任曉鵬 李緒萍
(1.北京天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司,北京市朝陽區(qū),100013; 2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院,內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市,014010)
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風(fēng)化帶下煤層覆巖破壞規(guī)律研究
任曉鵬1李緒萍2
(1.北京天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司,北京市朝陽區(qū),100013; 2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院,內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市,014010)
為了有效解決松散含水層基巖風(fēng)化帶下煤層開采問題,本文以許疃煤礦為例,基于理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,分析了風(fēng)化帶劃分依據(jù)及其巖石力學(xué)特性,采用Plaxis軟件研究了松散含水層基巖風(fēng)化帶下32煤層開采巖體應(yīng)力、變形與破壞規(guī)律,并對煤層頂板與風(fēng)化帶間距離分別為60 m、50 m、40 m、30 m、20 m時B-B斷面豎向沉降進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明:32煤層頂板與基巖風(fēng)化帶底板距離為30 m;隨著工作面開采個數(shù)的增加,上方巖體產(chǎn)生巖(土)拱效應(yīng),巖體內(nèi)剪應(yīng)變增加,先開采的工作面位移量逐漸增加,上部巖體松動范圍變化不大。
含水層 基巖風(fēng)化帶 覆巖破壞 數(shù)值模擬
松散含水層下,風(fēng)化帶巖石強(qiáng)度降低,塑性增強(qiáng),加大了風(fēng)化帶下賦存煤層開采難度,因而,風(fēng)化帶內(nèi)煤層儲量一直被列為表外儲量,據(jù)統(tǒng)計(jì),兩淮礦區(qū)有約6億t煤炭列為表外儲量。但由于損失的資源具有勘探程度高、埋藏淺、生產(chǎn)系統(tǒng)齊全、開采技術(shù)條件好等顯著特點(diǎn),因此有必要對這部分資源的開采進(jìn)行研究。劉天泉院士通過大量試驗(yàn)于1982年提出了著名的“上三帶”理論;楊本水學(xué)者提出了泥質(zhì)風(fēng)化巖石具有抑制裂高發(fā)展與阻隔水特性,通過在百善礦試驗(yàn),分析了風(fēng)化帶安全開采機(jī)理及關(guān)鍵技術(shù);宣以瓊等學(xué)者分析了風(fēng)化帶內(nèi)煤層縮小防護(hù)煤柱開采機(jī)制,提高了回采上限,增加了開采儲量;柴輝嬋等學(xué)者利用回歸分析方法統(tǒng)計(jì)了導(dǎo)水裂隙帶高度,首次提出了防水煤柱留設(shè)與裂采比關(guān)系曲線。以上研究主要針對風(fēng)化帶內(nèi)巖石力學(xué)性質(zhì)、開采機(jī)制及風(fēng)化巖石對頂板“兩帶”發(fā)育規(guī)律進(jìn)行了研究,對煤層依次開采上覆巖層變形破壞規(guī)律研究較少。為此,本文通過對許疃煤礦3235、3237與3239工作面依次開采對上覆巖層破壞影響,研究防水(砂)煤柱留設(shè)是否有縮小的可能性,以增加煤層開采儲量。
許疃煤礦主采煤層8層,平均傾角為8°,開采煤層總厚度約15.3 m。由于主采煤層上方覆蓋280 m 左右的巨厚含水松散層,特別是33采區(qū)普遍發(fā)育的厚12.56~28.77 m的砂礫石含水層,直接覆蓋在煤系露頭之上,可對煤系地層進(jìn)行直接滲透補(bǔ)給,給淺部煤層的安全開采構(gòu)成了明顯威脅。
根據(jù)井田120多個鉆孔資料,許疃礦包括4個含水層,4個隔水層,第3隔水層隔水性能較好,能阻隔地表水及1~3含水層地下水與下部第4含水層、基巖各含水層(段)地下水的水力聯(lián)系,因此上部含水層對煤礦生產(chǎn)影響不大。主要是第4含水層水通過32煤層露頭或巖層裂隙與煤系裂隙水之間產(chǎn)生水力聯(lián)系。32煤層內(nèi)工作面布置如圖1所示,A-A剖面煤巖層分布如圖2所示。
圖1 工作面位置示意圖
風(fēng)化帶深度是礦井安全開采的重要指標(biāo),也是確定開采上限的重要依據(jù)。統(tǒng)計(jì)分析大量鉆孔資料知,風(fēng)化帶在縱向上可分為強(qiáng)風(fēng)化帶、弱風(fēng)化帶及微風(fēng)化帶。巖石風(fēng)化程度可根據(jù)下式計(jì)算:
(1)
式中:d——風(fēng)化系數(shù);
V0——新鮮巖石超聲波速值;
Vw——風(fēng)化巖石超聲波速值。
圖2 A-A剖面示意圖
不同風(fēng)化程度巖石的風(fēng)化系數(shù)取值見表1,根據(jù)大量風(fēng)化帶巖樣測試發(fā)現(xiàn),兩淮礦區(qū)風(fēng)化系數(shù)d多大于0.2,表明風(fēng)化巖已進(jìn)入中等—強(qiáng)風(fēng)化階段。
表1 不同風(fēng)化程度巖石的風(fēng)化系數(shù)
(1)巖石強(qiáng)度降低。對兩淮礦區(qū)風(fēng)化與未風(fēng)化巖石進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)顯示,隨著巖體風(fēng)化程度的提高,其抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度降低;風(fēng)化程度越高,巖體破碎程度越高,強(qiáng)度值下降的幅度越大,如表2所示。
(2)巖石干燥飽和吸水率增大。根據(jù)68個風(fēng)化帶鉆孔統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(見表3)可知,隨著風(fēng)化程度增加,巖石干燥飽和吸水率增加;巖石浸水后,隨著風(fēng)化程度增加,崩解程度增加,崩解類型由新鮮巖石向微風(fēng)化巖石開裂向中等風(fēng)化巖石破裂向強(qiáng)風(fēng)化巖石泥化變化。
表2 不同風(fēng)化程度鈣質(zhì)泥巖物理力學(xué)性質(zhì)
表3 巖石干燥飽和吸水率
(3)塑性能力增強(qiáng)。根據(jù)黏土礦物力學(xué)實(shí)驗(yàn),風(fēng)化帶內(nèi)巖體黏土礦物增加,塑性增強(qiáng);單級加載應(yīng)力不變時,隨著時間增加,應(yīng)變不斷增加。分級加載,即使應(yīng)力較小,也會產(chǎn)生大的變形。
(4)風(fēng)干失水后,強(qiáng)度逐漸增高。許疃礦3235、3237和3239工作面構(gòu)造部位強(qiáng)風(fēng)化巖體的測試結(jié)果(用點(diǎn)荷載儀和回彈儀共同測定)如圖3所示。由圖中可看出,隨著時間的推移,風(fēng)化巖體逐漸失水,其強(qiáng)度逐漸增加。因此,為便于風(fēng)氧化帶內(nèi)開采工作面頂板管理與控制,待采時間應(yīng)適當(dāng)延長。
圖3 風(fēng)化巖體抗壓強(qiáng)度與時間變化關(guān)系
煤層開采引起覆巖移動、破壞規(guī)律可按照《三下“采煤”規(guī)程》附錄六中的硬巖公式計(jì)算,式(1)為防砂安全煤巖柱計(jì)算式;式(2)為防水安全煤巖柱計(jì)算式。
Hs=Hm+Hb
(1)
(2)
式中:Hs——防砂安全煤巖柱垂高,m;
Hsh——防水安全煤巖柱垂高,m;
Hm——冒落帶最大高度,m;
Hli——導(dǎo)水裂隙帶高度,m;
Hb——保護(hù)層厚度,取25 m;
Hfe——基巖風(fēng)化帶深度,在無下第三系“紅層”覆蓋區(qū)風(fēng)化帶垂深取10 m,在下第三系“紅層”覆蓋區(qū)風(fēng)化帶垂深取15 m;
∑M——累計(jì)采厚,取32煤層最大厚度3.5 m。
通過計(jì)算,33采區(qū)防水煤柱垂高65.1~72.2 m,防砂煤柱垂高42.5 m,取45 m,即32煤層頂板與基巖風(fēng)化帶底板距離30 m。
5.1 模擬方案
為研究松散層第4含水層水壓力作用下3235、3237、3239工作面布置對上部頂板變形破壞的影響規(guī)律,采用Plaxis軟件對3235、3237、3239工作面煤層距基巖風(fēng)化帶60 m處的B-B剖面(如圖2所示)進(jìn)行數(shù)值模擬。
5.2 數(shù)值模擬參數(shù)確定
根據(jù)圖2及地面兩個第4含水層長觀孔水位觀測值,取松散層第4含水層初始水位為-50 m。初始地應(yīng)力場由各巖土層的自重應(yīng)力產(chǎn)生。煤層附近巖體中的應(yīng)力、應(yīng)變按平面應(yīng)變問題分析計(jì)算,巖體本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性模型,屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。模型中對煤層下基巖底面施加水平和豎直方向約束,對剖面兩側(cè)只施加水平方向約束。第4含水層上下邊界為不透水邊界。采用15節(jié)點(diǎn)三角形單元對計(jì)算斷面進(jìn)行網(wǎng)格剖分,如圖4所示。
影響巖體變形的影響因素很多,如地層結(jié)構(gòu)、巖層參數(shù)、地下水場的排泄條件、工作面的開采順序等。結(jié)合勘察、鉆孔資料及相關(guān)圖紙,確定計(jì)算模型參數(shù)見表4。由于模型為松散層,其中側(cè)壓力系數(shù)按半經(jīng)驗(yàn)半理論JAKY公式計(jì)算,見式(3)。
K0=1-sinφ
(3)
式中:K0——側(cè)壓力系數(shù);
φ——內(nèi)摩擦角,(°)。
圖4 網(wǎng)格剖分
巖層重度γ/kN·m-3彈性模量E/MPa泊松比粘聚力c/MPa內(nèi)摩擦角φ/(°)側(cè)壓力系數(shù)K0松散層265600002410250057粉砂巖274620001714292051泥巖276500002210362041礫巖273100001816384038基巖風(fēng)化帶262650001813320047煤層270500002108230061基巖268900001920390037
6.1 煤層開采后巖體應(yīng)力分布規(guī)律
各工作面依次開采后巖體主應(yīng)力及豎向應(yīng)力σy分布如圖5和圖6所示。
由圖中可看出,各工作面開采后,位于工作面上方巖體的主應(yīng)力方向連線成半橢圓形拱狀,產(chǎn)生巖(土)拱效應(yīng),并在工作面兩側(cè)預(yù)留煤柱中形成應(yīng)力集中區(qū)。沿工作面煤層開采后,煤層原來受到的應(yīng)力基于巖(土)拱效應(yīng)傳遞到兩側(cè)預(yù)留煤柱中,使得采空區(qū)上方巖層能繼續(xù)保持穩(wěn)定。當(dāng)采空區(qū)上方應(yīng)力過大,巖(土)拱效應(yīng)無法將大部分應(yīng)力向兩側(cè)傳遞時,巖體將會產(chǎn)生坍塌。煤層采空后,采空區(qū)上、下底板巖層應(yīng)力σy急劇減小,預(yù)留煤柱上應(yīng)力σy急劇增大,形成應(yīng)力集中現(xiàn)象。
6.2 煤層開采后巖體變形破壞特征
剪應(yīng)變是反映巖(土)體變形的重要參數(shù)。各工作面依次開采后巖體內(nèi)剪應(yīng)變及巖體內(nèi)位移增量分布如圖7和圖8所示。由圖中可知,煤層開采后,巖(土)體的剪應(yīng)變最大值發(fā)生在煤層采空區(qū)頂部,采空區(qū)底部剪應(yīng)變較?。缓笃诠ぷ髅娴拈_采對前期已開采留下的采空區(qū)處的剪應(yīng)變影響較大,后期開采工作面越多,前期開采工作面處剪應(yīng)變逐漸增加。僅3235工作面開采后,采空區(qū)上方的最大剪應(yīng)變?yōu)?.6%。而在3237工作面開采后,3235采空區(qū)上方的最大剪應(yīng)變增大為3.8%,待3239工作面開采后,3235采空區(qū)上方的最大剪應(yīng)變進(jìn)一步增大為4.4%。整個開采過程中,3235工作面處位移增量均一直大于3237工作面及3239工作面處位移增量,因此,實(shí)際開采過程中應(yīng)加強(qiáng)對煤層采空區(qū)頂板位移的監(jiān)測,防止前期采空區(qū)坍塌對后續(xù)工作面開采帶來影響,特別要預(yù)防后續(xù)工作面上部含水層大量充水事故。
6.3 煤層開采后巖體松動區(qū)分布
各煤層依次開采后巖體內(nèi)松動區(qū)分布如圖9所示。
圖6 工作面依次開采后巖體豎向應(yīng)力σy分布云圖
圖7 工作面依次開采后巖體剪應(yīng)變分布云圖
圖8 工作面依次開采后巖體內(nèi)位移增量分布圖
圖9 工作面依次開采后巖體內(nèi)松動區(qū)示意圖
單一工作面開采時,工作面上方巖體松動范圍相對較大,合理確定相鄰工作面煤柱寬度(如相鄰工作面距離為10 m)后,再計(jì)算剖面方向,隨著開采工作面的增多,各個工作面上部巖體松動范圍變化不大,所有工作面開采后整體下沉明顯。
(1)經(jīng)理論計(jì)算,33采區(qū)防水煤柱垂高為65.1~72.2 m,防砂煤柱垂高為42.5 m,取45 m,即32煤層頂板與基巖風(fēng)化帶底板距離30 m,與數(shù)值模擬結(jié)果吻合。
(2)通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),隨著開采工作面增加,工作面上方巖體產(chǎn)生巖(土)拱效應(yīng),兩側(cè)煤柱形成應(yīng)力集中區(qū);巖體內(nèi)剪應(yīng)變最大值位于采空區(qū)頂板,其大小隨著工作面依次開采而增加,3235工作面采空區(qū)上方的最大剪應(yīng)變由3235工作面開采后的1.6%增加到3239工作面開采后的4.4%。
(3)隨著工作面開采,首先開采的工作面位移量逐漸增加;工作面開采增加對上部巖體松動范圍影響不大。
[1] 安徽理工大學(xué).淮南潘謝礦區(qū)縮小防水煤柱開采的試驗(yàn)研究總結(jié)報告[R].淮南:安徽理工大學(xué),2002
[2] 煤炭科學(xué)研究院北京開采研究所.煤礦覆巖破壞移動規(guī)律及其應(yīng)用[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1983
[3] 楊本水.中等含水層下留設(shè)防砂煤柱開采的試驗(yàn)研究[J]. 煤炭學(xué)報,2002(4)
[4] 楊本水,孔一繁,余慶業(yè).風(fēng)氧化帶內(nèi)煤層安全開采的試驗(yàn)研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2004(1)
[5] 劉生優(yōu),衛(wèi)斐.軟弱覆巖強(qiáng)含水層下綜放幵采覆巖破壞特征實(shí)測研究[J].中國煤炭,2016(4)
[6] 楊本水,段文進(jìn).風(fēng)氧化帶內(nèi)煤層安全開采關(guān)鍵技術(shù)的研究[J].煤炭學(xué)報,2003(12)
[7] 宣以瓊,武強(qiáng),楊本水.巖石的風(fēng)化損傷屬性與縮小防護(hù)煤柱開采機(jī)制研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2005(11)
[8] 柴輝嬋,李文平.近風(fēng)氧化帶開采導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律及機(jī)制分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2014(7)
[9] 國家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2000
[10] 于佳佳,程玉印,王曉振等. 祁東礦6163工作面松散承壓含水層下安全回采研究[J]. 中國煤炭,2015(6)
(責(zé)任編輯 郭東芝)
Study on failure law of seam overburden under weathering zone
Ren Xiaopeng1, Li Xuping2
(1. Beijing Tiandi Huatai Mining Management Co., Ltd., Chaoyang, Beijing 100013, China; 2. Mining Research Institute, Inner Mongolia University of Science & Technology, Baotou, Inner Mongolia 014010, China)
In order to solve the coal mining problem under weathering zone of base rock in loose aquifer, taking Xutuan Coal Mine as an example, the authors analyzed partition basis and rock mechanical characteristics of weathering zone combining with theory analysis and numerical simulation, and studied stress laws of rock mass, distortion and failure of 32seam under weathering zone of base rock in loose aquifer by adopting Plaxis software, and simulated B-B section's vertical sedimentation when the distance between roof and weathering zone was separately 60 m, 50 m, 40 m, 30 m, 20 m. Study results showed that the distance between roof of 32seam and floor of the base rock weathering zone was 30 m; with increasing of working face in amount, rock arching effect appeared in rock mass over the seam, shearing strain in rock mass increased, firstly mined face's displacement gradually increased and broken range of top rock had little change.
aquifer, weathering zone of base rock, overburden failure, numerical simulation
天地科技技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目(KJ-2014-TDHT-01)
任曉鵬,李緒萍. 風(fēng)化帶下煤層覆巖破壞規(guī)律研究[J].中國煤炭,2017,43(3):47-52. Ren Xiaopeng, Li Xuping. Study on failure law of seam overburden under weathering zone[J].China Coal,2017,43(3):47-52.
TD322 TD325
A
任曉鵬(1982-),男,內(nèi)蒙古阿拉善盟人,助理研究員,伊泰集團(tuán)納二礦副總工程師,碩士,從事采礦工程、煤礦瓦斯災(zāi)害的研究。