，

(天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013)

淺埋煤層綜放開采覆巖破壞高度與特征

張玉軍，宋業(yè)杰

(天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部，北京100013)

以東勝煤田某礦井地質條件為依據(jù)，采用統(tǒng)計分析、實驗室物理力學和水理性質測試、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測綜合研究方法，研究了淺埋深綜放開采覆巖特性及采動破壞高度。研究結果表明：軟弱巖層抗采動破壞的能力相對較好，尤其是上軟下硬的覆巖結構更有利于抑制采動裂隙的進一步發(fā)展；裂隙發(fā)育形態(tài)以高角度縱向延展裂隙為主，偶見縱橫交錯裂隙；對于類似淺埋深軟弱地層和綜放開采條件下覆巖破壞高度可以按照垮采比為4.8、裂采比為14進行預計。

淺埋煤層；綜放開采；覆巖特征；破壞高度；實測

隨著我國煤炭開采的戰(zhàn)略西移加快，未來十年我國西北地區(qū)煤炭產(chǎn)量將超過全國產(chǎn)量的70%，而目前已探明的淺埋深薄基巖類型的煤層儲量最多的煤田是神府東勝煤田，約占全國已經(jīng)探明儲量的1/3。但是，埋深淺、薄基巖、厚風積沙是該礦區(qū)的典型賦存特征。由于開采深度淺，當垮落帶、導水裂縫帶波及到上覆含水層時，水體將對礦井生產(chǎn)構成威脅。因此覆巖特性及其破壞高度的確定是解放水體下壓煤儲量和保證礦井安全生產(chǎn)的關鍵。

在我國，經(jīng)過近五十年來的水體下開采實踐，已經(jīng)基本上掌握了炮采、普采、綜采條件下的覆巖破壞規(guī)律和特點，近年來逐步開展了水體下綜放開采試驗及其覆巖破壞規(guī)律研究等工作，也取得了一定成果。但是，厚煤層綜放開采覆巖破壞規(guī)律實測及理論研究成果仍然相對較少，尤其是在西部淺埋深條件下綜放開采覆巖破壞規(guī)律的研究則更少。

黃慶享、石平五等采用理論分析數(shù)值計算及相似模擬試驗等手段研究淺埋煤層開采的礦壓顯現(xiàn)及頂板結構問題，取得了較多的成果[1]。而對于淺埋深尤其是大采高或綜放開采條件下覆巖破壞規(guī)律的研究也只以理論和模擬研究為主，實測的成果較少[2-4]。

論文以東勝煤田某礦井地質條件為依據(jù)，采用統(tǒng)計分析、實驗室物理力學和水理性質測試、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測綜合研究方法，研究了淺埋深綜放開采覆巖特性及采動破壞高度。

1 礦井概況

研究礦井位于東勝煤田的東北部，主采3-1煤層，煤層厚度為4.57～11.70m，平均厚度為7.86m，埋深為140～225m，目前采用綜采放頂煤開采方法。區(qū)內(nèi)地層由老至新發(fā)育有：三疊系上統(tǒng)延長組、侏羅系中下統(tǒng)延安組、侏羅系中統(tǒng)安定-直羅組、白堊系下統(tǒng)志丹群、第三系上新統(tǒng)和第四系。依含水層類型不同，3-1煤覆巖含水層可分為第四系孔隙潛水含水層和基巖裂隙承壓含水層，其中基巖含水層包括白堊系和侏羅系地層。第四系孔隙潛水含水層為礦區(qū)周邊居民生產(chǎn)生活用水的取水層位，主要由沖積砂、砂土及礫石構成，該含水層水位埋深0～2m，單位涌水量q=0.09～1.29L/(s·m)，滲透系數(shù)K=16.54～90.27m/d，含水層的富水性弱～中等，透水性強。基巖裂隙承壓含水層的富水性均較弱，單位涌水量僅為0.00394～0.00940L/(s·m)，滲透系數(shù)介于0.00730～0.0201m/d之間。

2 覆巖結構特征、物理及水理性能分析

在煤層厚度和采煤工藝一定的條件下，覆巖巖性構成和覆巖力學及水理性能是影響覆巖破壞高度的重要因素。

通過對井田范圍內(nèi)柱狀3-1煤覆巖結構特征統(tǒng)計分析，3-1煤層100m范圍覆巖內(nèi)，泥巖類巖層厚度為2.29～51.56m，平均厚度為33.37m，砂巖類巖層平均厚度達66.63m，從基巖柱構成上看，砂巖類巖層厚度占絕對優(yōu)勢，從巖性上看，砂巖類巖層主要以粉砂巖和細砂巖形式存在，夾少量粗砂巖。對覆巖33.39～171.54m范圍內(nèi)巖石取樣力學測試可知，巖石單軸抗壓強度為5.0～35.9MPa，平均抗壓強度僅為15.45MPa，其中8個試樣的單軸抗壓強度低于10MPa，3-1煤頂板以上100m范圍內(nèi)，巖石單軸抗壓強度為7.9～35.9MPa，平均為21.37MPa。

3-1煤覆巖的水理性質分析包括顆粒組分、膨脹性和崩解性等，取樣深度為27.37～171.54m。由表1可知，泥質巖黏粒含量不高，<0.005mm黏粒一般<15%。僅個別達17.46～24.12%，細砂巖和中粗砂巖干燥后在水中強烈崩解成砂狀，其干燥飽和吸水率達39.42%和37.11%，屬于具膨脹性和崩解性的極軟巖。巖樣大多屬于弱(中)偏微膨脹等級，少數(shù)為微膨脹，即屬膨脹性等級不高的軟巖。其中28-4粗砂巖性質堅硬，非膨脹非崩解，屬中硬質砂巖，其良好的工程性質源于18.05% CaCO3的鈣質膠結作用。

綜合上述巖性結構、物理力學及水理特性分析，3-1煤覆巖的泥巖類巖層水穩(wěn)定性較差，因其黏土礦物含量較低，弱鈣質膠結，采動破壞后泥巖層再生隔水能力較差。從覆巖垂向上看，巖層整體具有下硬上軟的強度特征，自地表160m以內(nèi)均為軟弱巖層，泥巖易崩解，隔水性能一般；砂巖膠結性差，具有強崩解性，雖不具有隔水性，但受采動影響后不利于采動裂隙繼續(xù)向上發(fā)展。160m以下地層為中粗砂巖，鈣質膠結程度高，巖石強度達到中硬，相比軟弱巖層，不利于控制覆巖破壞。判定3-1煤覆巖類型應屬于中硬偏軟弱類型。

表1 巖石水理特性測試成果

3 綜放開采覆巖破壞高度數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模擬的模型建立

本次模擬是以礦井工程地質條件為基礎。模型尺寸250m×137m，煤層頂板距上部邊界120m，煤層厚度7m，底板巖層厚度取10m。左右邊界煤柱留設50m，避免邊界效應，采用綜放開采方法，煤層工作面連續(xù)推進∑L=150m。數(shù)值模型如圖1。

圖1 模型設計

模型的上邊界采用自由邊界；模型的左邊界、右邊界、底邊界采用零位移邊界條件。本次數(shù)值模型使用摩爾-庫侖塑性模型，該模型所涉及的圍巖體物理力學參數(shù)包括兩個方面，即巖塊物理力學參數(shù)和結構面物理力學參數(shù)，各項參數(shù)分別如表2和表3所示。

表2 模型巖體力學參數(shù)

表3 模型接觸面力學參數(shù)

3.2 模擬結果分析

煤層開采以前，巖體處于原巖應力狀態(tài)。煤層的采動形成開采空間，使得采場周圍應力狀態(tài)重新分布，并產(chǎn)生附加應力，在應力的產(chǎn)生到重新平衡過程中，頂板隔水層產(chǎn)生了變形破壞?？梢酝ㄟ^分析覆巖垮落圖判斷垮落帶和裂縫帶的高度。圖2和圖3為工作面分別開挖60m和150m時覆巖的垮落圖，可以看出隨著工作面的推進，頂板破壞不斷加大，破壞范圍呈現(xiàn)出“梯形”破壞形態(tài)。根據(jù)數(shù)值模擬結果，工作面開挖30～150m頂板破壞程度不斷加大，說明了在一定程度上加大工作面推進長度，會加大頂板的破壞程度。工作面推進150m時垂直位移破壞達到最大值。根據(jù)推進150m的模擬情況顯示表明頂板導水裂縫帶高度為66m，裂采比為13.2，垮落帶高度24m，垮采比4.8。

圖2 工作面推進60m巖層垮落情況

圖3 工作面推進150m巖層垮落情況

4 綜放開采覆巖采動破壞高度與特征實測

實測方法采用地面鉆孔沖洗液漏失量和鉆孔彩色電視系統(tǒng)。根據(jù)工作面推進進度，在3103綜放工作面共布置了2個鉆孔，鉆孔分別位于回風巷和運輸巷內(nèi)，目的是最大可能獲得覆巖破壞高度的最大值，鉆孔布置如圖4所示。

圖4 3103工作面采后“兩帶”觀測孔位置

圖5(a)為CH01孔的沖洗液漏失量變化曲線圖，圖5(b)為CH01孔的鉆孔水位變化曲線圖。由圖可知，CH01孔觀測到的導水裂縫帶頂點的孔深為148.90m，垮落帶頂點的孔深為196m，此處的3-1煤頂板埋深約為212m，煤層采厚5.0m，綜合考慮地表下沉的影響，確定導水裂縫帶實際高度為66.70m，垮落帶實際高度為19.60m。

圖5 CH01鉆孔沖洗液漏失量與鉆孔水位觀測曲線

圖6(a)為CH02鉆孔的沖洗液漏失量變化曲線圖，圖6(b)為CH02鉆孔的鉆孔水位變化曲線圖。由圖可知，CH02孔導水裂縫帶頂點的孔深為143.32m，垮落帶頂點的孔深為188.15m ，此處3-1煤底板埋深約為208m，煤層采厚約為5.0m，考慮地表下沉的影響，確定導水裂縫帶實際高度為68.28m，垮落帶實際高度為23.45m。

圖6 CH02鉆孔沖洗液漏失量與鉆孔水位觀測曲線

圖7(a)反映的是鉆孔電視探測得到的孔深140.50～141.00m層段的孔壁裂隙發(fā)育情況，可見高角度縱向裂隙貫穿至142.00m，裂隙面新鮮，有明顯的采動破壞痕跡，且自140.60m以下，裂隙發(fā)育連續(xù)，且裂隙多為高角度縱向發(fā)育，部分層段為縱橫交錯裂隙和貫穿裂隙，裂隙細長，裂隙面新鮮，綜合判斷為采動裂隙。確定CH02孔的導水裂縫帶頂點位于孔深140.60m，垮落帶頂點位于孔深193.00m，導水裂縫帶觀測高度為71.00m，裂高采厚比為14.20；垮落帶高度為18.60m，垮采比為3.75。圖7(b)和圖7(c)為導水裂縫帶范圍內(nèi)裂隙發(fā)育狀況。

圖7 CH02鉆孔彩色電視探測成果

綜合比較鉆孔沖洗液漏失量觀測和鉆孔彩色電視探測結果，最終確定出3103工作面CH01鉆孔的垮落帶高度為19.90m，垮采比為3.98；導水裂縫帶高度為68.40m，裂采比13.68；CH02鉆孔的垮落帶高度為23.45m，垮采比為4.69；導水裂縫帶高度為71.00m，裂采比14.20，圖8為覆巖破壞實測形態(tài)圖。

圖8 覆巖破壞實測形態(tài)

5 淺埋深綜放開采覆巖采動破壞高度與特征分析

(1)綜合覆巖巖性結構特征、物理力學及水理特性分析，研究礦井3-1煤覆巖強度整體較軟，尤其是在飽水狀態(tài)下強度很低，軟弱巖層抗采動破壞的能力相對較好，不利于采動裂隙的延展。而且上軟下硬的覆巖結構相比全硬巖層，更有利于抑制采動裂隙的進一步發(fā)展。

(2)從鉆孔電視探測裂隙發(fā)育形態(tài)上看，受軟弱地層影響，3-1煤覆巖破壞不夠充分，以高角度縱向延展裂隙為主，偶見縱橫交錯裂隙，部分層段可見軟弱巖層受采動后遇水發(fā)生局部塌落現(xiàn)象。

(3)綜合比較數(shù)值模擬、鉆孔沖洗液漏失量觀測和鉆孔彩色電視探測結果， 3種方法在實際應用中能夠互相驗證。對于類似地層和開采條件下覆巖破壞高度可以按照垮采比為4.8，裂采比為14進行預計。

[1]黃慶享，錢鳴高，石平五.淺埋煤層采場老頂周期來壓的結構分析[J].煤炭學報, 1999，24(6): 581-585.

[2]宣以瓊.薄基巖淺埋煤層覆巖破壞移動演化規(guī)律研究[J].巖土力學，2008，19(2):512-516.

[3]劉純貴，馬脊梁.淺埋煤層開采覆巖活動規(guī)律的相似模擬[J].煤炭學報，2011，36(1)：388-393.

[4]付玉平，宋選民，邢平偉.淺埋煤層大采高超長工作面垮落帶高度的研究[J].采礦與安全工程學報，2010,27(2)：190-194.

[5]尹立明.深部煤層開采底板突水機理基礎實驗研究[D].青島：山東科技大學，2011.

[6]高明中，韓 磊，高新亞.巷道組過斷層圍巖控制技術研究[J].安徽理工大學學報(自然科學版)，2010(3).

[7]張玉軍.鉆孔電視探測技術在煤層覆巖裂隙特征研究中的應用[J].煤礦開采，2011，16(3)：77-80.

[8]張玉軍，吳繼輝.近距離多煤層開采采空區(qū)積水防隔水煤巖柱留設研究[J].煤礦開采，2014，19(1)：77-79.

[責任編輯：王興庫]

Overlying Strata Failure Height and Characteristic of Full-mechanizedCaving Mining in Shallow-buried Coal-seam

ZHANG Yu-jun, SONG Ye-jie

(Coal Mining & Designing Department, Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China)

Applying statistics analysis, physical, mechanical and water property test, numerical simulation and on-the-spot observation method, overlying strata characteristic and mining failure height of full-mechanized caving mining shallow-buried coal-seam was researched on the basis of geological condition of a mine in Dongsheng coal-field.Result showed that anti-mining failure ability of soft rock was better than that of hard rock, especially upper-soft-lower-hard overlying strata structure was benefit for controlling development of fissure induced by mining.Fissure development form was mainly vertical extension fissure, seldom crisscross fissures.For similar condition of full-mechanized caving mining shallow-buried soft strata, caving height and fissure height could be predicted with 4.8 and 14 times of mining height.

shallow-buried coal-seam; full-mechanized caving mining; overlying-strata characteristic; failure height; observation

2014-09-27

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.06.005

國家科技支撐計劃項目資助(2012BAB13B02-04)；中國煤炭科工集團創(chuàng)新基金項目(2012MS004)；天地科技開采設計事業(yè)部基金項目(KJ-2013-TDKC-11)

張玉軍(1978-)，男，河北懷安人，博士，副研究員，主要從事礦井防治水及“三下”采煤等相關研究。

張玉軍，宋業(yè)杰.淺埋煤層綜放開采覆巖破壞高度與特征[J].煤礦開采，2014，19(6)：21-24.

TD315

A

1006-6225(2014)06-0021-04