采空区覆岩垮落及孔隙率演化规律研究

高常华 王成稳 王 鹏

（山东新河矿业有限公司，山东 济宁 272415）

随着煤矿从浅层向深层开采，上覆岩层受载越来越大，因此采空区产生了大量不规则形变的坍塌岩体、残存的煤体，使整个采空区的压实程度有所下降，使瓦斯等气体渗透的通道和空间增加[1]。这就造成了综放采空区存在遗煤（可燃物）、漏风（氧）、瓦斯等方面的不利因素，致使采空区发生煤自燃、瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等问题[2-3]。因此，对采空区覆岩垮落的分布特点和孔隙率演变规律进行深入的研究，有助于掌握采空区的孔隙率及流场演化规律，为划分采空区遗煤自燃危险区域提供理论基础[4]。

1 工程概况

新河煤矿7312 工作面3 煤层均厚7.17 m，采用综采放顶煤工艺，全部垮落法管理顶板，逐次开挖作业。3 煤属Ⅱ类自燃煤层，最短自然发火期40 d。瓦斯绝对涌出量3.6 m3/min。柱状图见表1。

表1 新河3 煤7312 工作面煤岩层综合柱状图

2 离散元模拟

2.1 模拟参数的确立

使用PFC 软件时，确定与宏观材料特性相匹配的细观参数，才能得到符合实际宏观力学性能的模拟结果[5]。材料的宏观参数可以利用经验公式转换为相匹配的细观参数[6]。经验公式如下：

1）弹性模量经验公式

式中：E为弹性模量，GPa；Ec为杨氏模量，GPa；kn/ks为刚度比；a=1.652；b=-0.395。

2）泊松比经验公式

式中：v为泊松比；c=0.209；d=0.111。

3）单轴抗压强度回归性分析

式 中：σt为 抗 拉 强 度，MPa；d=-0.174；e=0.463；f=0.289。

各岩层的宏观参数见表2。由式（1）～（4）进行了相关参数的反演，得出了相应的细观参数见表3。

表2 各岩层宏观参数

表3 各岩层反演细观力学参数

2.2 煤层模型的建立

在现场地质柱状图的基础上，建立了相应的PFC 模型。模型长100 m、宽100 m、高49.35 m，分为九层，上部为第一层，下部为第九层，如图1（a）。为了还原实际开采过程，对7312 工作面分成10 个区块进行回采，每段回采间隔10 m，如图1（b）。

图1 建立的PFC 模型及模型煤层回采

3 模拟结果分析

3.1 覆岩垮落分布特征

回采过程如图2，当回采第一块结束后，直接顶没有垮落，仍然起到支撑作用。当第二块回采结束后，采空区直接顶开始松动，逐渐开始垮落。当第三块回采结束后，第一块采空区上部的直接顶已经垮落结束，第二块采空区上部的直接顶开始松动但并没有开始垮落。当第四块回采结束后，第一块采空区直接顶垮落已经稳定，第二块采空区发生垮落，第三块采空区的顶板及覆岩出现松动，但未出现明显垮落。即从第三块采空区开始，每回采一步，前面的采空区顶板及覆岩都会发生垮落，当前回采面的前一层采空区的直接顶虽然出现松动但并不会发生垮落，这种规律延续到回采结束。

图2 煤层回采过程采空区垮落模拟图

当回采进入第二步时，煤层直接顶出现松动，开始出现裂隙，基本顶未发生变化，各层高度没有发生变化；当工作面回采进入第三步时，基本顶承受压力不断增加，不再具有支撑作用而发生垮落现象，此时覆岩中裂隙不断增加；当工作面回采进入第十步时，模拟试验基本结束，各岩层中裂隙增长速度减慢，但裂隙数量还在继续增加，随垮落矸石的不断堆积，最终裂隙数量将会减少至一个稳定值。

3.2 覆岩孔隙率演化规律

根据回采7312 工作面后采空区情况，将其看作是一种多孔介质空间，确定出相关参数，对其进行了数值模拟与分析，总结孔隙率变化规律。

由图3 可知，煤层在未回采时，煤层及上方覆岩整体的孔隙率较小，在0.16～0.24 之间，分布较均匀。煤层覆岩随工作面的推进不断垮落与堆积，孔隙率发生变化。通过图4 得出，回采第一次时煤层大部分区域处于未开采状态，孔隙率呈现较低的状态，孔隙率在0.1 左右，岩层和关键层无明显变化。

图3 煤层未回采阶段孔隙

图4 煤层回采过程中孔隙率变化图

回采第四步时，回采已进行了一半，孔隙率产生较大变化。在煤层中，工作面附近处于应力降低区域，直接顶未垮落，导致这部分区域孔隙率较高，孔隙率约为0.91～0.98。尤其是在工作面两端位置，由于煤柱对顶板的支撑作用，两端位置未垮落区域比其他位置更长，较大的孔隙率分布更广。其他位置采空区顶板垮落基本稳定，孔隙率最大为0.42，最小为0.28。在直接顶位置，工作面附近上部的直接顶区域没有垮落，但产生了明显的裂缝，造成孔隙率增大，从原来的0.12 变为0.21。工作面后部的采空区上方直接顶基本完全垮落，孔隙率基本稳定在0.42 左右，约为未开采时的3.5 倍。

4 结论

在回采距离10 m 的情况下，由于直接顶的支撑，上部岩层未出现明显的崩塌；从回采距离30 m 开始，每回采一步，前面的采空区顶板及覆岩都会发生垮落，这种规律延续到回采结束。在未开采时煤层孔隙率范围在0.16～0.24 之间；当工作面全部回采完毕后，孔隙率基本稳定在0.42 左右，约为未开采时的3.5 倍。模拟结果对解决瓦斯抽采以及合理布置钻孔位置具有重要的意义。