摘要：随采深增大工作面顶板覆岩的运动规律与浅部有很大不同，本文从大采深条件下综放工作面工程实践出发，研究了工作面顶板在纵向方向的破坏范围和推进方向的运动规律，给出了该条件下顶板的垮落步距及其对放顶煤的影响。实践表明，在研究顶煤及煤层顶板运动规律的基础上，采取合理开采技术，可提高采出率，减少资源浪费。对实现矿井高产高效，以及指导类似条件下煤炭开采都具有重要意义。
关键词：放顶煤；覆岩移动；顶板来压规律；垮落步距
1 顶板沿纵向方向运动规律
1.1 直接顶厚度
4306工作面煤层厚度变化较大，如果按统一的放顶煤工艺及参数来操作，必然使得采出率在某些地段高，在某些地段低，这种情况难免会导致直接顶的厚度（即冒高）产生相应的变化。考虑到割煤和放煤的采出率不同，总采出率按85%计，取冒落顶煤碎胀系数为1.3，岩石碎胀系数为1.4。
从以下3个方面来考虑直接顶的厚度，然后再求得直接顶厚度的平均值：
（1）按煤层最大厚度5.20m计算。丢失煤炭的充填高度△1=1.014m，此时直接顶可能的最大厚度mz1为10.5m。
（2）按煤层平均厚度4.1m计算。丢失煤炭的充填高度△2=0.80m，此时直接顶可能的最大厚度mz2为5.75m。
（3）按煤层最小厚度0.8m计算。丢失煤炭的充填高度△3=0.16m，此时直接顶可能的最大厚度mz3为1.6m。
由以上可知，直接顶的变化厚度应是比较大的，其平均值为5.95m。
这是可能的最大冒高，即采空区完全被充满。根据许厂煤矿及其它煤矿放顶煤开采的经验，采空区不可能被充填满，因此，实际直接顶的厚度应小于此值。未充填空间高度按1.0m计，则实际直接顶厚度约为4.95m。
2 观测方案设计
2.1 观测方案选择
研究采动冒裂带最大高度的方法通常有室内预计和现场观测两种。室内预计方法虽然节省费用，但结果不够准确，无法进行直观定量分析，仅可作参考数据，而现场观测结果则直观、定量，准确度高。本次观测运用“钻孔双端封堵测漏装置”，采用井下仰孔分段注水观测的新技术方法，该技术方法与以往的传统方法相比，具有“精度高、工程量少、投资省、观测效果明显”等优点。
2.2 方案设计
综合考虑采前需打孔观测、采后观测可行性及钻孔开工处围岩的完整性，将观测剖面设在下分层中部，正对采区轨道上山位置，采前孔观测完毕后施工采后钻孔。采前钻孔用于观测未受采动影响的煤层覆岩岩层的原始裂隙状态，以做采后观测对比的基础；采后观测用于控制覆岩岩层导水破坏带的最大发育深度，应在采后覆岩移动基本稳定后施工，本次观测共布置1个采前钻孔，3个采后钻孔，钻孔施工要素如表1所示。
表1 钻孔施工要素
3 裂隙带发育高度观测分析
覆岩导水裂隙带最大高度除了与开采厚度、采煤方法和顶板管理方法、煤层的赋存状态等密切相关外，还与覆岩结构及力学特征密切相关[3]，在观测前对上覆岩层进行了岩石力学实验，结果表明，上覆岩层整体强度较小，刚度较低，属于中等偏软岩层。
1）采前1号孔在整个孔段均有大小不一的漏失量，尤其是孔深21～32m孔段，注水漏失量在每m孔段1L/min以上，20m以下孔段和35m以上孔段处于弱漏水状态，在35m以上的泥岩层位及以上孔段趋于完整岩层带。
2）采后2号孔在孔深20～42.4m有较大的注水漏失量，19m以下孔段和42.4m以上孔段基本上处于弱漏水状态；从上分层顶板计算，裂隙带发育的垂直高度为30.4m，参照两年半以前裂隙带高度实测值34.73m，覆岩裂隙带发育高度随着采空区形成时间的增加降低了4.33m。
4厚煤层裂隙带发育高度数值模拟研究
目前通过数值模拟研究，可以得出判断导水裂隙带范围的判剧，即塑性区和应力。近年来发展起来的快速拉格朗日分析（FLAC）法已被程序化、实用化，应用较多，如马立强等[4]用FLAC3D的应力–渗流耦合系统进行了采动岩体裂隙产生、发展、闭合及相关危害性的可靠的数值定量分析等模拟结果比较可靠，可用于对类似条件下的开采覆岩破坏高度进行预计。本文根据上下分层开采后塑性区的变化范围来分析上覆岩层的破裂发育规律。
4.2数值模拟结果
本次模拟研究的重点是上覆岩层随工作面推进的破坏过程，并通过数值模拟判断覆岩破坏发育高度，进而确定导水裂隙带高度，模拟主要针对分层开采条件下，采场周围岩体的塑性区破坏范围变化情况进行分析，塑性区破坏范围模拟结果如图2～3所示。
图2 上分层工作面开采塑性破坏范围 图3 下分层工作面开采塑性破坏范围
4.2.2模拟结果分析
模拟结果表明，覆岩结构受采动影响，其塑性区变化能够直观地反应出煤层采动后顶板岩层受到扰动的范围，通过对塑性变形区的分析可知：
1）上分层开采后，上覆岩层的连续破坏高度为29.5m，由于岩层性质的差异，其上部岩层发生不连续破坏，其裂隙带高度大致为33.6m，比实际测试的结果34.73m稍小。
2）随着下分层工作面的推进，上覆岩层的破坏范围加大，但相对上分层开采导致上覆岩层的破坏程度而言，其导致的破坏范围增加趋势变弱。经过分析，上下分层采完后，其最终导致裂隙带高度大致为39.4m。
5 主要结论
（1）综合采前、采后钻孔的观测资料，上分层开采形成的覆岩裂隙带发育高度随着采空区形成时间的增加而有所降低，采后两年半时间观测得到的裂隙带发育高度比开采过程中形成的最大裂隙带发育高度降低了4.33m，说明随着工作面停采时间的增大，采动裂隙尤其是上部的微小裂隙会部分闭合，导致覆岩裂隙带发育高度有所降低。
（2）现场实测和数值模拟结果表明，随着下分层工作面的推进，上覆岩层的破坏范围加大，但相对上分层开采导致的上覆岩层破坏程度而言，其导致的破坏范围增加趋势变弱，模拟结果显示上下分层开采完后，其最终导致裂隙带高度大致为39.4m，与实测结果吻合较好。
参考文献：
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论文作者:张瑞
论文发表刊物:《基层建设》2018年第15期
论文发表时间:2018/7/25
标签：裂隙论文; 岩层论文; 高度论文; 厚度论文; 工作面论文; 顶板论文; 煤层论文; 《基层建设》2018年第15期论文;