区上方的拉张破坏消失，破坏开始以剪切破坏为主，根据模型尺寸，直至顶板以上49.0 m处破坏消失。结合模型尺寸并通过对不同深度塑性区变化特征分析，可以判断顶板垮落带高度约为14.4 m，导水断裂带高度约为 49.0 m。

为了进一步探讨数值模拟“两带”高度的可靠性，对开采上方不同位置沿着覆岩方向对垂直应力变化规律进行了统计分析，结果见图7。

图7 工作面覆岩采动上方垂直应力分布特征示意图

对1—1、1—2、1—3、1—4和1—5共5处位置(见图5)进行了从采空区顶板向上沿高度方向的垂直应力对比分析，结果发现在覆岩上方近15 m左右高度不同位置均出现了比较明显的应力下降现象，认为是模型在该位置处于应力释放区，应属于垮落带上限高度。随着高度的增加，垂直应力呈明显的上升趋势，但在距离煤层顶板50 m左右高度，垂直应力增加的速度开始变缓，初步认为是逐渐恢复到地应力状态，是断裂带高度发育位置处。由此，通过采空区上方垂直应力的分布变化特征也可初步判断采动上覆“两带”发育高度，且与根据塑性区分布特征研判的结果基本一致。

5 结论

1)采用钻孔成像技术对云煤二矿23301工作面顶板进行了3次现场实测，通过不同时间、相同位置的孔壁成像对比分析，确定了在工作面距离测试钻孔 5 m 位置时采动覆岩上方垮落带和导水断裂带发育高度和变化特征，计算得出垮落带高度约为7.2 m，导水断裂带高度约为38.3 m。

2)对比分析了23301工作面上覆岩性，按中硬顶板考虑，采用经验公式类比分析了该工作面“两带”观测孔的垮落带和导水断裂带高度范围，垮落带最大高度为12.8 m，导水断裂带最大高度为50.0 m。

3)根据23301工作面地质和开采条件，建立了具有针对性的工程地质数值模型，通过对比数值模拟煤层覆岩的塑性区和垂直应力分布特征，发现该工作面垮落带高度约为14.4 m，导水断裂带高度约为49.0 m。

4)通过对3种方法的综合比较发现，现场测试的垮落带高度和导水断裂带高度均偏小，这也证明了测试时采动顶板没有充分垮落，而经验公式类比和数值模拟方法均可有效弥补由于现场条件限制导致在不能充分垮落的条件下进行实测的不足，三者结合使用，能够为研究区煤层上覆“两带”高度的确定提供更加合理的依据。综合考虑安全因素，最终确定23301工作面垮落带最大高度为14.4 m，导水断裂带最大高度为50.0 m。