综采工作面覆岩压实区裂隙动态演化规律影响因素分析.pdf

第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 移动扫码阅读 李树刚，刘李东，赵鹏翔，等综采工作面覆岩压实区裂隙动态演化规律影响因素分析煤炭科学技术， ，（） ， ， ， ，， （） 综采工作面覆岩压实区裂隙动态演化规律 影响因素分析 李树刚，，刘李东，赵鹏翔，，林海飞，，徐培耘，卓日升 （西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 ；西安科技大学 西部矿井开采及灾害防治教育部重点试验室，陕西 西安 ） 摘 要为研究综采工作面采动覆岩压实区演化综合因素影响效应，运用物理相似模拟试验及理论分 析相结合的研究方法，开展不同采高（，， ）、不同推进速度（，， ）以及不同煤层倾角（， ，）条件下的采动覆岩压实区裂隙演化规律研究，得到了压实整体形态随工作面采高、推进速度 以及煤层倾角变化的演化规律。 结果表明采空区覆岩“三带”高度随着工作面采高的增大、推进速 度的减小以及煤层倾角的增大呈线性增大趋势。 采空区上覆岩层离煤层顶板越远，其贯通度越小，并 在达到一定高度后，出现迅速减小的现象。 受更高层位岩层的挤压以及两侧煤壁的支撑作用，覆岩离 层率呈现两侧高于中部的“马鞍形”。 构建出以覆岩贯通度突减、覆岩离层率突增以及断裂带发育高 度为依据的综采工作面覆岩压实区边界判定准则，得到不同开采条件下覆岩压实区整体发育形态，进 而发现采高对压实区影响主要表现在高度方面，煤层倾角对压实区宽度和对称度的影响较大，推进速 度对压实区的高度与宽度都有较为明显的影响。 基于采动裂隙椭抛带理论，结合物理相似模拟试验 结果，构建了多因素影响下的采动裂隙椭抛带压实区演化综合效应模型，并结合工程实践，有效提高 了现场瓦斯治理效果，保证了工作面的安全回采。 关键词覆岩压实区；采高；推进速度；煤层倾角；椭抛带；瓦斯治理 中图分类号 文献标志码 文章编号（） ，， ， ，， ，， ， （ ， ， ，； ， ， ，） 收稿日期；责任编辑常 琛 基金项目国家自然科学基金重点资助项目（）；国家自然科学资助面上基金资助项目（，） 作者简介李树刚（），男，甘肃会宁人，教授，博士生导师。 ， ， （，， ）， （ ， ， ）， （，，） ， ， ， ， ， 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 ， ， ， ， ， ， ； ； ； ； 引 言 受采动影响，采空区上覆岩层原岩应力发生改 变，围岩出现垮落、破断和弯曲下沉等现象，形成了 采空区采动覆岩裂隙网络，并且随着开采进程持续 演化，为采动卸压瓦斯的储集与运移提供了适宜的 空间。 采动覆岩裂隙网络演化规律对辨识卸压瓦斯储 运区域，建立卸压瓦斯精准抽采系统具有重要影响。 对于采动覆岩裂隙形态，钱鸣高、许家林提出了 “”型圈模型；袁亮等提出了高位裂隙环形体模 型；伍永平等建立了区段间围岩失稳模型；汪峰 等建立了松散层拱结构模型。 基于关键层理论， 笔者等运用物理模拟与数值模拟的方法，提出了 采动裂隙椭抛带理论，并进一步研究了不同采 高、推进速度、煤层倾角、开采方式对 裂隙演化规律的影响。 杨科等通过理论分析 与模拟实验相结合的方法，研究了多关键层运移对 采动裂隙演化规律的影响，发现采动裂隙随关键层 的破断呈“跳跃式”向上扩展。 何富连等研究了 特厚煤层采用长壁机械化放顶煤开采时，关键层垮 落后会形成低悬臂梁和高铰梁结构。 基于采动裂隙 椭抛带理论，文献对不同倾角、推进速度、 采高、缓倾斜条件下的卸压瓦斯运移优势通道形态 演化规律进行研究，建立了采动卸压瓦斯优势通道 演化模型。 文献运用物理模拟与理论分析 相结合的方法，研究了急倾斜条件下的采动覆岩失 稳机理，获得了急倾斜煤岩体动力失稳灾害的治理 方法。 文献研究了保护层岩性、保护层层 间距、保护层层位等不同条件下采动覆岩裂隙发育 规律，得到了相应的煤层瓦斯卸压效果。 通过物理 模拟、数值模拟与理论分析相结合的方法，文献 研究了巨厚煤层开采条件下的覆岩裂隙运 移规律，获得了围岩应力演化和来压规律，有效预防 了巨厚煤层开采导致的顶板事故。 以山西和顺某高瓦斯煤矿 工作面为试验原 型，研究在不同采高、不同推进速度、不同煤层倾角 条件下综采工作面覆岩压实区裂隙演化规律，并结 合采动覆岩裂隙椭抛带理论，构建了多因素影响下 的采动裂隙椭抛带压实区演化综合效应模型，为进 一步研究采动裂隙演化规律，细分卸压瓦斯储运区 域提供参考依据。 试 验 试验原型 试验以山西和顺某高瓦斯煤矿 工作面为原 型，该矿主采 号煤层，煤厚 ，平均 ，倾角平均为 。 煤层中含夹矸 层，厚 ，岩性为炭质泥岩和泥岩。 煤层直接顶为泥 岩，直接底为铝质泥岩，基本顶为 石灰岩，基本 底为泥岩。 工作面走向长度 ，倾向长度 ，采用走向长壁综合机械化一次采全高采煤 法。 工作面自开切眼后退式开采，全部垮落法管理 顶板，主采煤层上部覆岩物理力学参数见表 。 表 上覆岩层物理力学参数 序号岩性 容重 （ ） 弹性模量 抗压强度 泊松比 黏聚力 剪胀角 （） 内摩擦角 （） 泥岩 砂质泥岩 中砂岩 细砂岩 粉砂岩 石灰岩 铝质泥岩 煤 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 李树刚等综采工作面覆岩压实区裂隙动态演化规律影响因素分析 年第 期 试验过程 利用西安科技大学西部矿山煤与瓦斯共采实验 室的二维物理相似模拟试验平台，以山西和顺某高 图 位移测点及传感器布置示意 瓦斯煤矿 工作面为原型，搭建相似比为 的覆岩走向模型。 根据相似理论，模型满足容重相 似比为 ，应力相似比为 ，时间相似比 为 。 根据 工作面上覆岩层赋存情况，计算出岩 层模拟材料配比及顺序，搭建物理相似模型。 按照 配比表 将搅拌均匀的试验原料按每次 的高 度平铺于试验台上方，将其压实、抹平，并以云母片 作为岩层间的间隔处理。 超出试验台模拟高度的上 覆岩层则使用均匀载荷替代。 模型自然晾干后，对 试验模型进行开采时，在模型两侧预留宽 煤 柱，开切眼宽 ，之后以 、 次的速度按煤层 走向方向作为工作面回采方向，在煤层倾角为 和 的试验中以仰斜开采为工作面回采方式，以 时间相似比 进行循环推进。 在每次推进工作 完成，岩层活动稳定过后，记录试验数据。 表 模拟试验材料配比 序号岩性模型厚 沙子质量 石膏质量 淀粉质量 煤灰质量 粉砂岩 泥岩 号煤 泥岩 细砂岩 泥岩 细砂岩 泥岩 石灰岩 号煤 泥岩 细砂岩 粉砂岩 石灰岩 号煤 泥岩 粉砂岩 中砂岩 泥岩 号煤 试验结果 覆岩“三带”高度变化规律 受工作面采动影响，上覆岩层原始应力遭到破 坏，在集中应力的作用下向下垮落，填充采空区。 根 据其垮落堆积形态以及受扰动影响程度的不同，在 采空区竖直方向上从低到高分为垮落带、断裂带以 及弯曲下沉带。 利用公式（），可以求出垮落带的 高度。 结合物理相似模拟试验，通过测量离层裂隙 所在的最高层位，可以确定断裂带的裂隙发育高度。 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 （） 式中为垮落带高度，； 为工作面开采高度， ； 为基本顶的沉降值，；垮落覆岩碎胀系数。 图 不同影响因素下覆岩“三带”高度 “ ” 采空区上覆岩层受采动影响，垮落堆积形成竖 向“三带”区域。 在不同采高、不同推进速度以及不 同煤层倾角的作用下，其“三带”高度也发生改变。 如图 所示，“三带”高度与采高、推进速度以及煤层 倾角呈现较高的线性关系。 “三带”高度随着采高 或煤层倾角的增大逐渐增大，随着推进速度的增大 逐渐减小。 采高的增大向上覆岩层提供了更多的垮 落空间，煤层倾角的增大在提供更多垮落空间的同 时，也增加了岩层受力的复杂程度，而推进速度的增 大则减少了覆岩裂隙向上发育的时间，进而导致 “三带”高度出现上述规律。 覆岩贯通度变化规律 采空区上覆岩层受自身岩性、层位以及关键层 位置的不同，在向下垮落堆积时，产生的破断裂隙有 所差异。 同时，为了能定量化描述卸压瓦斯气体在 覆岩裂隙中向上升浮运移的困难程度，采用了贯通 度加以判定。 覆岩贯通度与破断裂隙的关系可用式 （） 表示 （） 式中 为覆岩贯通度； 为破断裂隙在覆岩厚度方 向上的长度，；为覆岩厚度，。 图 覆岩贯通度变化规律 随着岩层与煤层顶板间隔距离的增加，覆岩 贯通度逐渐减小，并在达到一定距离后，出现快速 减小的突变现象。 与煤层顶板间隔距离较小时， 覆岩垮落堆积的混乱程度较大，破断裂隙贯穿整 个岩层。 随着间距的增大，特别是在关键层垮落 后，上覆岩层向下垮落的空间急剧减小，岩层垮落 破碎程度减小，岩层之间形成较大的离层裂隙，而 破断裂隙在覆岩厚度方向上的长度减小，导致覆 岩贯通度快速减小。 随着采高与煤层倾角的增大 以及推进速度的减小，覆岩贯通度快速减小的突变 点距离煤层顶板越远。 覆岩离层率变化规律 覆岩离层率是指单位厚度岩层内的离层裂隙高 度，可定量描述一定区域内离层裂隙发育特征。 由 于上覆岩层受采动影响，不同层位、不同区域所受到 的力学特性不同，导致覆岩离层率在采空区中的形 态分布呈现“马鞍形”，如图 所示。 采空区两侧的覆岩离层率明显大于采空区中 部。 开切眼侧垮落覆岩受煤壁的支撑作用，形成铰 接结构，且随着工作面的持续推进，受到的采动影响 逐渐减小，原有的离层裂隙变化较小。 工作面侧的 离层裂隙受周期来压影响，岩层大面积垮落导致其 被迅速压实、闭合，并在靠近工作面侧形成新的覆岩 离层率较大的区域。 随着采高和煤层倾角的增大， 采空区覆岩离层率整体逐渐增大，随着推进速度的 增大而逐渐减小。 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 李树刚等综采工作面覆岩压实区裂隙动态演化规律影响因素分析 年第 期 图 覆岩离层率变化规律 讨 论 覆岩压实区边界判定准则 由于工作面持续向前推进，采空区上覆岩层原 岩应力遭到破坏，向下垮落堆积，进而形成瓦斯渗 透、运移明显比采空区边界区域更为困难的覆岩压 实区。 受采高、推进速度以及煤层倾角影响，覆岩压 实区形态发生明显变化，如图 所示。 图 不同影响因素下覆岩压实区形态变化 覆岩压实区位于竖向“三带”中的垮落带以及 断裂带，其边界周围存在着离层率明显更大的瓦斯 运移优势通道，因此可以将图 中的离层率陡然增 大的位置作为压实区左右边界。 在覆岩压实区未发 育至完整形态时，其顶部存在大量的离层裂隙，受自 身岩性及受力情况影响，形成这些离层裂隙的岩层 其破断裂隙发育程度较低，贯通度较小，因此可以将 图 中覆岩贯通度快速减小的突变点作为覆岩压实 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 区的顶部边界。 在覆岩压实区发育至完整形态后， 其高度达到最大，此时“三带”中断裂带发育高度即 为压实区顶部边界。 多因素下覆岩压实区形态特征演化规律 上覆岩层受采动影响，向下垮落堆积，并在采 高、推进速度以及煤层倾角因素的作用下，形成不同 形态的覆岩压实区。 根据 节中以覆岩离层率、 覆岩贯通度以及断裂带高度为依据所划分的覆岩压 实区边界，得到了不同影响因素下的覆岩压实区形 态特征如图 所示。 由图 可知，采高增大（ ），压实区 宽度减小 ，高度增大 ；推进 图 不同影响因素下覆岩压实区形态特征 速度增大（ ），压实区宽度减小 ，高度减小 ；煤层倾角增大 （），压实区宽度增大 ，高度 增大 。 采高增大，导致上覆岩层垮落空 间增大，裂隙发育高度增加，压实区高度进而增加， 同时采空区两侧边界不易形成铰接梁结构使得压实 区边界向中部区域收缩。 推进速度增大，导致裂隙 发育不充分，在煤柱以及工作面侧易形成跨度较大 的铰接梁结构，使得压实区宽度以及高度都减小。 煤层倾角增大，使得下滑作用增强，垮落岩体破碎程 度增加，压实区发育范围更广。 采动裂隙椭抛带压实区演化综合效应模型 结合物理模拟实验发现，采高以及推进速度主 要影响压实区的宽度以及高度的大小，压实区依然 类似于对称椭圆抛物面，而随着煤层倾角的增大，受 下滑作用影响，压实区开始向工作面侧偏移，形成不 对称的椭圆抛物面。 根据文献中建立的受煤层 倾角影响的覆岩压实区数学表征方程，如式（）所 示，以采动裂隙椭抛带理论为基础，结合式（） （），构建了采动裂隙椭抛带压实区演化综合效应 模型。 （ ） （ ） （） 式中，，为图 图 中压实区的坐标值； ，，为图 中压实区的坐标值；、分别为 进、回风巷处，压实区底部边界与其距离，；为工 作面宽度，；为压实区底部边界至开切眼处的距 离，；为压实区范围内垮落岩层的碎胀系数； 为压实区高度，；为压实区开切眼侧宽度，； 为压实区工作面侧宽度，； 为煤层倾角， （）。 由于覆岩压实区形态发育完全时，其高度 与 断裂带高度一致，断裂带内垮落岩体处于压实区高 度范围内，因此压实区范围内垮落岩层的碎胀系数 可替换为 （） 工作面推进距离 为 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 李树刚等综采工作面覆岩压实区裂隙动态演化规律影响因素分析 年第 期 （） 结合式（）（），即可建立采动裂隙椭抛带压 实区演化综合效应模型 （ ） （ ）（ ） （ ） （ ）（ ） （） 式中、、 为图 中不同影响因素下压实区的坐标 值；、、为图 中不同影响因素下压实区的坐 标值； 为工作面推进距离，； 为推进速度， ； 为工作面推进时间，；为压实区底部边界距工 作面的距离，。 工程实践 高位钻孔布置 试验工作面平均开采厚度 ，倾角 ，平均 推进速度为 ，根据物理相似模拟试验及本文 建立的采动裂隙椭抛带压实区演化综合效应模型， 可知该工作面垮落带高度约为 ，压实区宽度为 ，其边界距工作面 ，结合对该工作面 号高位钻场瓦斯抽采效果的分析，进而对 号、 号高位钻场钻孔布置参数进行重新设计，保证抽 采钻孔分布于压实区范围以外且尽量靠近压实区， 提高抽采效率。 具体布置参数如下每个钻场设计 个钻孔，分上下两排布置，钻场相距 ，搭接长 度为 ，钻场布置方式如图 、图 所示，钻孔参 数见表 。 图 高位钻孔布置俯视图 图 高位钻孔布置侧视图 高位钻孔抽采效果 工作面回采至 号钻场有效抽采范围时，开 始进行卸压瓦斯抽采，其瓦斯抽采纯量为 ，占绝对瓦斯涌出量的 ，平 均为 ，有效的提高了高位钻场瓦斯抽采 效果。 通过对该工作面上隅角及回风巷瓦斯浓度进行 实时监测，得到了 号钻场开始进行卸压瓦斯抽采 后的瓦斯浓度分布规律，如图 所示。 上隅角、工 作面、回风巷平均瓦斯体积分数为 、和 ，远低于上限值 ，有效地保证了工作面的 安全回采。 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 表 号、 号高位钻场钻孔布置参数 钻场编号钻孔编号 钻孔直径 与轨道巷 夹角 （） 钻孔与地面 的仰角 （） 孔深 终孔距煤层 顶板高度 左偏 左偏 左偏 左偏 左偏 左偏 右偏 右偏 左偏 左偏 左偏 右偏 右偏 右偏 右偏 右偏 右偏 图 瓦斯抽采纯量占比 图 瓦斯浓度分布 结 论 ）覆岩“三带”高度随着采高、煤层倾角的增大 呈线性增大趋势，随着推进速度的增大呈线性减小 趋势。 ）覆岩贯通度离煤层顶板越远，数值越小，并 达到一定高度后，出现迅速减小的现象，且该突变点 高度与采高增大、煤层倾角增大以及推进速度减小 呈正相关关系。 ）构建了以覆岩贯通度突减、覆岩离层率突增 以及断裂带发育高度为依据的覆岩压实区边界判定 准则。 ）压实区形态发育受多种因素影响，采高增加 主要导致压实区高度增大，达到 ；推进速度增 大对压实区高度与宽度影响程度较为一致，分别达 到 和 ；煤层倾角增大对压实区宽度影 响明显，使其增加 ，并导致压实区从对称椭圆 抛物面，逐渐向工作面侧偏移。 ）构建了多因素影响下的采动裂隙椭抛带压 实区演化综合效应模型，并结合工程实践，有效提高 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 李树刚等综采工作面覆岩压实区裂隙动态演化规律影响因素分析 年第 期 了现场瓦斯治理效果，保证了工作面的安全回采。 参考文献（） 钱鸣高，许家林覆岩采动裂隙分布的“”形圈特征研究 煤炭学报， ，（） ， “” ， ， （） 袁 亮，郭 华，沈宝堂，等低透气性煤层群煤与瓦斯共采中 的高位环形裂隙体煤炭学报，，（） ， ， ， ， ， （） 伍永平，皇甫靖宇，解盘石，等基于大范围岩层控制技术的大 倾角煤层区段煤柱失稳机理煤炭学报，，（） ， ， ， ， ， （） 汪 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