余吾煤业S1206综放工作面裂隙带高度的研究

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摘要：通过引入泥岩百分比，并结合软、硬岩的破坏变形特征将覆岩分为三种类型，分析出三类覆岩的裂隙发育特征，通过理论研究结合屯留矿实例分析得出：覆岩岩性特征与关键层位置共同控制着采空区裂隙带发育高度，当关键层高度大于一定临界高度，临界高度按（7～10）煤层采厚来估算，砂岩为主型覆岩的裂隙较发育可越过关键层，裂隙带高度D为：关键层高度≤D

关键词：覆岩岩性；破坏变形特征；采空区裂隙带；关键层；注水测漏法

0 引言

在矿井进行采掘活动中，煤体上覆岩层受矿山压力作用会发生破断和弯曲下沉，沿岩体的纵向和横向都会产生断裂和裂隙，而这些裂隙和断裂相互沟通就形成瓦斯和水流通道[1]，容易造成工作面瓦斯增大或诱发顶板突水事故。故研究采动条件下上覆岩层的裂隙发育规律对预防突水事故和区域瓦斯防治工作有重要意义。在国外，60年代，德国学者克拉茨总结概括了煤矿开采沉陷的预计方法，并发表《采动损害及其防护》；英国、日本和俄罗斯根据本国实际情况分别制定了相关规定和规程[2]。国内相关研究较多[3-5]，目前采空区裂隙带确定方法主要有经验公式法、 物理相似模拟法、数值模拟法和实测法。

1 覆岩岩性类型对裂隙发育的影响

许家林等人[6]通过相似模拟试验，模拟出距煤层不同高度的关键层对上覆岩层的裂隙发育规律的影响，得出只有当关键层距煤层高度小于临界值时（分析时可以粗略按《规程》经验公式（7～10M）估算高度为临界值[7]），关键层才会发生破断产生大量裂隙，而受其控制的上覆岩层同步发生破断变形，裂隙上下贯通后形成瓦斯运移通道；当关键层距煤层高度大于临界值时，应力传递到关键层已经逐步弱化，关键层受其作用也会发生弯曲下沉，但不会发生破断进而贯通上下裂隙系统。

式中：h为开采煤层与主要关键层之间各泥岩厚度之和，m；H为开采煤层与主要关键层之间的总厚度，m。本次研究依据该分类标准展开这三种岩性对裂隙发育的影响。

通过对覆岩不同岩性结构进行相似模拟实验，在关键层1和关键层2高度一定的情况下，得出泥岩为主、砂岩为主和砂泥岩混合型的覆岩破坏规律。当上覆岩层中软岩（泥、页岩）超过65%，软岩的破坏变形为多为拉伸破坏和压缩变形，主要为塑性变形，表现形式为弯曲下沉，由于其碎胀系数低，发生破坏变形后占据的空间较小，且在受上覆岩层的重力作用下，由弯曲产生的裂隙也会逐渐被压实，并且若有多层较厚的泥岩处于低位时，覆岩裂隙发育会得到抑制。其裂隙带高度D≤关键层2的高度。

当上覆岩层中硬岩（砂岩）超过65%时，硬岩的破坏变形为脆性破坏和剪切破坏，表现形式为块状断裂。由于其碎胀系数高，发生破坏变形后占据的空间较大，且破断形成的块体并以相互铰接形式连接，对应的裂隙较为发育。另一方面，硬层透气性好，可视为的瓦斯运移时的开放储层，硬岩断裂产生裂隙能够贯通上、下方的裂隙系统，为瓦斯运移提供流动通道，且裂隙发育高度能持续向上延展。当关键层2高度大于临界值高度，且差距不大时，其裂隙发育特征为：硬岩变形破坏形式为剪切破坏，裂隙较发育，可发展至关键层2并继续向上延伸，止于顶部基岩位置，对于砂泥岩复合型岩体，其裂隙发育规律与泥、砂岩层厚度以及其相对位置有密切关系。由于软岩（泥、页岩）在发生破坏变形中属于塑性变形，能够阻碍覆岩破断裂隙向上传递，对裂隙发育起到抑制作用，此外，软岩层的透气性低，可为瓦斯提供较好的封闭条件，位于软岩的下方裂隙发育区可作为瓦斯富集区。

2 试验工作面覆岩的岩性特征及分析

2.1 试验工作面概况

余吾煤业主采煤层为二叠系山西组3#煤层，平均厚度6.3m，倾角为7°，采煤方法主要为综采放顶煤法，工作面采高3.3m，放煤厚度为3m。由于综采工作面瓦斯治理工作的需要，在综放工作面采空区上方布置高抽巷，而高抽巷合理层位应当布置在采空区上方裂隙带发育区[10]。为了探究矿井综放工作面采空区裂隙带发育特征，选择s1206工作面为试验地点，该工作面底板标高为+472～+510m，绝对瓦斯涌出量17.8～35.6m3/min，煤层直接顶为5.1m砂质泥岩，老顶为2.8m细粒砂岩。

2.2 分析覆岩岩性特征对裂隙发育的影响

根据大量实验和实测结果[11]，当煤层采厚较小时，顶板综合残余碎胀系数相对较小，而当煤层采厚较大时，顶板综合残余碎胀系数相对较大。因此，当煤层采厚较小时，临界高度宜取较大倍数的采厚；当煤层采厚较大时，临界高度宜取较小倍数的采厚。

S1206工作面上覆岩层的岩性结构：上覆岩层关键层2的高度为40.7m

3 现场试验实测

3.1注水测漏法试验

该矿采用注水测漏法在S1206工作面进行裂隙带高度实测，由于工作面巷道布置均为“双U”型，实测时该工作面外圈巷道向采空区布置斜向钻孔，钻孔倾角36～60°，保证钻孔的垂直高度不低于70m，分段测定不同高度的水流漏失量。

S1206工作面外圈巷道胶带顺槽和进风巷的间距为30m，测试钻孔穿过折断保护煤柱的垂直高度为17m，钻孔穿过此段煤柱时候漏水量会相对较小。在垂高小于21m时钻孔漏失量小于5L/min，该区域位于关键层1下部，此区域内泥岩所占比例高达76%，且有两层厚度大于5m的泥岩，低相位的厚泥岩对裂隙的发育有抑制作用，泥岩本身透水性差，此区域为裂隙带不发育区，在21m至35.18m段，虽然在0～21m区域内的泥岩对裂隙发育有抑制作用，但仍有部分采动破坏应力向上传递，而本区域内砂岩所占比例达68%，砂岩发生破断产生大量裂隙相互贯通，故注水量均超过20L/min。35.18m以上区域，钻孔漏水量骤减，且很快趋于零，说明该区域为原岩应力区。

4 结论

（1）运用不同岩性的岩层破坏变形特征结合关键层理论，得出覆岩岩性特征与关键层位置共同控制着采空区裂隙带发育高度，当关键层高度大于临界高度（7～10M），砂岩为主型覆岩的裂隙较发育可越过该关键层，裂隙带高度D为：关键层高度≤D

（2）通过分析S1206综放面的顶板岩性柱状图，得出泥岩为主该工作面的裂隙带高度≤关键层2高度（其关键层2小于临界值）。

（3）在该矿工作面进行注水测漏法试验，通过测定分段测定钻孔每分钟水流漏失量，分析确定S1206工作面的裂隙带高度为35.18m，验证了运用该法理论分析出的裂隙带高度的准确性。

参考文献：

[1]施龙青，辛恒奇，翟培合等.大采深条件下导水裂隙带高度计算研究[J]. 中国矿业大学学报，2012，41（1）：37-41.

[2]鲁建国.导水裂隙带研究现状浅析[J].内蒙古煤炭经济，2009，（6）：49-50.

[3]吕玉广，张雁.国内导水裂缝带研究现状及发展趋势[J]. 煤矿现代化，2013，（2）：101-104.

作者简介：朱加勋1987男，安徽宿州人，助理工程师，2010年毕业于河南理工大学安全工程专业，现从事于煤矿通风及瓦斯治理工作。