1、斜溝煤礦綜放幵采覆巖“三帶”發育高 度研宄畢建乙山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦摘要：采場覆巖“三帶”的準確劃分，是防止頂板突水、確定高位鉆孔終孔位置及高抽 巷布置層位的前提。根據斜溝煤礦的地質條件，采用理論分析、數值模擬方法和 現場驗證手段，對綜放幵采過程中采場裂隙帶的發育高度及運移規律進行研宄 分析，得出覆巖“三帶”的分布范圍：冒落帶高度是48 . 3150 . 67 m，裂隙帶高度 是50. 67l08. 56 m。并對比分析經驗公式的計算結果、現場窺視儀觀測結果及rfpa 數值模擬結果，結果證明：經驗公式的計算結果比較準確，符合實際情況。關鍵詞：綜放開采;現場實測;高位鉆孔;“三帶”高度

2、;數值模擬;作者簡介：李國輝（1976-）,男，工程師，畢業于丙安理工大學機械電子工程 專業，主要從事礦山壓力與頂板管理工作。收稿曰期:2017-06-11received： 2017-06-110引言煤層開采過后將引起上覆巖層的變形、冒落和下沉現象，采場上方會產生冒落 帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。“三帶”高度的準確判定是“三下”安全采煤設計、 覆若離層充填技術及上鄰近層瓦斯抽放研宄的基礎1-2。對于綜放開采上覆巖層裂隙演化規律，w內外學者通過數值模擬、理論研究、現 場實測及相似模擬試驗等方法進行大量的研宄。高建良、陳帥在王莊煤礦實 驗研究得到“三帶”高度，同時驗證cdem數值模擬軟件適用于上覆巖

3、層演化規 律。張軍、王建鵬ill通過相似材料模擬實驗方法，研宂得出西山煤電杜兒坪礦 68303工作面覆巖“三帶”高度，并采用鉆孔參數分析法和仰斜鉆孔分段注水 法現場實測冒落帶、裂隙帶高度，結果證明基于采動覆巖裂隙分布特性的相似模 擬實驗研宄結果合理可靠。丁鑫品5和許延春6通過在多個煤礦綜放面統計“三帶”高度的現場實測數據，并進行研宄分析、歸納當頂板為中硬或軟弱覆巖 吋，綜放開采“三帶”高度計算的經驗公式。通過理論研宄、數值模擬分析和現場實測相結合，對斜溝煤礦13煤層23112綜 放工作面覆巖“三帶”發育高度進行研究m，最終得出“三帶”高度，為高位 鉆孔、高抽巷等參數設計提供一定的科學依據，并對

4、比分析了歸納總結的經驗公 式與建筑物、水體、鐵路及主耍井巷煤柱留設與壓煤采煤規程（以下簡稱“三 下”釆煤規程收錄的“三帶”高度的計算公式的適應性。1礦井概況斜溝煤礦位于山西省呂梁市興縣，該區位于河東煤田北部的屮南部。主采煤層為 8、13煤，13煤層位于太原組下部，上距8煤層52. 42 m,下距s1砂巖23. 76 m。 煤層傾角為8°，厚度為13. 88 m，是全區可采煤層，含夾矸（t6層，夾矸厚度 為0. 0（t0. 90 m。其頂板巖性為中粒砂巖和粉砂巖，底板為炭質泥巖和粗粒砂巖。 斜溝煤礦巖層柱狀如圖1所示。名稱層厚xn累厚/fn中粒砂巖粉砂巖13#煤層柱狀12#煤層0.68

5、3.250*000.40炭質泥巖14#煤層0.60 1.101.5510.891.534.0713.5015.9050.68黑色，爰57.4861.2275.6677.2277.54-石局 灰屑， 淺巖紋巖灰黑色泥巖，黑有好層夾層定煤矸結構圖1巖層柱狀下載原圖23112工作面位于21釆區輔運上山南側，兩側、南側、東側均為實煤區，上部 為8煤層18112掘進工作面和18110冋采工作面;工作面長度為253 m，推進長 度為2 828 m;采煤方法為單一走內長壁采煤法，采煤工藝為低位綜采放頂煤， 采高為3. 8 m，放煤高度為9. 77 m，頂板采用全部垮落法管理采空區頂板。2理論計算從斜溝煤礦巖

6、層柱狀可知，斜溝煤礦13煤層厚為13.88 m，頂板是中粒砂巖和 粉砂巖，為中硬巖層。很長一段時間以來，覆巖“三帶”高度的計算采用“三 下”采煤規程的經驗公式。但當覆巖為屮硬巖層時，計算覆巖“三帶”高度， 在“三下”采煤規程沒有記錄采用綜放開采方法的計算公式，一般根據厚煤 層分層開采方法的經驗公式來計算。具體如下：冒落帶高度計算公式為：h - 100zm m 4.7xm+19±2.2式中em為累計采厚，m。異水裂隙帶高度計算公式為:100zm= 1.6xm+3.6±5.6將斜溝煤礦數據分別帶入公式(1)、(2)計算得到：13煤層23112工作面冒落 帶高度為14. 2818

7、. 68 m，導水裂隙帶高度為48. 1859. 38 m。由于斜溝煤礦23112工作面是綜放面，“三帶”的發育高度比分層開采時顯著增 大，這時就不適合采用分層開采的計算公式。可用以下經驗公式來計算綜放工作 面中硬巖層條件下覆巖“三帶”的高度： 冒落帶高度計算公式為:100m0.49m+19.12±4.71導水裂隙帶高度計算公式為:100m0.26m+6.88± 11.49將斜溝煤礦數據分別帶入公式（3）、（4）計算得到：13煤層23112工作面冒落 帶髙度為48. 808. 26 m,導水裂隙帶髙度為120. 84143. 82 mo彎曲下沉帶是在開采范圍內，裂隙帶頂部以

8、上到地表的所有巖層，其高度的計 算公式為：hh(m式中:1k為彎曲下沉帶高度，m;h為工作面采深，m;hh為裂隙帶高度，m;h.為垮 落帶高度，m。3現場實測覆層裂隙為了準確獲取上覆巖層的裂隙發育情況，在23112工作面皮帶巷（回風順槽） 距離工作面100 m處布置3個觀測孔,觀測孔深度為80 m,仰角分別為50°、 45°、40° ,終孔位置距離13煤層頂板分別為61. 28、56.57、51.42 m。觀測 鉆孔布置如圖2所示。各鉆孔采前、采后的巖層裂隙發育情況通過cxk6礦用本 安型鉆孔成像儀觀測，并統計異常區出現的位置，進而分析得出斜溝煤礦 23112綜放

9、工作面覆巖“三帶”高度。1#觀測孔23112itz j “ i:皮w巷2#觀測孔 f3#觀測圖2觀測孔布罝示意 下載原圖當工作面推進到距離觀測孔位置至少25 m時稱為采前位置；當工作面推進到距離 觀測孔位置不足8 m時即快要推進到觀測孔時稱為采后位置。剛開始工作面每推 進1 m測1次數據，之后每隔1015 d窺視1次。通過現場窺視儀的觀測，收集 相關數據，得到各鉆孔采前和采后裂隙密集區距13煤層23112工作面頂板的垂 高，如表1所示。利用窺視儀圖像分別從鉆孔縱向、橫向上研究覆巖裂隙、裂縫的演化規律。窺視圖像的結果均表明:采后的裂隙無論在橫向還是縱向上都比采 前的要多，釆后裂隙發育完全。從表1

10、中可以發現，采前3個鉆孔（12、3鉆孔） 裂隙密集區處是距23112工作面頂板垂高48. 6249.54 m、48. 7349. 98 m、48. 3廣49.88 m處，采后3個鉆孔（1、2、3鉆孔）裂隙密集區處是距23112工 作面頂板垂高為49. 8750. 94 m、49. 7350. 82 m、49. 5950. 67 m。現場觀測結 果表明，當距離23112工作面頂板垂高為48. 3廣50. 67 m時，覆巖裂隙最為發育, 此處覆巖在橫縱向上產生大量的裂隙和裂縫，已經形成完整的裂隙面，因此可 確定為23112工作面冒落帶的高度。表1覆巖裂隙密集區統計情況下載原表鉆孔傾角 鉆孔垂ft

11、裂隙想*集鉆孔kkl j u isvx 7 rj/(°)/m采前1#5061.2848.6249.542#4556.5748.7349.983#4051.4248.3t49.88通過對比冒落帶的計算結果，發現采用“三下”采煤規程來計算綜采放頂煤“三帶”高度，其計算結果明顯偏小;而采用經驗公式的計算結果與現場觀測基 本一致，說明在理論計算綜放面采場“三帶”高度上經驗公式是適用的。4采場覆巖裂隙演化數值模擬采用rfpa軟件（真實破裂過程分析方法）模擬覆巖裂隙隨著工作面的不斷向前 推進發生演化規律，模擬結果如圖3所示。(a)推進40 m(b)推進80 m(c)推進 120 m由圖3分析表明

12、，上覆巖層裂隙帶的發育隨著工作面的向前推進呈現動態演化 過程：當工作面推進37 m吋，頂板出現破斷冒落，接著煤層直接頂在自重力的作 用下發生斷裂進而裂隙逐漸發展，破斷的巖體鉸接相連，斷裂成塊而冒落，無 規則地堆積在采空區內，呈現不規則性和冒落拱的形態。當工作而推進到54 m 時，老頂發生大面積斷裂冒落，堆積在直接頂上方，視為老頂的初次來壓，隨 著采空區的擴大，在上覆巖層的壓力作用下，冒落巖石間的空隙在一定程度上 得到壓實。此吋的冒落帶高度約為26. 84 m;隨著工作面持續開采，老頂開始彎 曲變形、破斷下沉，當開采至72 m位置，覆巖開裂成離層，產生大量的斜交或 垂直于巖層的裂隙并不斷擴展，老

13、頂離層現象越來越顯著，此時出現第二次冒 落，即老頂出現第二次來壓，上部冒落巖層逐步充滿采空區，形成明顯的“兩 帶”特征，此時冒落帶高度約為39.75 m，裂隙帶高度約為64.72 m。上部巖層 整體向下移動，頂板一般不再發生破斷而進入彎曲下沉階段，此時就進入彎曲 下沉帶。隨著工作面的不斷前移，頂板覆巖裂隙持續擴展，當頂板跟未受力破壞的巖層 接觸時，裂隙不會再繼續向上擴展，此時裂隙發育最為完全，裂隙帶也達到最 大發育高度。13煤23112工作面頂板“兩帶”高度的變化規律如圖4所示。020 40 60 80 100 120 140 160工作面推進距離xn從圖4可以發現，當工作面向前開采134 m

14、時，覆巖裂隙發育最為完全，此時 23112工作面冒落帶高度是51.47 m,裂隙帶高度是108. 56 m,這與應用“三 下”采煤規程計算的結果相差較大，而與運用經驗公式計算“三帶”的高度基 本吻合。證明了“三下”采煤規程中的計算公式己不再適用綜放開采“三帶” 高度的計算。5結論(1) 通過數值模擬、經驗公式計算與現場考察計算出斜溝煤礦13煤23112綜放 工作面采場覆巖“三帶”高度分別為：冒落帶高度48.3150.67 m,裂隙帶高度 50. 67108. 56 m, 108. 56 m以上為彎曲下沉帶。通過對比3種方法得到的“三帶”結果可知，3種方法得到的結果基本吻合, 經驗公式的計算結果

15、跟現場實測和數值模擬基木一致，對綜放面“三帶”高度 預測的準確性較高;而“三下”采煤規程所列出的公式己不再適用理論計算 綜放工作面“三帶”的高度，計算結果明顯偏小；同時也驗證丫 rfpa軟件模擬 方法是采動覆巖“三帶”高度研宄的有效手段。參考文獻1畢建乙.馬堡煤礦大直徑頂板走向長鉆孔瓦斯抽采技術研究!).阜新:遼寧工 程技術大學，2015.2楊道華，王保鋒，雷云，等.野川煤礦綜放開采覆巖三帶高度發育研宂j. 中州煤炭，2014, 11 (2) ;1-3.3高建良，陳帥.采空區上覆巖層“三帶”劃分數值模擬j.安全與環境學報， 2016, 16 (1) : 36-39.4張軍，王建鵬.采動覆巖“三帶”