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随着采动影响,采空区上方的岩体在自身重量和地应力的共同作用下逐渐发生垮落,进而并引起上方岩体的位移和变形。在此过程中,中部覆岩逐渐压实,而采空区边界因煤壁的支撑作用并未完全压实,形成了一个名为“O”形圈的裂隙发育区。
这个以“O”形圈为特征分布的采动裂隙场,为采空区瓦斯的迁移提供了通道,其分布特性的改变也影响了采空区瓦斯的流动特征。
依据裂隙延展方向的不同,结合“砌体梁”理论和“O”形圈理论,采动裂隙可分为横向离层裂隙和竖向破断裂隙。岩层下沉时产生的横向离层裂隙会导致煤层瓦斯卸压解吸,并沿着离层裂隙流动;而岩层破断时产生的竖向破断裂隙则使卸压瓦斯进行升浮运动。
受到工作面开采的扰动影响,采空区覆岩的程度会随着远离工作面和采空区而逐渐减弱。这种变化导致采空区上覆岩层在竖向和横向上呈现出明显的分带特征,即所谓的“竖三带”和“横三区”。
一、“竖三带”详解
在煤层被采出后,采空区上覆岩层会因地层应力的作用发生变形和。在竖直方向上,由于不同高度的岩层范围和强度有所不同,从而形成了三种不同的区域,如图1所示。
(1)垮落带详述
随着煤炭的不断采出,煤层上方的岩体因失去支撑而从岩层主体剥离,进而垮落在采空区的岩石破碎带即为垮落带。垮落带的高度与采煤厚度及直接顶的岩性密切相关。
在垮落初期,岩块和矸石会无规则地松散垮落,具有碎胀性;碎胀系数大约在1.3至1.5之间,部分压实后降至约1.03。关于垮落带最大高度的统计经验公式已在表1中列出。
(2)裂隙带阐述
位于垮落带上方的是裂隙带。该区域的岩体虽未完全垮落,但以岩块形式存在,并在横向上连续分布,具有离层裂隙。在竖向上,由于岩体垮落下沉的不一致性,产生了竖向的破断裂隙。
裂隙带的发育程度和高度会随着开采范围的扩大而增加。裂隙带与垮落带合称为“导水裂隙带”,是地面钻井抽采的主要区域。关于裂隙带最大高度的经验公式已在表2中列出(针对不同岩层类型)。
(3)弯曲下沉带简述
裂隙带上方的所有岩层统称为弯曲下沉带。该区域内的岩层受煤层开采的影响较小,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存在明显差异,各岩层的沉降量在采动应力的影响下表现出较大的差异,主要形成横向离层裂隙,而竖向破断裂隙发育较少。
传统的采空区上覆岩层的“三带”划分主要依据岩层的或移动程度。而许家林等人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的“三带”概念,二者的关系详见表3。
二、“横三区”详解
如图2所示,根据采空区上覆岩层的移动理论,通过对采空区顶板和垮落岩石的碎胀特征进行分析,沿工作面远离的方向可划分为:自然堆积区、载荷影响区和压实稳定区。
(1)自然堆积区的特点