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采空区上覆岩层“竖三带”与“横三区”详细讲解

发布时间:2024-06-07

采空区上覆岩层“竖三带”与“横三区”详细讲解

采矿工程 2024-06-07 07:02 


采动影响下,采空区上部岩体在自重和地应力作用下不断垮落,破坏并引发上方岩体位移变形;在此过程中,覆岩中部压实,而采空区边界受煤壁支撑影响未完全压实进而形成裂隙发育区,称为“O”形圈

以“O”形圈为分布特征的采动裂隙场为采空区瓦斯运移提供了裂隙通道,其分布特征改变了采空区瓦斯的流动特性。

根据裂隙延展方向的不同,由“砌体梁”和“O”形圈理论可知,采动裂隙可分为横向离层裂隙竖向破断裂岩层下沉产生横向离层裂隙,引发煤层瓦斯卸压解吸并沿离层裂隙流动。岩层破断产生竖向破断裂隙,令卸压瓦斯进行升浮运动。

此外,受工作面开采扰动影响,采空区覆岩的破坏程度一般随着远离工作面和采空区而逐渐减小导致采空区上覆岩层在竖向和横向上产生明显的分带特征,即“竖三带”与“横三区”。

1、“竖三带”

煤层开采后,采空区上覆岩层在地层应力作用下,发生变形破坏。在竖直方向上,因不同高度的岩层破坏范围和破坏强度有所差别,从而将其划分为三种不同区域,如图1 所示。

图 1 覆岩“竖三带”示意图


(1)垮落带

垮落带是指随煤炭不断被采出,煤层上方岩体缺乏支撑,从岩层主体剥离进而垮落在采空区的破碎岩层带。

垮落带高度与采煤厚度和直接顶的岩性有关。垮落初期,岩块和矸石无规则松散垮落,具有碎胀性;碎胀系数在 1.3-1.5 左右,压实部分可降至1.03左右。垮落带最大高度的统计经验公式如下:


表1垮落带最大高度经验公式


当采空区上覆岩层极其坚硬,则煤层回采后,易产生悬顶;此时回采空间及垮落带岩层本身空间只被垮落下来的岩石充填,则垮落带最大高度公式为:

当采空区为坚硬、中硬、软弱和极软弱岩层时,则煤层回采后,回采空间及垮落带岩层本身空间由下沉顶板和垮落的岩石一同填满,其垮落带最大高度公式为:

(2)裂隙带

在垮落带上方,由于存在“砌体梁”等结构,岩体并未完全垮落,主体以岩块形式存在,在横向上连续分布,具有离层裂隙;在竖向上,由于岩体垮落下沉的不一致性,产生竖向的破断裂隙,该区域即为裂隙带。

裂隙带发育程度及高度随开采范围增大而增加。裂隙带与垮落带可合称为“导水裂隙带”是地面钻井抽采的主要区域。

当采空区上覆岩层为坚硬、中硬、软弱和极软弱岩层时,裂隙带最大高度经验公式见表。


表 2裂隙带最大高度经验公式


(3)弯曲下沉带

裂隙带上方所有岩层均为弯曲下沉带。

弯曲下沉带内岩层受煤层开采的影响较小,其岩层主要在重力作用下发生弯曲下沉,由于不同岩层的力学性质具有明显的差异性,使得各岩层的沉降量在采动应力影响下差异性较大,主要形成横向离层裂隙,而竖向破断裂隙发育较少。

传统采空区上覆岩层“三带”主要通过岩层破坏或移动程度划分。

许家林等根据瓦斯在上述三带中分布状态的差异,提出了覆岩瓦斯卸压运移“三带”,二者关系见表3。


表 3 两种“三带”划分对应关系


2、“横三区”

如图2所示,根据采空区上覆岩层移动理论,通过分析采空区顶板和垮落岩石的碎胀特征,沿走向远离工作面可分为:自然堆积区,载荷影响区,压实稳定区。

自然堆积区由于存在“悬梁臂”结构,垮落岩石压实程度小,呈自然堆积状态,孔隙率最大,漏风能力强。

载荷影响区受到采动应力作用,孔隙率减小, 但由于部分尚未完全破坏的煤岩块的支撑作用,因此并未被压实。

压实稳定区随着回采工作进行,区域内垮落岩石和煤体逐渐被压实且压力趋于稳定,孔隙率最小。

此外,还可将裂隙带岩层分为煤壁支撑影响区,岩层离层区,重新压实区。

图 2采动覆岩移动破坏“横三区”分布


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