分叉煤层下采再生顶板结构演化特征研究

摘要

近年来，分岔煤层下采时下煤层再生顶板的构造演化特征成为研究热点。本文以我国徐团煤矿分叉煤层为例，通过理论分析、现场实测和室内相似模拟实验，对分叉煤层开采影响下再生顶板结构演化特征进行了综合研究。分析了上煤层开采后底板应力传递规律。研究结果揭示了上部煤层开采引起的覆岩结构和应力场的变化。顶板内形成了崩落破碎带，崩落带平均高度为8.28 m，破碎带平均高度为34.91 m。现场试验结果验证了理论分析和类似模拟试验结果的准确性。根据煤层底板强破坏带深度的相对大小和煤层间距，将下煤层再生顶板岩体结构分为三种类型:岩体裂隙岩体+分散(我),裂隙岩体+分散岩体裂隙岩体(II),批量岩体和裂隙岩体+ +裂隙岩体层状岩体(III)和三种类型的再生顶板结构的稳定性是评价:我三世>二世>。本文的研究可为分叉煤层开采条件下顶板破碎控制靶区的确定提供理论依据，为顶板加固注浆钻孔位置和参数的选择提供指导。

1.介绍

煤的形成过程伴随着复杂的古沉积环境变化。受多期构造运动的影响，最终形成不同空间形态的地下煤层。分岔煤层就是其中一种形式。如图所示1时，分岔煤层的层间距离可从零米到几十米不等。该地层是一种近煤层，但与传统的近煤层概念不同，主要是由于上、下煤层距离的逐渐变化。这种特殊的形式对下煤层的开采影响很大。当两层间距较小时，上煤层开采会对底板产生采动破坏，导致下煤层顶板的破坏，使下煤层顶板由原来的分层完整结构顶板转变为破碎顶板。下煤层开采时，巷道变形严重，支护困难，工作面顶板破碎不易管理，顶板安全事故时有发生，威胁着矿山的效率和现场工人的安全[1，2］．

国内外科学家对近距离煤层开采过程中的采矿和工程地质问题进行了大量的理论研究，取得了丰硕的成果。近距离煤层向下开采时，上部工作面残余煤柱处出现应力集中，对下部煤层的开采影响很大。许多学者对这个问题进行了研究[3.- - - - - -11]，确定了合理的煤柱尺寸，科学地设计了煤巷和岩巷的位置，分析了巷道围岩的稳定性，并提出了巷道变形破坏的处理措施。这种研究揭示了近距离煤层开采过程中矿压行为的基本规律，填补了近距离煤层开采理论的不足，大大提高了煤炭资源的回收率。然而，对分叉煤层开采地压显现规律的研究相对较少，底板地压传递规律不明确。上部煤层的开采导致了原岩应力的变化，使原岩应力趋于新的平衡。覆岩迁移是围岩应力趋于新平衡的直接体现。对于近地层煤层群的开采，上覆岩层的运移规律和应力场的演化特征已成为研究的主题，但研究方法各不相同。FLAC^{3 d}, RFPA^二维、UDEC等软件广泛应用于采场模拟[12- - - - - -15］．二维和三维室内相似试验可以可靠地评价采场条件，降低研究成本[16- - - - - -19］．不同地质条件下的力学模型能更好地揭示闭合煤层开采过程中覆岩运移断裂的机理[20.- - - - - -24］．上述研究成果为煤层瓦斯抽放孔的布置、顶板注浆加固钻孔位置的选择以及巷道支护方式的选择提供了科学指导。然而，在分岔煤层开采过程中，对采场围岩结构类型及演化特征的研究较少。特别是分岔煤层采场围岩结构演化特征尚不明确，需要进一步研究。理论研究成果通过现场测量得到验证，科学指导生产实践的良性循环。采用多种科技手段对近距离采场顶板覆岩变形破坏进行监测和研究[25- - - - - -32］．传统的“两带”(崩落带和裂隙带)高度测量方法是简单的水文观测技术，在野外测量中应用较为成熟和广泛。主要包括地表钻孔的简单水文观测和地下倾斜水文观测。利用该方法对煤层上覆“两带”高度和底板破坏深度进行了估算，为上覆构造的分类提供了依据。在近距离煤层重复开采的影响下，下煤层巷道变形严重。许多学者研究了巷道的破坏机理，并提出了相应的控制技术，以确保工作面安全高效开采[33- - - - - -36］．有学者通过对近距离煤层顶板及层间岩体结构的研究，建立了液压支架与围岩的关系，揭示了岩体结构对采场围岩的控制机理[37- - - - - -40］．研究结果为液压支架选型及参数选择提供了理论依据。本文从工程地质角度分析了岔煤开采巷道围岩的构造演化特征，为岔煤开采巷道及围岩的治理提供理论指导。

基于以上分析，学者们在近距离煤层采场附近开展了大量的研究工作，取得了较多的研究成果。然而，关于分岔煤层的研究报道甚少。在开采影响下，底板矿压传递规律不明确。采场围岩结构特征相对较少，顶板破碎治理目标区的确定缺乏理论支撑。本文针对实际矿山工程中遇到的下煤层再生顶板控制困难进行了一系列的研究。通过理论分析、现场测量、模拟试验和室内相似,采场压力的传播特征在地板上煤层开采的影响进行了分析,和岩体结构特征的再生顶板煤层分叉密切评估。评价不同类型再生顶板结构的稳定性，为下煤层破碎顶板治理靶区的确定提供科学依据。研究成果可为类似条件下顶板破碎的处理提供参考。

2.工程地质背景

徐团煤矿位于中国安徽省亳州市徐团镇。7-1(上煤层)和7-2(下煤层)是该矿的主要煤层，空间形态呈分岔归并关系。本文对82矿区71212和72210工作面进行了研究。矿区煤层间距如图所示2其中，在矿区的东北部、西南部相对较小，而靠近矿区中部则逐渐变大。因此，夹层厚度从矿区东南、西南向矿区中部逐渐增大。

82矿区71212工作面下部为72210工作面。7-1、7-2煤层间距在0.7 ~ 9.02 m之间，平均5.84 m。71212工作面走向长1366 m，倾斜宽度170 m，煤层平均厚度2.8 m，煤层倾角15°。72210工作面走向长2023 m，倾斜宽度190 m，煤层平均厚度3 m，煤层倾角12°。

通过对7-1号和7-2号煤层顶板和底板岩石钻孔取心，进行了室内岩石力学性能试验。工作面综合直方图及顶底板岩石力学性能试验结果如图所示3.．

3.7-1煤层开采后顶板和底板岩层破坏厚度理论计算

3．1.覆岩“两带”高度的理论计算

71212工作面7-1煤层顶板为中硬岩。中国煤炭工业部制定了建筑物、水体、铁路、主干道煤柱保留和采煤规定(2019版)，提出中硬覆岩(平均抗压强度为20 MPa - 40 MPa)垮塌区和导水裂隙区高度的计算公式，如式(1)和(2) [41］． 在哪里为垮落带高度，是断裂带的高度，和为煤层的累计开采厚度，单位为m。

３．２．底板破坏深度的理论计算

根据土力学实验的一般结论，结合煤层底板的实际情况，认为底板岩石在支承压力作用下的极限状态滑移线(塑性破坏区边界)如图所示4．塑性破坏边界由三个区域组成:I和III分别为主动极限区和被动极限区，II为过渡区[42- - - - - -44］．

最大塑性破坏深度计算图h如图所示5．

对数螺旋的方程为:

在公式(3.)，r是极坐标半径，θ是极角，r₀是常量，而表达式是r₀如下:

根据图中的几何关系5,深度h的极限承载压力下的塑性破坏区可确定为:

从 ，的最大深度h_马克斯式中，可以得到:

塑性区宽度l长壁工作面煤柱的计算公式为:45]：

最大屈服破坏深度h_马克斯的计算公式为(6)和(7),如下: 在哪里米为煤层厚度，单位:m;φ为煤体内摩擦角;K为应力集中系数;γ为矿区上覆岩层的平均容重，单位:MN/m^3.；H为煤层埋深，单位:m;C为煤的黏聚力，单位:MPa;p_x为支架对煤侧的阻力，单位:KN;f为煤层与顶板、底板接触面的摩擦系数;l为煤柱塑性区宽度，单位:m;和ξ为三轴应力系数， ．

3．3．案例分析

根据徐团煤矿71212工作面实测钻孔资料，利用公式(1), (2)和(8)，分别计算了71212工作面冒落区和破碎区高度、底板破坏区深度和煤柱塑性区宽度。计算结果见表1．

根据表中的数据1，绘制7-1号煤层开采后围岩结构演化图，如图所示6．

值得注意的是，7-1煤层开采后，围岩发生了迁移，形成了冒落带、破碎带和强底板破坏带。破碎带内岩体属于碎裂岩体结构，岩体发生破裂，其完整性遭到破坏。垮落带岩体结构松散，属于散体岩体结构。由于采场压力的严重影响，底板强破坏区内岩体部分破碎，属于碎裂岩体结构。底板强破坏带下部受开采过程影响较小。因此，可以认为它处于原始状态，以层状岩石结构为特征。由于煤层间距的差异，7-1煤层开采后研究区7-2煤层顶板自上而下可划分为不同的岩体结构组合类型:碎裂岩体+散体岩体;II:碎裂岩体+颗粒岩体+碎裂岩体;III:碎裂岩体+粒状岩体+碎裂岩体+层状岩体。基于表1时，底板破坏区平均厚度为6.33 m。当煤层间距大于6.33 m时，7-1煤层底板产生层状岩体，控制上覆岩层的移动。根据岩体结构组成，顶板结构稳定性计算如下:

4.顶板和底板岩石破坏范围的现场测量

钻孔简单水文地质观测是对钻孔水位、温度、冲洗液消耗量、钻井工程涌水量的观测和记录。根据钻井冲洗液的消耗量、涌水量的变化及其变化率，结合井内水位动态变化的观测数据、地质资料及“漏气”的演变情况，以及钻井过程中的“落钻卡钻”现象，掌握了岩层的裂缝发育程度，确定了覆岩“两带”高度和底板破坏深度[46］．

在徐团煤矿71212工作面进行了7个地面测量钻孔(编号X)₁, X₂, X_3., X₄, X₅, X₆, X₇,分别。钻孔从地表钻至7-2号煤层。钻孔平面位置及间距如图所示7．在钻探过程中，通过简单的水文观测，测量了“两带”的高度和底板的破坏深度。该测量钻孔可作为7-2煤层顶板注浆加固的地面注浆钻孔，并全部重新开放作为瓦斯抽放钻孔，达到多用途。

根据现场简单水文观测，提取7-2号煤层顶部以上80 m范围内的钻孔冲洗液耗量监测数据，绘制钻孔冲洗液耗量变化曲线如图所示8．

可以看出，7-1煤层开采影响了顶板上覆岩层的迁移，形成了冒落破碎带，钻孔冲洗液的消耗量在不同地区有所不同。在裂缝区钻井时，井内冲洗液消耗增加，水位下降。在垮落带钻孔时，该地区的岩层呈颗粒状。孔隙和裂缝发育。井内冲洗液消耗完毕，井内水位为0。在钻进过程中会出现“漏气”、“漏钻卡钻”等现象。由于采场压力的影响，上部煤层底板形成了强、弱破坏区。在7-1煤层底板钻孔时，强破坏区冲洗液耗量大于破碎区，而垮落区冲洗液耗量小于破碎区。弱破坏区冲洗液耗量较小，略大于完整岩体区，且该区域岩石完整性基本接近原始层状地层。根据冲洗液的消耗量，划分出垮落区、破碎区、底板强破坏区和底板弱破坏区，如图所示8，其厚度列于表中2．

基于图8和表2时，强破坏带实测深度在4.20 ~ 6.55 m之间。当煤层间距小于5.78 m时，7-1煤层底板岩层完全破坏，形成强破坏带，不形成弱破坏带。当煤层间距大于5.78 m时，7-1煤层底板存在弱破坏带，该区域岩层力学性质接近完整层状岩层。此时7-1煤层底板破坏带平均深度为6.22 m，接近理论计算值6.33 m。实测垮落带和裂隙带的平均高度分别为7.95 m和34.82 m，与理论计算值8.71 m和34.65 m接近。通过上述调查，可以得出以下结论:从工作面中部到切孔和停采线，测得的崩落破碎带厚度逐渐增大。这说明随着工作面的推进，采空区中部压实后透水系数减小。由于悬臂梁在采空区周围煤壁的支撑，压实度差，透气性较大。揭示了采空区破碎岩体压实作用对其渗透性的控制机制。根据工作面不同位置的实测值对理论计算值进行了修正。 This methodology can provide the basis for the accurate calculation of the height of the caving and fracture zones in the bifurcation coal seam mining under similar conditions in the mining area, reducing thus the cost of boreholes investigation.

5.分叉煤层下采相似模拟试验研究

由于工作面地质环境复杂，现场试验成本高，难以进行。基于相似理论，将原型工作面的地质条件转化为模型的地质条件，进行室内相似模拟试验。该方法已成为一种重要的研究方法[47，48］．

5．1.相似模拟材料参数的确定

根据相似原理，表中给出了原始岩石(原型)与模型所有必要的几何和力学特性的相似比3.．结合工作面顶底板岩体的力学试验结果，确定其力学强度和材料比。具体参数如表所示4．

5.2。相似仿真模型的构建

该模型主要由两个系统组成:框架系统和测试系统。如图所示9，框架系统尺寸为300 cm × 30 cm × 200 cm(长×宽×高)，测试系统主要包括位移和应力监测系统。根据71212和72210工作面的地质条件，选取分岔段煤层作为模型设计的原型。上、下煤层夹角为5°，开挖段煤层间距为0 ~ 19.25 cm。模型设计开挖尺寸为220 cm，模型高150 cm，宽30 cm。模型两侧边界煤柱为40 cm，以消除边界效应的影响。

模型材料如图所示10，主要包括河沙、石灰、石膏、云母和水。

5.3。相似仿真结果分析

在7-1、7-2煤层开采过程中，全程监测采场围岩的变形破坏情况。监测结果如图所示11和12．

如图所示(11日)， 7-1煤层在前30 m开采时，顶板发生坍塌，微裂隙开始发育。当推进到110 m时，主顶板经历4次周期性断裂。垮落带和破碎带的划分如图所示11 (b)．垮落带发育高度为8 m，裂隙发育高度为17 m。工作面顶部岩层形成悬臂梁结构[49］．7-1煤层开采完成后，如图所示11 (c)，垮落带高度保持在8 m，裂隙带高度发展到37 m。破碎区内的岩层被挤压并铰接形成砖石梁。采动线末端岩层形成的悬臂梁结构随着上覆岩层的移动而断裂。切眼破岩角度为54°，停井线破岩角度为49°。切孔及停采线悬臂梁破断后支撑上覆岩层，孔隙度大于工作面中部。越靠近工作面中部，岩石压实程度越大，孔隙度越小，这与野外实测的“两带”高度发育规律一致。

从图中可以看出12当7-2煤层推进至30 m时，7-1煤层开采完成后，层间岩体已完全破碎，无法支撑上覆岩层。基础顶破坏长度随破坏量的增加而减小。当煤层间距大于6 m时，7-1煤层底板形成层状岩层，悬臂梁强度增大，支撑上覆岩层。悬臂梁断裂后，岩块铰接形成砌体梁[50，对采场上覆岩层移动有较好的控制效果，验证了III型顶板比II型和I型顶板更稳定的结论。

在类似的模拟试验中，很难观察模型内部的微裂缝发育情况。因此，在7-1煤层开采过程中，对7-1煤层底板的应力进行了监测。通过分析地压对底板的影响深度，间接反映了7-1煤层底板的破坏深度。传感器应力监测数据如图所示13．

7-1上煤层开采引起的底板应力变化具有规律性。随着埋深的增加，A2-A5应力传感器的应力变化趋势逐渐趋于均匀。A6-A12传感器的应力监测值基本接近初始应力(2.8 kPa)。A2-A5传感器与7-1煤层的距离为0 ~ 7.00 m, A4传感器与7-1煤层的距离为5.25 m。底板开采引起的应力变化影响深度为5.25 m ~ 7.00 m。这一范围内的地层受矿山压力的影响。微裂缝发育，岩层遭到破坏，与理论计算和实测底板破坏深度一致。如图所示13，随着工作面的推进，工作面后方采空区底板的应力经历了由加压到卸压再加压的过程。采空区刚形成时，底板岩石卸压程度较高。随着岩层的周期性坍塌压实，底板应力开始逐渐增大，但始终略小于初始应力，应力恢复距离约为80 m。在水平方向，支承压力超前影响范围为20 ~ 30 m，支承压力峰值位置在工程前方约5 m处。

6.讨论

通过以上研究可以发现，在近煤层向下开采过程中，层间岩层的厚度和岩性对下煤层顶板上覆岩层移动具有控制作用。当开采后上煤层底板破坏深度大于煤层间距(I, II)时，下煤层顶板严重开裂。如果对顶板不进行处理，管理难度大，容易发生顶板坍塌事故。当底板破坏深度小于煤层间距(III)时，底板岩层存在层状结构。夹层岩层形成的悬臂梁结构对上部岩层有支撑作用。采取一定的支护措施，下煤层才能成功开采。

该研究可为类似条件下分叉煤层开采顶板控制目标区域的确定提供理论依据。现场实测及类似模拟试验结果表明，工作面切孔及停线处悬臂梁断裂支撑上覆岩层，孔隙度大于工作面中部。越靠近工作面中部，岩石压实程度越高，孔隙度越小。该规则可用于对顶板不同位置进行有针对性的注浆加固，为注浆参数的选择提供参考。

7.结论

分岔煤层开采所面临的一系列开采问题已成为近年来的研究热点。以我国许团矿分叉煤层为例，综合研究了上煤层开采(7-1)影响下下煤层(7-2)再生顶板的构造演化特征。主要结论如下:(1）理论计算结果表明:7-1煤层开采后顶板冒落带高度为8.71 m，破碎带高度为34.65 m，底板破坏带平均深度为6.33 m。（2）实测垮落带和裂隙带的平均高度分别为7.95 m和34.82 m，基本接近理论计算值8.71 m和34.65 m。7-1煤层底板破坏带的平均深度为6.22 m，接近理论计算值6.33 m。（3）相似模拟试验结果表明，7-1煤层顶板放顶带和裂隙带的平均高度分别为8 m和37 m。割孔和停线处的孔隙率大于工作面中部。越靠近工作面中部，岩石压实程度越高，孔隙度越小。底板强破坏区深度为5.25 m - 7 m，与理论计算和现场实测基本一致。采空区与覆岩的应力恢复距离约为80 m。（4）结合理论计算、现场实测和室内相似模拟试验的研究成果，对7-1煤层受开采影响下的7-2煤层再生顶板岩体结构进行了分类。当地板失败深度大于煤层间距,主要分为两种类型:岩体裂隙岩体+分散(I)和岩体裂隙岩体+分散+裂隙岩体(II)。当地板失败深度小于煤层间距,岩体结构如下:3种再生顶板的结构稳定性分别为:III > II > I。

数据可用性

本文计算所用的数据均应要求由通讯作者提供。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

感谢安徽省高校科研平台创新团队建设项目(2016-2018-24)和国家自然科学基金项目(41272278)的资助。感谢史文宝先生和刘帅先生在撰写本文过程中给予的指导和帮助。

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