采煤工作面采动裂隙带的确定方法

摘　要　在上部采空区积水的情况下, 研究保护煤柱的宽度以及下部采空区采动裂隙带的范围, 是预防下部工作面突水事故的主要举措。本文采用相似模拟实验、地质雷达探测以及3D - δ有限元程序分析相结合, 对铁山南煤矿112 回采工作面采动裂隙带的影响范围加以研究, 以防止上下采空区裂隙导通而产生突水事故, 确保煤矿安全生产。
关键词　采动裂隙带　相似模拟实验　地质雷达　3D -δ

1 　引　言
防水煤柱的留设是煤矿安全管理的重要内容之一, 其留设宽度涉及因素较多, 如上覆覆岩的水文地质、工程地质、地层结构、煤层倾角等。在不同的条件下, 如何留设防水煤柱、用什么方法计算防水煤柱的宽度是目前仍在探讨的课题。目前研究防水煤柱宽度的方法主要有实验室研究和理论分析研究。西德岩石力学专家米勒教授认为: 对任何一项大规模的地下岩体工程, 单一的使用某一种方法都是不全面的, 可靠性较低。只有将多种方法结合起来, 发挥各自的长处, 才能经济可靠地保证工程质量。本文将采用相似模拟实验、地质雷达探测和3D -δ有限元程序分析相结合的方法, 综合分析铁山南煤矿112 回采工作面的裂隙发育情况, 为合理留设防水煤柱提供新的方法。
2 　铁山南煤矿的地质条件
铁山南煤矿煤层采深250～380m , 煤层倾角a= 32°～50°, 采高111～115m。采煤方法主要为走向长壁法, 顶板管理为全部陷落法。K21 煤层中的112 回采工作面是一倾角为50°, 采高为115m 的急倾斜中厚煤层硬顶软底走向长壁工作面, 该面位于丰硐子老窑采空区之下。在金盘子航电工程蓄水营运后, 丰硐子老窑采空区积水上标高达275m ; 为防止112 工作面的裂隙带与丰硐子老窑采空区的采动裂隙带导通而造成工作面突水事故, 需要对112
工作面及老窑采空区的采动裂隙带的扩展范围进行考察研究, 从而留设安全经济的防水煤柱。
3 　相似模拟实验
311 　模型设计
根据研究内容及要求, 本次实验做了两个平面应力模型[1 ] 。这两个模型均采用转体模型台, 长宽高为150 ×30 ×120 (cm3 ) 。模型台一端设有一个转轴, 可以在竖直平面内自由转动, 从而保证了模拟任何倾角煤(岩) 体的采掘。
312 　模型相似比
根据相似理论、试验台规格以及模拟条件[2 ] ,实验中3 # 溜煤眼以北、以南倾斜剖面所采用的相似。

313 　模型制模
制模时, 模型架子兼做模具, 后表面用木板封闭, 从前面逐层倒入搅拌均匀的相似材料。相似材料的骨料为河沙, 胶结物为石灰、石膏和高岭土,加水重为材料总重的9 %。相似材料的配比是根据相似比, 将矿山原型煤(岩) 体的强度换算成模型材料的强度来选取的。模型的层理间加入适量的云母粉作为自然节理, 每一分层内部也加入少量云母片, 以形成随机节理、裂隙等弱面。在模型建好后第7 天, 拆去模型前后挡板, 测其含水率, 待其与材料配比实验的含水率相同时, 即进行开采。
314 　模型边界条件
实验中模型台顶部至地表范围内的岩层自重采用杠杆加压法施加分布载荷; 模型两侧是位移边界条件, 只限制了水平方向的移动, 底部也是位移边界条件, 限制材料水平方向和垂直方向的位移。
315 　实验及测试
在拆去模型前后挡板之后, 即对模型施加分布载荷, 10 小时后进行开采, 开采时间长约6 小时;然后立即布置测量网格和测点。网格是用钢丝做成的10 ×10mm 的正方形网格, 其边可以用来测量各测点的相对坐标, 各测点是用长约13cm 左右的钢丝做成, 既可保证从钢丝上能比较准确的反应深部岩层的活动情况, 又可减少测量误差。在测点布置好后, 立即对各测点进行了3 次相对坐标测量, 取平均值作为初始坐标值。测量工作历时一个月, 在开始的一周内, 每天测量一次; 接下来的十天里, 每隔一天测量一次; 以后每隔两天测量一次。3 # 溜煤眼以南的倾向剖面裂隙带扩展: ①老窑采空区下边界的岩层断裂角为5°, 112 采空区上边界岩层的断裂角为65°; ②冒落带高度为6m , 是采高的4 倍。该带中岩层断裂的块度较小; ③裂隙带高度为34m , 是采高的2217 倍, 在该带内, 岩层有明显的离层或断裂, 且采动裂隙十分发育; ④防水煤柱上的安全岩柱高度为20m , 在该范围内的岩层没有离层和断
裂情况, 但也有少量的因采动而引起的矿压裂隙;⑤由于开采影响, 在112 采空区及老窑采空区的底板20m 范围内也产生了矿压裂隙; ⑥由采动引起的顶底板裂隙, 大部分是沿倾斜方向分布的。

4 　地质雷达探测
本次探测使用的仪器是KDL - 3 型矿井防爆地质雷达; 它由发射机、接收机、发射天线、接收天线、采样器及电源、笔记本电脑和系统软件组成。该仪器探测深度大于60m , 其特点是无伤探测, 无需钻探等辅助工程; 探测程度快, 分辨率高[5 ] 。
411 　207 风巷探测上下煤柱冒落裂隙影响高度为了查清采空区裂隙的影响范围, 在207 风巷向k21煤层前约100m , 后160m , 每间隔20m 向下探测采空区裂隙影响高度, 共布置13 个测点; 其中1 # ～5 # 测点以仰角0°～130°、间隔10°探测, 探测角度共70 个。6 # ～13 # 测点的探测范围是从煤层上斜位置至下斜位置, 即从仰角130°至俯角40°, 间隔10°探测, 其中俯角在49°～51°时, 间隔1°。测点探测角度布置如图2 所示。(由于篇幅有限, 仅以6 # 测点为例, 其它各点的布置与之相似) 。
412 　地质雷达探测结果
 上煤柱冒落裂隙带的影响主要分布于仰角120°与130°范围内。裂隙带分布距207 风巷斜距为48158～51192m 的范围内。下煤柱冒落裂隙影响范围主要位于俯角20°探测线以
下, 距207 风巷斜距约为23140～26195m。裂隙影响范围是: 法向高度一般不大于2010m , 在1710m 以下裂隙比较密集, 1710 ～2010m 有少量的裂隙, 20m 以上几乎没有裂隙。下煤柱最高裂隙距207 风巷的法向距离在810～1010m 之间, 以此为据, 下煤柱开采后其裂隙影响带垂直20m 左右, 与上煤柱顶部的底板卸载裂隙带法向距离尚有1310～1610m 左右, 故裂隙带不会直接导通。

5 　3D - σ有限元数值分析
为了了解防水煤柱的受力及稳定性, 在现场对煤层及顶底板采样后, 对煤(岩) 层的物理力学参数进行实验室测定, 并利用所测得的参数, 用3D-σ有限元程序对防水煤柱的宽度在60m、70m、75m 及80m 四种情况下进行计算分析。计算分析出了防水煤柱各节点的应力分(σx , σy 、σz , τxy ,τyz , τzx) 和主应力(σ1 , σ2 , σ3) , 从分析结果中取得4～5 个具有代表性的点, 由Mohr - Coulumb 准则计算防水煤柱的稳定性[6 ,7 ] 。其中煤的内聚力C = 3163MPa , 煤的内摩擦角ª= 21°。

  从有限元模拟分析计算中得出: 60m 宽防水煤柱的各测点应力值, 不论垂直应力、水平应力还是剪应力, 在防水煤柱以及顶底板附近都高度集中,剪应力也大大超过其抗剪强度, 说明60m 防火煤柱已经完全破坏; 70m 宽防水煤柱只有在靠近采空区的测点的应力值超过其强度, 煤柱中间点未破坏; 75m 宽防水煤柱各测点的应力值都小于其强度, 理论上已经是稳定的; 80m 宽防水煤柱各测点的应力值是强度的112～115 倍。考虑到安全系数问题, 故采用80m 防水煤柱。
6 　结　语
(1) 相似模拟实验宏观地反映煤层开采过程中顶底板的变化过程以及上下采空区裂隙的发育情况和扩展范围;
(2) 地质雷达探测更进一步探测裂隙发育情况, 可以和相似模拟实验互补;
(3) 3D -σ有限元程序, 从理论上进一步分析计算出在不同宽度下防水煤柱的稳定性。相似模拟试验、地质雷达探测以及3D - σ有限元程序分析三者结合, 即可以避免实验或量过程中本身所产生的误差而引起防水煤柱留设宽度过大或过小, 又可以避免单纯理论计算的不足, 三者结合能够比较准确地确定防水煤柱的宽度。三种方法结合, 对铁山南煤矿112 回采工作面的研究表明: 在防水煤柱宽为80m 时, 煤柱是稳定的, 采空区的采动裂隙带未导通, 而且裂隙带间的垂直距离有1310～1610m , 这表明在80m 宽防水煤柱[8 ]的保护下, 尽管金盘子航电工程蓄水营运后, 丰硐子老窑采空区积水上标高达275m , 但不会发生突水事故。