付寶杰　涂敏　張平松

摘要：為分析松散含水層下復(fù)合關(guān)鍵層頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，以期合理確定采區(qū)開采上限標高，本文通過物理模擬實驗，研究了該巖性賦存特征頂板覆巖破壞規(guī)律及導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，結(jié)果表明：近距離賦存的兩關(guān)鍵硬巖層呈現(xiàn)非同步破斷，距離煤層較近的關(guān)鍵層對采場礦壓起主要控制作用；隨工作面向前推進，下部關(guān)鍵層形成周期性破斷，采場充分開采時上部關(guān)鍵層出現(xiàn)斷裂，進而達到采場頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大高度49.7m，為平均采高的12.7倍。該買驗結(jié)果與工程實踐中采用并行電法進行導(dǎo)高測試結(jié)果相互印證，為該采區(qū)留設(shè)防水煤巖柱尺寸提供指導(dǎo)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：復(fù)合關(guān)鍵層；導(dǎo)水裂隙帶；物理模擬；電法探測

中圖分類號：TD325

文獻標志碼：A

文章編號：1672-1098（2016）04-0010-06

煤層開采后，上覆巖層中具有明顯的分帶特征。越靠近煤層頂板，受采動影響越強烈，巖層垮冒并不規(guī)則堆積在采空區(qū)中，形成冒落帶；未垮落巖層，受拉、壓及剪切作用產(chǎn)生明顯的變形、破壞，形成大量順層裂隙及層間裂隙，這些裂隙與采場貫通成為流體滲流通道，形成導(dǎo)水裂隙帶。針對導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，國內(nèi)外學(xué)者做出了大量研究工作，文獻[5]根據(jù)“四帶”理論，推導(dǎo)出關(guān)于面長及煤巖體強度的導(dǎo)水裂隙帶高度計算公式。文獻[6～7]結(jié)合導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度受覆巖關(guān)鍵層層位的影響規(guī)律，提出了預(yù)計導(dǎo)水裂隙帶高度的新方法。文獻[8]等分析了導(dǎo)裂高度發(fā)育的因素及過程，得出了計算導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的經(jīng)驗公式。文獻[9]對覆巖采動導(dǎo)水裂隙分布特征進行理論分析，提出了破斷裂隙貫通度的概念和計算公式。

文獻[10]對影響綜采（放）”兩帶”發(fā)育高度的煤厚、頂板巖性、巖層組合、采深、工作面斜長、推進速度等多種因素進行研究，得到綜采（放）導(dǎo)水裂隙帶高度與主要指標之間的多元回歸統(tǒng)計關(guān)系式。綜上表明，已有的研究成果都是在特有的地質(zhì)條件下取得的。采煤及頂板管理方法、開采強度、覆巖力學(xué)性質(zhì)及結(jié)構(gòu)特征、重復(fù)采動、構(gòu)造應(yīng)力以及時間等因素均可影響導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。因此，特定地質(zhì)條件下的導(dǎo)高應(yīng)具體分析，并通過實踐驗證，才能更好的指導(dǎo)生產(chǎn)及相關(guān)設(shè)計。

為合理設(shè)計淮南潘三礦西三采區(qū)13-1煤層開采上限，對該煤層第二區(qū)段1622（3）工作面導(dǎo)水裂隙帶高度進行實驗分析及電法實測，用以指導(dǎo)設(shè)計 第一區(qū)段1612（3）工作面防水煤巖柱的留設(shè)尺寸。

1.地質(zhì)條件

潘三礦1622（3）綜采工作面為該礦井西三采區(qū)首采面。工作面標高-560

-598m，距基巖面高度96.2～125.4m，如圖1所示。該面主采13-l煤層，煤厚3.1-5.0m，平均厚度3.9m，屬近水平煤層，平均傾角8°，賦存穩(wěn)定。工作面斜長240m，走向長1115m。通過地面鉆孔揭露1622（3）工作面頂板巖性，如圖示2所示，直接頂為6.8m厚的復(fù)合頂板，由泥巖、砂質(zhì)泥巖及煤組成，老頂為11.3m細砂巖，抗壓強度93.22MPa，其上部間隔18.4m厚砂質(zhì)泥巖又賦存一層13.2m厚細砂巖，抗壓強度92.85MPa。

當兩關(guān)鍵層距離較近時，無論上部或下部堅硬巖層都將對下部或上部堅硬巖層的采動變形和破斷產(chǎn)生影響，也即對采動覆巖變形、破斷、移動全過程產(chǎn)生影響，從而形成關(guān)鍵層的復(fù)合效應(yīng)。圖2所示，采場覆巖中兩層相臨的硬質(zhì)砂巖層組成了復(fù)合關(guān)鍵層，控制采場上覆巖層運動。

2.復(fù)合關(guān)鍵層頂板結(jié)構(gòu)特征相似試驗

2.1相似模型的建立

相似模型以砂子為骨料，石膏、石灰（碳酸鈣）為黏結(jié)材料，并摻人適量的水，根據(jù)鉆孔柱狀和現(xiàn)場的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，按照相似模擬實驗基本原理和相似系數(shù)計算模型各分層的材料配比，分層填裝鋪設(shè)，在層與層之間撒云母片做巖層的層面并隨機劃出節(jié)理。

在試驗前準備階段，將模型表面粉刷成白色，并畫上5cm×5cm（橫向×縱向）的網(wǎng)格，以利于觀察模型的變形破壞。在模型養(yǎng)護達到要求并且加載及測試系統(tǒng)就緒后，即可進行模擬開采。

開切眼位于模型右側(cè)距離模型邊界50cm處，每次開挖5cm，每隔2h開挖一次，相當于實際工作面推進5m，停采線距模型左邊界50cm（見圖3）。

2.2覆巖破壞空間結(jié)構(gòu)特征

工作面從切眼位置開始向前推進，采過15cm時，部分直接頂開始垮落，未完全垮落的頁巖、泥巖相繼出現(xiàn)離層。再向前推進5cm，6.8cm厚復(fù)合頂板整體垮落，形成直接頂初次整體垮落。繼續(xù)向前推進，整個復(fù)合頂板以6～8cm破斷距呈現(xiàn)周期性垮落，直至工作面推進60cm，采場頂板礦壓顯現(xiàn)以直接頂周期破斷為主，但此時11.3cm厚細砂巖層彎曲變形，具體如圖4a。垂直位移數(shù)字圖像反映出，該開采階段煤層直接頂?shù)V壓顯現(xiàn)較劇烈，而其上部老頂變形不明顯，如圖4b所示。

當工作面推進65cm時，11.3m厚老頂破斷，形成老頂初次來壓。由圖5a可以看出，老頂破斷后形成三鉸拱，該拱結(jié)構(gòu)上部與其上位巖層分離，下部承載于直接頂垮落的矸石。老頂初次破斷巖塊長度約為40cm，在煤壁處頂板破斷角約為58°在開切眼處頂板破斷角約為47°。由圖5b可以看出，老頂初次破斷時，盡管與其上部巖層未能同步破斷，但自下而上也產(chǎn)生不同程度的下沉變形。此時，采場裂隙帶發(fā)育高度達到第一層堅硬細砂巖。

工作面繼續(xù)向前推進，11.3m厚老頂呈現(xiàn)周期性垮落，垮落步距8～14cm，平均9.6cm。隨老頂?shù)目迓?，其上?8.4cm厚砂質(zhì)泥巖及13.2cm厚細砂巖下沉變形不斷增大，當達到停采線位置時，即工作面推進200cm，這第二層厚巖層在兩側(cè)邊界位置出現(xiàn)斷裂，在煤壁處頂板破斷角約為64°，在開切眼處頂板破斷角約為58°。此時，采場裂隙帶發(fā)育高度達到49.7cm，具體如圖6a所示。

綜上所述，工作面直接頂初次垮落約在20cm，老頂初次來壓約在65cm，周期來壓步距約為8～14cm。在整個回采過程中，上覆巖層逐層破斷、垮落，直接頂先冒落，在采空區(qū)中不規(guī)則堆積，老頂巖梁在推進方向逐步斷裂，并相互擠壓，形成暫時鉸接平衡結(jié)構(gòu)，隨著工作面不斷推進，鉸接巖塊回轉(zhuǎn)過程中，局部受拉而使咬合處破壞造成巖塊回轉(zhuǎn)進一步加劇，從而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，呈現(xiàn)“穩(wěn)定一失穩(wěn)一穩(wěn)定”周期性變化。與煤層最近的一層關(guān)鍵層對采場礦壓起主要控制作用，其周期性破斷引起采礦周期來壓，當工作面繼續(xù)推進到約200m時，第二層關(guān)鍵層出現(xiàn)破斷，但其整體下沉量不大。采空區(qū)的裂隙經(jīng)歷了不發(fā)育、發(fā)育、部分壓實三個階段，裂隙高度不斷向上發(fā)展，最終形成采場裂隙發(fā)育最大高度49.7cm。

3.覆巖結(jié)構(gòu)特征電法測試

3.1鉆孔布置

在1622（3）工作面6#瓦斯鉆場設(shè)計施工2個電法監(jiān)測鉆孔，傾角分別是35°、12°，鉆孔長度分別為120m、80m，實際控制高度68.8m、16.6m?？變?nèi)各布置64個電極，采用并行電法進行數(shù)據(jù)采集，根據(jù)電極電流比值，探明頂板覆巖破壞規(guī)律。鉆孔布置如圖7所示。

3.2測試結(jié)果

通過鉆孔電極電流比值成像結(jié)果，可以分析該工作面覆巖破壞規(guī)律。從圖8～圖1l探測結(jié)果可知，覆巖受采動破壞分成四個階段：未受采動影響階段，受超前應(yīng)力影響階段，覆巖破壞發(fā)育階段，圍巖應(yīng)力穩(wěn)定階段。

（1）工作面距孔口位置由114.6m到103.5m，為未受采動影響階段，該回采范圍對鉆孔控制范圍內(nèi)的巖層影響不明顯，電流比值多為1左右，僅厚層砂巖頂?shù)捉缑娓浇娏鞅戎涤幸欢ㄗ兓?，具體如圖8所示。

（2）工作面距孔口位置由87.3m到82.3m，為超前應(yīng)力影響階段，這段時間探測的電流比值變化緩慢，表現(xiàn)為厚層砂巖上下界面附近，電流比值略小于1或略大于1，為超前應(yīng)力作用階段，具體如圖9所示。

（3）工作面距孔口位置由75.8m到59.3m，為覆巖破壞發(fā)育階段，探測范圍電流比值顯著下降，表明裂隙帶發(fā)育已達到鉆孔位置，具體如圖10所示。

（4）工作面距孔口位置由54.4m到9.8m，為圍巖應(yīng)力穩(wěn)定階段，探測范圍電流比值顯著較低，且有些區(qū)域比值已經(jīng)為負值，表明裂隙帶發(fā)育趨于穩(wěn)定，且可明顯區(qū)分出垮落帶高度約10m，導(dǎo)水裂隙帶高度約50m，如圖11所示。 以上探測結(jié)果可見，頂板順層方向電流比值極小范圍在垂直高度約10-12m處，可以反映垮落帶高度；煤層頂板垂直高度約50m以下，電流比值明顯低于0.5（后期明顯低于0.1），反映為裂隙發(fā)育區(qū)；煤層頂板垂直高度約50m以上，電流比值基本在0.5以上（后期比值大于0.1），隨采動無明顯的變化，為彎曲下沉帶范圍，這與物理實驗結(jié)果相吻合。

由以上研究結(jié)果，確定該巖性條件下工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度50m，據(jù)此，設(shè)計采區(qū)開采上限標高-535m，留設(shè)防水煤巖柱高度70m，1612（3）工作面面長200m。該面回采過程中未發(fā)生頂板突水事故。

4.結(jié)論

（1）物理試驗表明，復(fù)合關(guān)鍵層頂板呈現(xiàn)非同步破斷特征，當工作面推進達到充分采動時，上部關(guān)鍵層出現(xiàn)斷裂，形成采場頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大高度49.7m；利用電法測試技術(shù)電性解釋了覆巖破壞動態(tài)演化規(guī)律，得出采場覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度50m，與物理模擬研究結(jié)果相互印證，確定該巖性特征條件下，采場導(dǎo)水裂隙發(fā)育最大高度50m；

（2）通過確定采區(qū)第二區(qū)段工作面導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度，指導(dǎo)該采區(qū)第一區(qū)段工作面開采參數(shù)及防水煤巖柱留設(shè)尺寸，更能體現(xiàn)采場設(shè)計的科學(xué)合理性。