综采工作面覆岩采动裂隙三维分布规律研究

白建平^1,2，郝春生^1,3，杨昌永^1,3，姚晋宝^1,3，周建斌⁴，李生奇²，石晓红⁴

2. 山西蓝焰煤层气集团有限责任公司3. 煤与煤层气共采国家重点实验室4. 阳泉煤业(集团)有限责任公司

摘 要：掌握高瓦斯煤层覆岩裂隙的分布规律,对于合理布置高抽巷或定向钻孔位置,提高瓦斯抽采效果有重要意义。以新景矿3213工作面为工程背景,运用相似模拟和CDEM三维离散元模拟等方法研究了工作面回采后覆岩运动和裂隙发育规律,得到了工作面基本顶初次破断和周期破断距离,覆岩裂隙发育高度及演化形态。结果表明:3213工作面基本顶初次来压步距为30 m,周期来压步距为10～15 m;跨落覆岩呈底宽顶窄的"梯形"结构,工作面端的跨落角随周期来压发生变化,大小在55°～65°之间;根据相似模拟的裂隙观测和数值模拟三维位移分布情况,确定垮落带高度为8.6 m,是采高的3.4倍;裂隙带高度为25.7 m,是采高的10.3倍。工作面上方覆岩裂隙发育具有很强的周期性,随基本顶破断呈阶梯状上升,且发育到一定高度后贯穿裂缝不再向上延伸,其上部裂隙均为离层裂隙,最终形成的裂隙带呈三维环状分布,环形截面为斜梯形,底面外环距采空区边界9 m,底面宽20 m,顶面宽25 m,高度为煤层顶板上方10～20 m。确定裂隙发育环三维位置和范围对工作面及采空区瓦斯治理有重要的意义,高抽巷或抽采钻孔应尽量布置在裂隙环顶部位置,既能够使巷道或钻孔保持完整,又能够达到最佳抽采效果。

关键词：覆岩运动;采动裂隙;三维分布;裂隙发育环;离散元;