煤層回采過(guò)程中覆巖破壞及裂隙演化規(guī)律

　　摘要綜放開(kāi)采覆巖破壞高度及裂隙演化規(guī)律對(duì)于煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義，以山西某礦為試驗(yàn)礦井，采用分段注水、鉆孔電視對(duì)覆巖破壞高度進(jìn)行探測(cè)，對(duì)裂隙變化特征進(jìn)行定量化分析，并對(duì)工作面回采過(guò)程中裂隙及應(yīng)力演化進(jìn)行數(shù)值模擬研究。研究結(jié)果表明：采動(dòng)后冒落帶破壞垂直高度為29.8~34.3，裂隙帶破壞垂直高度為83.8~88.2;回采前覆巖裂隙以低角度、小寬度為主，裂隙數(shù)量發(fā)育程度低，隨著工作面的回采覆巖裂隙數(shù)量明顯增加，增加的裂隙以低角度、中寬度為主;覆巖的整個(gè)運(yùn)動(dòng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、連續(xù)的發(fā)育過(guò)程;應(yīng)力呈現(xiàn)增加—減小—穩(wěn)定的變化特征;采動(dòng)過(guò)程中，近煤層區(qū)域覆巖裂隙數(shù)量一直處于較高水平。

　　關(guān)鍵詞礦業(yè)工程裂隙演化滲透特征卸壓

　　我國(guó)是一個(gè)煤礦大國(guó)，煤炭對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義[1]，隨著我國(guó)煤炭資源的大量回采，優(yōu)勢(shì)地質(zhì)條件下煤炭資源已趨于殆盡，煤炭企業(yè)不得不開(kāi)采劣勢(shì)地質(zhì)條件下煤炭資源[2]。特別是水體下采煤和瓦斯抽采面臨眾多問(wèn)題。煤炭資源開(kāi)采前，地層處于原始應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)煤層回采后原始應(yīng)力被打破，覆巖必然發(fā)生垮落，最終形成有規(guī)律分布的“三帶”[3,4]，其中垮落帶高度是礦井布置高抽巷和高位鉆孔的依據(jù)。導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度是礦井防治水的技術(shù)關(guān)鍵[5]。同時(shí)受到采動(dòng)影響和應(yīng)力的雙重作用，覆巖產(chǎn)生裂隙，裂隙分布特征對(duì)于瓦斯抽采至關(guān)重要。

　　因此，覆巖裂隙發(fā)育特征和破壞高度的研究對(duì)于礦井水災(zāi)害和瓦斯防治具有重要意義[6]。對(duì)于覆巖破壞高度和裂隙發(fā)育特征的研究，易四海[7]等采用相似模擬試驗(yàn)對(duì)潞安礦區(qū)薄基巖綜放面開(kāi)采進(jìn)行了研究，得出了覆巖破壞特征以及導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度影響因素，論證了粘土層隔水能力;張紀(jì)星等[8]以神東礦區(qū)大柳塔煤礦為試驗(yàn)礦井，采用相似模擬、數(shù)值模擬、實(shí)測(cè)對(duì)其覆巖破壞規(guī)律進(jìn)行了研究，得出了該煤礦的破壞高度，實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果一致，為礦井安全開(kāi)采提供了技術(shù)支持。

　　鄭訓(xùn)臻等[9]采用數(shù)值模擬對(duì)安盛煤礦覆巖破壞規(guī)律進(jìn)行了研究，得出了覆巖破壞高度，為煤礦富積水下工作面安全開(kāi)采提供了技術(shù)支持;熊祖強(qiáng)等[10采用相似模擬技術(shù)對(duì)礦井破壞及裂隙演化進(jìn)行了研究，得出了該煤礦裂隙發(fā)育特征，為礦井突水監(jiān)測(cè)和瓦斯抽采提供了技術(shù)支持;馬蓮凈等[1采用數(shù)值模擬和相似模擬對(duì)煤礦分層開(kāi)采進(jìn)行了研究，并采用鉆孔沖洗液進(jìn)行了驗(yàn)證，得出了裂隙破壞規(guī)律;許文濤等[1采用相似模擬對(duì)楊柳礦進(jìn)行了研究，得出了覆巖變形破壞特征，為煤礦安全生產(chǎn)提供了技術(shù)支持。

　　以上學(xué)者的研究大多是通過(guò)模擬、現(xiàn)場(chǎng)對(duì)裂隙發(fā)育高度進(jìn)行了研究，而對(duì)裂隙演化特征沒(méi)有進(jìn)行較詳細(xì)的分析。本文以山西某礦為試驗(yàn)礦井采用分段注水試驗(yàn)、鉆孔電視對(duì)覆巖破壞高度進(jìn)行探測(cè)分析，對(duì)裂隙變化特征進(jìn)行定量化分析，并對(duì)工作面回采過(guò)程中裂隙演化和應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

　　1工程概況

　　山西某礦礦井生產(chǎn)能力Mt/a，主采號(hào)煤層，煤層平均厚度為5.9，煤層平均傾角°，為近水平煤層，試驗(yàn)以3203工作面為試驗(yàn)工作面，該工作面走向長(zhǎng)度1210，傾向長(zhǎng)度28，為了有效測(cè)定覆巖裂隙發(fā)育高度及裂隙演化特征，根據(jù)工作面實(shí)際情況和地質(zhì)特征，在工作面巷道布置兩個(gè)鉆孔，其編號(hào)分別是Ⅰ、Ⅱ，垂直煤壁進(jìn)行布置，仰角60°，鉆孔深度17。

　　2覆巖破壞特征

　　采用鉆孔電視和分段注水試驗(yàn)對(duì)工作面回采覆巖破壞高度進(jìn)行分析，分段注水試驗(yàn)對(duì)于覆巖破壞高度的確定是可靠地，鉆孔電視能夠直觀的看到裂隙發(fā)育特征。

　　2.1試驗(yàn)設(shè)備

　　分段注水設(shè)備分段注水采用的是雙端封堵測(cè)試裝置。其測(cè)試原理是工作面回采后，覆巖發(fā)生破壞，其破壞特征自下而上產(chǎn)生明顯的分區(qū)特性，越往下裂隙發(fā)育程度越高，其分段注水漏失量越大，越往上裂隙發(fā)育程度越低，分段注水漏失量越小，根據(jù)鉆孔內(nèi)不同部位其漏失量的變化情況來(lái)判定裂隙發(fā)育高度，該方法屬于物理測(cè)試方法，不受外界影響，具有測(cè)試準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)。

　　鉆孔電視鉆孔電視采用的是防爆型井下用鉆孔電視系統(tǒng)。主要由測(cè)孔成像系統(tǒng)、處理系統(tǒng)、測(cè)深系統(tǒng)三部分構(gòu)成。當(dāng)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，測(cè)孔成像系統(tǒng)的探頭在鉆孔中移動(dòng)，探頭將觀測(cè)到的鉆孔圖像進(jìn)行記錄并傳輸?shù)教幚硐到y(tǒng)中，通過(guò)CCD光學(xué)耦合器將鉆孔圓周圖像以圖片的形式展示出來(lái)，同時(shí)，測(cè)深系統(tǒng)中的深度測(cè)試器能夠?qū)崟r(shí)記錄探頭測(cè)試深度并與圖像進(jìn)行結(jié)合，在圖片上顯示出來(lái)，最終通過(guò)顯示器以展開(kāi)圖片形式將鉆孔內(nèi)裂隙發(fā)育特征展現(xiàn)出來(lái)。

　　工作面回采前鉆孔注水量較低，基本保持在50mL左右，裂隙發(fā)育度較低，當(dāng)工作面回采后，鉆孔注水量明顯升高，最大注水量可達(dá)到1500mL，是工作面開(kāi)采前的30倍，裂隙發(fā)育程度較高。由此可知，工作面開(kāi)采后，覆巖在采動(dòng)影響和支撐應(yīng)力的雙重作用下發(fā)生破壞同時(shí)形成了裂隙，裂隙發(fā)育程度較開(kāi)采前明顯提高。工作面回采后鉆孔注水測(cè)試曲線呈“臺(tái)階形”，綜合覆巖裂隙三帶發(fā)育特征，得出冒落帶、裂隙帶發(fā)育高度(垂直)分別是34.4、83.8鉆孔電視采用鉆孔電視對(duì)工作面回采前后覆巖裂隙發(fā)育進(jìn)行探測(cè)分析。

　　3裂隙發(fā)育定量化分析

　　工作面回采后覆巖裂隙發(fā)育特征對(duì)于礦井瓦斯抽采以及防治水具有重要意義，因此，對(duì)工作面回采前后覆巖裂隙進(jìn)行定量化分析，主要從裂隙發(fā)育傾角、發(fā)育寬度、裂隙深度與數(shù)量進(jìn)行分析。

　　3.1裂隙發(fā)育傾角

　　對(duì)工作面回采前覆巖鉆孔裂隙進(jìn)行矢量化處理，綜合分析Ⅰ號(hào)鉆孔開(kāi)采前的28條裂隙和開(kāi)采后的86條裂隙，得出裂隙傾角與數(shù)量曲線如圖所示。由圖可知，工作面回采前的28條鉆孔裂隙中，小于30°傾角的裂隙數(shù)量為條，占10.7%，30°~39°傾角的裂隙數(shù)量為條，占10.7%，40°~49°傾角的裂隙數(shù)量為12條，占42.8%，50°~59°傾角的裂隙數(shù)量為條，占3.5%，60°69°傾角的裂隙數(shù)量為條，占18.1，70°~79°傾角的裂隙數(shù)量為條，占7.1%，80°~90°傾角的裂隙數(shù)量為條，占7.1%。工作面回采前裂隙以小角度為主。

　　地質(zhì)論文投稿期刊：《中國(guó)測(cè)試》創(chuàng)刊于1975年，曾用刊名《中國(guó)測(cè)試技術(shù)》，由中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院主辦主管，經(jīng)國(guó)家新聞出版總署批準(zhǔn)在國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)行的專(zhuān)業(yè)學(xué)術(shù)期刊。國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)刊號(hào)：ISSN：1674-5124，國(guó)內(nèi)統(tǒng)一刊號(hào)：CN：51-1714/N，國(guó)內(nèi)郵局發(fā)行代號(hào)62-260，逢單月30日出版。

　　4開(kāi)采覆巖破壞數(shù)值模擬研究

　　4.1模型建立

　　采用UDEC數(shù)值模擬軟件對(duì)覆巖裂隙發(fā)育進(jìn)行分析，根據(jù)工作面覆巖特征，對(duì)巖層進(jìn)行劃分。對(duì)模型前后左右四個(gè)側(cè)面進(jìn)行約束，對(duì)頂部施加巖層厚度的載荷.

　　覆巖裂隙發(fā)育特征對(duì)采動(dòng)過(guò)程中覆巖裂隙進(jìn)行研究，裂隙發(fā)育存在三個(gè)明顯的變化特征。

　　(1)自開(kāi)切眼至頂板初次來(lái)壓，覆巖隨著工作面的推進(jìn)，由彈性變形向塑性變形、破斷失穩(wěn)過(guò)渡，直到裂隙產(chǎn)生，裂隙數(shù)量隨著工作面的推進(jìn)而呈上升趨勢(shì)。(2)隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，覆巖不斷垮落，裂隙向高層為發(fā)展，當(dāng)推進(jìn)到某一距離后，采空區(qū)被壓實(shí)，裂隙數(shù)量迅速降低。(3)在近煤壁區(qū)域，由于支撐作用，裂隙數(shù)量仍呈較高水平。結(jié)束語(yǔ)采用分段注水試驗(yàn)和鉆孔電視探測(cè)得出該煤礦冒落帶發(fā)育垂直高度為29.8~34.3，裂隙帶發(fā)育垂直高度為83.8~88.2。

　　工作面回采前覆巖裂隙以低角度、小寬度為主，裂隙數(shù)量發(fā)育程度低。隨著工作面的回采覆巖裂隙數(shù)量明顯增加，增加的裂隙以低角度、中寬度為主。覆巖的整個(gè)運(yùn)動(dòng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、連續(xù)的發(fā)育過(guò)程;工作面回采過(guò)程中應(yīng)力呈現(xiàn)增加—減小—穩(wěn)定的變化特征;采動(dòng)過(guò)程中，近煤層區(qū)域覆巖裂隙數(shù)量一直處于較高水平。

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　　作者：郎君

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