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和竖向破断裂隙。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。
(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:
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。
(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。
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。