何清波1，杨俊生1，康新朋2，黄义通1，安学东1，孙红星1，马西仃1，安星虣2
(1. 兖矿新疆矿业有限公司硫磺沟煤矿，新疆维吾尔自治区昌吉市，831100；2.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西省西安市，710054)
摘 要 基于采空区上覆岩层裂隙发育对合理确定高位钻孔抽采区域的重要性，对兖矿新疆矿业有限公司硫磺沟煤矿采空区上覆岩层裂隙发育规律采用多种方法进行分析。以相似理论为基础，采用物理相似模拟方法研究了采场覆岩“两带”(垮落带、裂缝带)分布特征，通过分析覆岩下沉量变化规律，得出“两带”高度；利用UDEC数值模拟软件模拟随着工作面推进覆岩垮落情况，得出模拟结果；综合两种方法得出，(4-5)04工作面覆岩垮落带高度为21.3～25.0 m，为平均煤层厚度的3.46～4.07倍。利用钻孔窥视法在工作面进行实测，验证垮落带高度为22 m，满足垮落带高度与采高倍数关系。
关键词 倾斜煤层；上覆岩层裂隙；垮落带；裂缝带；物理相似模拟；数值模拟；钻孔窥视法
煤层在开采过程中，随着工作面的不断推进，顶板上覆岩层会发生不同程度的破断，最终形成“三带”[1-2]。研究采场覆岩“三带”分布规律对明确瓦斯抽采层位、支架选型及矿压监测等具有重要意义[3-4]。
向鹏等[5]将工作面上覆直接顶分为2层，建立2类不同开采阶段垮落带动态分布过程，揭示采空区垮落带分布特征；黄学满[6]采用采场“竖三带”的经验计算方法，引入采动影响下采场覆岩组合划分的关键层理论，建立能够较准确判断采场“竖三带”分布范围的综合计算法，并将该方法的计算结果与现场采场测量结果进行对比分析，证明综合计算方法的正确性；张俊文等[7]等针对新疆屯宝煤矿1154工作面，采用物理相似模拟试验定性分析上覆岩层“三带”分布规律；赵鹏翔等[8]采用物理相似模拟试验研究不同回采因素对“三带”高度的影响，研究结果对明晰不同影响因素下卸压瓦斯富集区的识别有一定指导作用；程国建[9]结合开采煤层地质条件，采用数值模拟软件对工作面开采过程中围岩应力分布进行模拟，分析上覆岩层破坏规律，确定覆岩“三带”高度；龚选平等[10]基于相似原理，采用物理相似模拟等手段研究上覆岩层采动裂隙发育特征，并根据现场实测结果对模拟结果进行验证，从而合理确定“三带”的高度范围，为优化设计高抽巷布置层位和高位钻孔设计参数提供依据；GUO H等[11]根据现场监测和数值模拟研究结果，对采场顶板上卸压区高度进行预测，为实现开采过程中的最佳瓦斯抽放设计提供依据；刘震等[12]采用钻孔窥视等手段研究深部条带开采条件下采动覆岩裂隙发育情况，得到特定条件下“三带”分布特征，为治理采空塌陷区提供一定理论基础。
从上述研究可以看出，目前对于覆岩“三带”研究主要有理论计算、数值模拟、物理相似模拟试验及现场实测4种方法。笔者结合物理相似模拟试验、数值模拟及现场实测等手段，研究兖矿新疆矿业有限公司硫磺沟煤矿(4-5)04工作面覆岩“两带”分布规律，以期为后续瓦斯抽采钻孔的设计提供一定参考。
硫磺沟煤矿矿井划分为3个开采水平，(4-5)04工作面为二水平西翼首个回采工作面，工作面高程控制在+700～+770 m之间。4-5煤层厚度变异系数为13.09%，全区稳定可采，煤层结构较简单，局部夹矸，夹矸岩性一般为泥岩和碳质泥岩，属稳定煤层。4-5煤层为黑色，条痕为黑褐—褐黑色，硬度中等，性脆，节理裂隙比较发育，断口以参差状断口为主，结构多呈条带状结构。(4-5)04工作面走向长度2 618.5 m，倾向长度180.0 m，煤层厚度5.50～6.80 m，平均煤层厚6.15 m，平均倾角24°，煤层瓦斯含量为3～4 m3/t[13]，(4-5)04工作面直接顶以粉砂岩、泥岩为主，局部为炭质泥岩，平均厚度10.5 m。4-5煤层采取综采放顶煤开采方法，顶板全部垮落法充填采空区。
为探究工作面回采后上覆岩层“两带”分布规律，实验采用几何比例1∶100二维物理相似模拟实验台开展覆岩“两带”分布特征物理相似模拟实验。模型尺寸2 000 mm×200 mm×1 300 mm，模型高度以上岩层采用配重进行均匀加载。在模型中，正面观测模型垮落现象，背面设置下沉量观测点，从开切眼处沿煤层法向设置9排测点，每排布置18个测点，测点间距100 mm，测点处设置标记物以方便测量。
设计推进速度为每次开挖30 mm，对(4-5)04工作面开展物理相似模拟实验，每次来压后观测测点下沉距离，工作面回采完毕后最终得到实际岩层下沉量变化规律，如图1所示。
图1 倾斜方向测点下沉量
受煤层采动影响，采空区上覆岩层出现不同程度垮落，沿煤层法向形成垮落带、裂缝带及弯曲下沉带。其中垮落带受其上方岩层垮落影响发生断裂呈无序块状；位于裂缝带岩层发生垮落，部分形成破断裂隙；弯曲下沉带岩层整体结构未发生较大破坏。得到实验结果：(4-5)04工作面垮落带实测高度为22～28 m，平均垮落带高度为25 m；岩层裂缝带高度为89.5～130.5m，平均高度为110.0 m；之上为弯曲下沉带。
工作面“两带”物理相似模拟如图2所示。从图2中可知，沿工作面倾向，随着工作面不断推进，当岩层所受应力大于岩层本身强度时，岩层产生竖向裂隙进而断裂垮落。受煤层倾角影响，顶板岩层沿倾向向下滑移且垂直于煤层弯曲，使得下部岩层下沉更为充分，在工作面回采完毕后，经测量下部断裂角为71°，上部断裂角为60°。
图2 工作面“两带”物理相似模拟
采场“两带”分布特性不仅受上覆岩层特性影响，也与煤层赋存倾角有关，而不同的“两带”分布特性对应不同抽采方式的布置层位。4-5(04)工作面平均倾角为24°，依此建立煤层倾向数值计算模型，模拟煤层开采后覆岩裂隙分布特征，步骤如下：
(1)建立数值模型，进行网格划分；
(2)针对开挖工作面进行模型应力平衡计算；
(3)进行数据处理。
工作面开采后应力分布特征如图3所示，其中X=271.3 m处为上端头，X=106.9 m处为下端头，模型倾角为24°。工作面开采后覆岩裂隙发育特征如图4所示。
图3 工作面开采后应力分布特征
图4 工作面开采后覆岩裂隙发育特征
由图3和图4可知如下结果。
(1)工作面上下端头顶底板出现应力增高区，其中底板上下端头应力分别达到16 MPa和20 MPa；顶板上下端头应力达到16 MPa；这些区域岩层受拉伸破坏，有裂隙发育。
(2)工作面回采后，相比于两侧铰接梁的支撑作用，中部上覆岩层大面积垮落，随着工作面不断推进，多次冒落的岩石逐渐被压实，该区域应力可视为逐步恢复状态。
(3)工作面回采后，模型两侧岩层由于支撑作用未充分垮落，形成“砌体梁”结构，该区域为卸压区。
(4)工作面上端头内侧20～55 m，即横向35 m范围，与下端头内侧8～38 m，即横向30 m范围形成的竖向条带为卸压区，该区域内裂隙发育较为充分。
(5)卸压区最终形成有利于瓦斯聚集的场所。
(6)煤层开采后，数值模拟结果显示，垮落带高度21.3 m，裂缝带高度61.3 m。
工作面上端头覆岩裂隙分布特征如图5所示。由图5可知，其主要分布特征包括以下几点。
(1)倾斜方向垮落角在64°以内。
(2)垂直方向上裂隙分布可分为2个区域，第一个区域为垮落带，具体范围为距煤层底板0～21.3 m，横向宽度为55 m，距采空区边界平均距离为9.1 m；上方第二区域为裂缝带，距离底板21.3～61.3 m，平均宽度约为34 m，距离采空区边界平均为35.2 m。
(3)第一区域垮落破碎最为严重，且距离工作面较近，因而漏风现象较为严重；受升浮作用影响，采空区及工作面瓦斯主要集中在第二区域。
(4)高位钻孔终孔位置应布置在垮落带顶部，即图5中第二区域顶部。
图5 工作面上端头覆岩裂隙分布特征
通过上述2种方法得到采场覆岩“两带”高度对比如图6所示。因此得出，(4-5)04工作面覆岩垮落带高度为21.3～ 25.0 m，为平均煤层厚度的3.46～4.07倍。
图6 “两带”高度对比
(1)
式中：H冒——垮落带高度，m；
M采——采高，m；
m——煤层厚度，m；
η——采出率，%。
(4-5)04工作面共布置23个钻场，钻场尺寸为3.6 m×4.0 m×2.6 m(宽×深×高)；钻场间距65 m。钻场内布置2排钻孔，每排布置5个钻孔，并选择4个钻孔作为窥视钻孔。通过利用YTJ20型钻孔窥视仪得到高位钻场距工作面不同距离时钻孔内部裂隙分布特征，分析工作面回采对煤层覆岩裂隙演化的影响，可掌握(4-5)04工作面推进时高位钻孔经过的各层覆岩裂隙分布特征，为合理优化高位钻孔参数及抽采参数，改善抽采效果提供基础数据及理论支持。为便于后期持续性窥视钻孔，需将窥视钻孔布置在钻场内帮。窥视钻孔参数设计见表1，具体布置如图7所示。
表1 (4-5)04工作面垮落带高度
表1 18号高位钻场窥视钻孔设计参数
钻孔编号孔径/mm孔深/m投影距离/m钻孔仰角/(°)与巷道中心线夹角/(°)终孔与巷道中心线距离/m终孔高度/m开孔距钻场底板高度/m1号93686514.2右偏6.815201.52号93696515.5右偏11.120242.03号93706520.3右偏7.515281.54号93726521.4右偏11.720322.0
图7 高位钻场窥视钻孔布置示意
利用钻孔窥视仪，对18号钻场抽采钻孔于2019年6月5-20日开展连续观测，窥视过程中只对4个窥视钻孔进行窥视分析。各窥视钻孔连续观测结果如图8～图14所示。
1号窥视钻孔随着工作面推进其裂隙演化的过程如图8所示。由图8可以看出，当钻场距离工作面78 m时，窥视深度为63.1 m到达孔底，此时钻孔刚进入采动覆岩应力影响区域，钻孔中出现了一些微小的裂隙；随着工作面进一步推进，当距离钻场70 m时，钻孔可窥视深度仍然为63.1 m，此时钻孔已深入采动覆岩影响区，受采动应力影响较为明显，表现为裂隙空间分布已有明显扩展；随着工作面继续推进，当钻场距离工作面53～61 m时，钻孔终孔段处于工作面液压支架支撑范围内，可观测最大距离仍为63.1 m，但由于钻孔已经深入采空区中，其内部裂隙已由分散的条状裂隙相互沟通发展成带状裂隙，且孔底四周孔壁岩石呈现棉絮状；当工作面推进距钻场36 m时，钻孔可观测最大距离由63.1 m缩短为52.5 m，钻孔有16.5 m位于采空区中，此段钻孔与采空区连接，同时受岩层垮落影响，表现为纵向裂隙分布；工作面推进至距离钻场24 m时，钻孔可观测的长度仅为36.4 m，观测过程中发现钻孔多处产生较为明显的横向及纵向裂隙，其中12.4 m位于采空区，与采空区完全贯通，且在钻孔终孔位置处观测到大范围的塌孔。
图8 1号窥视钻孔日窥视最大长度裂隙演化对比(18号钻场)
2号窥视钻孔随工作面推进其裂隙演化过程如图9所示。由图9可以看出，当钻场距离工作面78 m时，窥视深度为88 m到达孔底，此时钻孔终孔位于支架上方承力区范围内，未见垮落现象，只存在小范围裂隙区；随着工作面进一步推进，当距离钻场70 m时，钻孔可窥视深度达到80.5 m，此处部分产生切孔现象，说明超过该深度钻孔已发生塌孔，窥视钻孔与采空区连通；随着工作面继续推进，当钻场距离工作面为61 m时，钻孔可窥视深度达到71 m，钻孔探测到切孔与不规则冒落岩石，表明钻孔进入不规则垮落带；当工作面推进距钻场53 m时，钻孔可观测最大深度为60.9 m，此处可观测到切孔现象，说明此处已与采动空间完全沟通；当工作面推进至距离钻场36 m时，钻孔可观测的深度为48.9 m，钻孔终孔处发生大范围切孔，可观测到裂隙与不规则垮落岩石；随着工作面继续推进，钻孔层位不断下降，当工作面与钻场间距为24 m时，钻孔可观测深度为34.2 m，此时工作面后方钻孔全部位于不规则垮落带范围，钻孔窥视可观测到絮状岩屑及不规则裂隙，表明钻孔可观测末端与采空区完全贯通，呈现随工作面推进而破坏的状态。
图9 2号窥视钻孔日窥视最大长度裂隙演化对比(18号钻场)
3号窥视钻孔随工作面推进其裂隙演化过程如图10所示。由图10可以看出，当钻场距离工作面78～61 m时，窥视深度为58.8 m到达孔底，此时钻孔所在覆岩层位较高未受到采动影响，没有裂隙产生；随着工作面进一步推进，当距离钻场53 m时，钻孔可窥视深度为58.8 m，但已进入采动空间范围，表现为钻孔内部有微小裂隙产生；随着工作面继续推进，当钻场距离工作面为36 m时，钻孔可窥视深度为50.1 m，由于钻孔层位较高，使钻孔伸入采空区长度为14.1 m，但此时钻孔窥视深度较上次减少了8.7 m，50.1 m之后的钻孔完全塌孔并进入采空区；当工作面推进距钻场24 m时，钻孔可观测最大距离由50.1 m缩短为37.4 m，钻孔有13.4 m位于采空区中，钻孔在37.4 m之后发生垮落，此时钻孔与采空区完全沟通，同时在37.4 m处受垮落影响孔口呈不规则形状。
图10 3号窥视钻孔日窥视最大长度裂隙演化对比(18号钻场)
4号窥视钻孔随工作面推进其裂隙演化过程如图11所示。由图11可以看出，当钻场距离工作面78 m时，窥视深度为89 m到达孔底，由于窥视钻孔布置层位较高，虽钻孔已深入采空区，但覆岩裂隙未发育至此，只有少部分微小裂隙；随着工作面进一步推进，当距离钻场70 m时，由于钻孔施工过程中钻头下沉影响，此时钻孔所处层位突然下降，钻孔窥视深度也缩短至82.5 m，且钻孔发生大面积垮落及塌孔，钻孔层位已进入不规则垮落带上部；随着工作面继续推进，当钻场距离工作面为61 m时，钻孔终孔层位持续下降，可窥视深度为74 m，之后的钻孔完全垮落，垮落岩石呈不规则破碎状；当工作面推进距钻场53 m时，钻孔可观测最大距离由74 m缩短为62 m，深入采空区钻孔仅有9 m，62 m之前由于垮落岩石产生的切孔现象导致无法观测；当工作面推进至距离钻场36 m时，钻孔可观测的深度仅为47.9 m，前方钻孔均发生垮落及塌孔，且深入采空区的钻孔发现多处明显横、纵向裂隙，孔口位置发生大面积变形；当工作面推进至距离钻场24 m时，钻孔观测深度为29.6 m，此时钻场层位已降至不规则垮落带底部，随工作面推进呈现边采边冒状态，表明钻孔已与采动空间完全沟通。
图11 4号窥视钻孔日窥视最大长度裂隙演化对比(18号钻场)
通过上述实测钻孔窥视结果，表明(4-5)04工作面垮落带高度为22 m，为采高的3.58倍，满足式(1)的垮落带高度与采高倍数关系。
在矿井瓦斯抽采措施布置中，高位钻孔终孔位置应位于垮落带上部，以解决上隅角瓦斯积聚问题。高抽巷应布置于裂缝带靠近垮落带上部的位置，以便对采空区卸压瓦斯及邻近层瓦斯进行强化抽采，如图12所示。依据(4-5)04工作面垮落带高度可为后续矿井采用高位钻孔治理瓦斯时，对高位钻孔布置及优化提供一定指导。
图12 各抽采方式适宜布置位置
(1)(4-5)04工作面垮落带实测高度为22～28 m，平均垮落带高度为25 m；岩层裂缝带高度在89.5～130.5 m之间，平均高度为110.0 m；之上为弯曲下沉带。运用UDEC数值模拟软件对(4-5)04工作面进行模拟开采，模拟结果显示，垮落带高度21.3 m，裂缝带高度61.3 m。
(2)通过相似模拟实验、数值模拟、现场实测等得到(4-5)04工作面采场覆岩垮落带高度为21.3～25.0 m，为平均煤层厚度的3.46～4.07倍。
(3)通过对工作面覆岩裂隙演化进行现场实测，发现垮落带高度为22 m，为采高的3.58倍，满足垮落带高度与采高倍数关系。依此可为后续矿井采用高位钻孔治理瓦斯时，对高位钻孔布置及优化提供一定指导。
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HE Qingbo1, YANG Junsheng1, KANG Xinpeng2, HUANG Yitong1, AN Xuedong1, SUN Hongxing1, MA Xiding1, AN Xingbao2
Abstract Based on the importance of fissure development of overlying strata in goaf to reasonably determine the extraction area of high-position boreholes, the fissure development law of overlying strata in goaf of Liuhuanggou Coal Mine in Xinjiang Yankuang Mining Co., Ltd. is analyzed by various methods. Based on the similarity theory, the distribution characteristics of "two zones" (caving zone and fracture zone) of overlying strata in the mining stope are studied by the physical similarity simulation method. The height of "two zones" is obtained by analyzing the variation law of subsidence of overlying strata; UDEC numerical simulation software is used to simulate the overlying strata caving condition along with the advance of the working face, and the numerical simulation results are obtained. According to the two methods, the height of the caving zone of overlying strata of (4-5) 04 working face is 21.3～25.0 m, which is 3.46～4.07 times of the average coal seam thickness. The drilling peeping method used for actual measurement at the working face verifies that the height of the caving zone is 22 m, meeting the multiple relation between the height of the caving zone and the multiple of the mining height.
Keywords inclined coal seam; fissure in overlying strata; caving zone; fracture zone; physical similarity simulation; numerical simulation; drilling peeping method