浅埋煤层综放开采覆岩破坏高度与特征

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(天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

浅埋煤层综放开采覆岩破坏高度与特征

张玉军，宋业杰

(天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

以东胜煤田某矿井地质条件为依据，采用统计分析、实验室物理力学和水理性质测试、数值模拟和现场实测综合研究方法，研究了浅埋深综放开采覆岩特性及采动破坏高度。研究结果表明：软弱岩层抗采动破坏的能力相对较好，尤其是上软下硬的覆岩结构更有利于抑制采动裂隙的进一步发展；裂隙发育形态以高角度纵向延展裂隙为主，偶见纵横交错裂隙；对于类似浅埋深软弱地层和综放开采条件下覆岩破坏高度可以按照垮采比为4.8、裂采比为14进行预计。

浅埋煤层；综放开采；覆岩特征；破坏高度；实测

随着我国煤炭开采的战略西移加快，未来十年我国西北地区煤炭产量将超过全国产量的70%，而目前已探明的浅埋深薄基岩类型的煤层储量最多的煤田是神府东胜煤田，约占全国已经探明储量的1/3。但是，埋深浅、薄基岩、厚风积沙是该矿区的典型赋存特征。由于开采深度浅，当垮落带、导水裂缝带波及到上覆含水层时，水体将对矿井生产构成威胁。因此覆岩特性及其破坏高度的确定是解放水体下压煤储量和保证矿井安全生产的关键。

在我国，经过近五十年来的水体下开采实践，已经基本上掌握了炮采、普采、综采条件下的覆岩破坏规律和特点，近年来逐步开展了水体下综放开采试验及其覆岩破坏规律研究等工作，也取得了一定成果。但是，厚煤层综放开采覆岩破坏规律实测及理论研究成果仍然相对较少，尤其是在西部浅埋深条件下综放开采覆岩破坏规律的研究则更少。

黄庆享、石平五等采用理论分析数值计算及相似模拟试验等手段研究浅埋煤层开采的矿压显现及顶板结构问题，取得了较多的成果[1]。而对于浅埋深尤其是大采高或综放开采条件下覆岩破坏规律的研究也只以理论和模拟研究为主，实测的成果较少[2-4]。

论文以东胜煤田某矿井地质条件为依据，采用统计分析、实验室物理力学和水理性质测试、数值模拟和现场实测综合研究方法，研究了浅埋深综放开采覆岩特性及采动破坏高度。

1 矿井概况

研究矿井位于东胜煤田的东北部，主采3-1煤层，煤层厚度为4.57～11.70m，平均厚度为7.86m，埋深为140～225m，目前采用综采放顶煤开采方法。区内地层由老至新发育有：三叠系上统延长组、侏罗系中下统延安组、侏罗系中统安定-直罗组、白垩系下统志丹群、第三系上新统和第四系。依含水层类型不同，3-1煤覆岩含水层可分为第四系孔隙潜水含水层和基岩裂隙承压含水层，其中基岩含水层包括白垩系和侏罗系地层。第四系孔隙潜水含水层为矿区周边居民生产生活用水的取水层位，主要由冲积砂、砂土及砾石构成，该含水层水位埋深0～2m，单位涌水量q=0.09～1.29L/(s·m)，渗透系数K=16.54～90.27m/d，含水层的富水性弱～中等，透水性强。基岩裂隙承压含水层的富水性均较弱，单位涌水量仅为0.00394～0.00940L/(s·m)，渗透系数介于0.00730～0.0201m/d之间。

2 覆岩结构特征、物理及水理性能分析

在煤层厚度和采煤工艺一定的条件下，覆岩岩性构成和覆岩力学及水理性能是影响覆岩破坏高度的重要因素。

通过对井田范围内柱状3-1煤覆岩结构特征统计分析，3-1煤层100m范围覆岩内，泥岩类岩层厚度为2.29～51.56m，平均厚度为33.37m，砂岩类岩层平均厚度达66.63m，从基岩柱构成上看，砂岩类岩层厚度占绝对优势，从岩性上看，砂岩类岩层主要以粉砂岩和细砂岩形式存在，夹少量粗砂岩。对覆岩33.39～171.54m范围内岩石取样力学测试可知，岩石单轴抗压强度为5.0～35.9MPa，平均抗压强度仅为15.45MPa，其中8个试样的单轴抗压强度低于10MPa，3-1煤顶板以上100m范围内，岩石单轴抗压强度为7.9～35.9MPa，平均为21.37MPa。

3-1煤覆岩的水理性质分析包括颗粒组分、膨胀性和崩解性等，取样深度为27.37～171.54m。由表1可知，泥质岩黏粒含量不高，<0.005mm黏粒一般<15%。仅个别达17.46～24.12%，细砂岩和中粗砂岩干燥后在水中强烈崩解成砂状，其干燥饱和吸水率达39.42%和37.11%，属于具膨胀性和崩解性的极软岩。岩样大多属于弱(中)偏微膨胀等级，少数为微膨胀，即属膨胀性等级不高的软岩。其中28-4粗砂岩性质坚硬，非膨胀非崩解，属中硬质砂岩，其良好的工程性质源于18.05% CaCO3的钙质胶结作用。

综合上述岩性结构、物理力学及水理特性分析，3-1煤覆岩的泥岩类岩层水稳定性较差，因其黏土矿物含量较低，弱钙质胶结，采动破坏后泥岩层再生隔水能力较差。从覆岩垂向上看，岩层整体具有下硬上软的强度特征，自地表160m以内均为软弱岩层，泥岩易崩解，隔水性能一般；砂岩胶结性差，具有强崩解性，虽不具有隔水性，但受采动影响后不利于采动裂隙继续向上发展。160m以下地层为中粗砂岩，钙质胶结程度高，岩石强度达到中硬，相比软弱岩层，不利于控制覆岩破坏。判定3-1煤覆岩类型应属于中硬偏软弱类型。

表1 岩石水理特性测试成果

3 综放开采覆岩破坏高度数值模拟

3.1 数值模拟的模型建立

本次模拟是以矿井工程地质条件为基础。模型尺寸250m×137m，煤层顶板距上部边界120m，煤层厚度7m，底板岩层厚度取10m。左右边界煤柱留设50m，避免边界效应，采用综放开采方法，煤层工作面连续推进∑L=150m。数值模型如图1。

图1 模型设计

模型的上边界采用自由边界；模型的左边界、右边界、底边界采用零位移边界条件。本次数值模型使用摩尔-库仑塑性模型，该模型所涉及的围岩体物理力学参数包括两个方面，即岩块物理力学参数和结构面物理力学参数，各项参数分别如表2和表3所示。

表2 模型岩体力学参数

表3 模型接触面力学参数

3.2 模拟结果分析

煤层开采以前，岩体处于原岩应力状态。煤层的采动形成开采空间，使得采场周围应力状态重新分布，并产生附加应力，在应力的产生到重新平衡过程中，顶板隔水层产生了变形破坏。可以通过分析覆岩垮落图判断垮落带和裂缝带的高度。图2和图3为工作面分别开挖60m和150m时覆岩的垮落图，可以看出随着工作面的推进，顶板破坏不断加大，破坏范围呈现出“梯形”破坏形态。根据数值模拟结果，工作面开挖30～150m顶板破坏程度不断加大，说明了在一定程度上加大工作面推进长度，会加大顶板的破坏程度。工作面推进150m时垂直位移破坏达到最大值。根据推进150m的模拟情况显示表明顶板导水裂缝带高度为66m，裂采比为13.2，垮落带高度24m，垮采比4.8。

图2 工作面推进60m岩层垮落情况

图3 工作面推进150m岩层垮落情况

4 综放开采覆岩采动破坏高度与特征实测

实测方法采用地面钻孔冲洗液漏失量和钻孔彩色电视系统。根据工作面推进进度，在3103综放工作面共布置了2个钻孔，钻孔分别位于回风巷和运输巷内，目的是最大可能获得覆岩破坏高度的最大值，钻孔布置如图4所示。

图4 3103工作面采后“两带”观测孔位置

图5(a)为CH01孔的冲洗液漏失量变化曲线图，图5(b)为CH01孔的钻孔水位变化曲线图。由图可知，CH01孔观测到的导水裂缝带顶点的孔深为148.90m，垮落带顶点的孔深为196m，此处的3-1煤顶板埋深约为212m，煤层采厚5.0m，综合考虑地表下沉的影响，确定导水裂缝带实际高度为66.70m，垮落带实际高度为19.60m。

图5 CH01钻孔冲洗液漏失量与钻孔水位观测曲线

图6(a)为CH02钻孔的冲洗液漏失量变化曲线图，图6(b)为CH02钻孔的钻孔水位变化曲线图。由图可知，CH02孔导水裂缝带顶点的孔深为143.32m，垮落带顶点的孔深为188.15m ，此处3-1煤底板埋深约为208m，煤层采厚约为5.0m，考虑地表下沉的影响，确定导水裂缝带实际高度为68.28m，垮落带实际高度为23.45m。

图6 CH02钻孔冲洗液漏失量与钻孔水位观测曲线

图7(a)反映的是钻孔电视探测得到的孔深140.50～141.00m层段的孔壁裂隙发育情况，可见高角度纵向裂隙贯穿至142.00m，裂隙面新鲜，有明显的采动破坏痕迹，且自140.60m以下，裂隙发育连续，且裂隙多为高角度纵向发育，部分层段为纵横交错裂隙和贯穿裂隙，裂隙细长，裂隙面新鲜，综合判断为采动裂隙。确定CH02孔的导水裂缝带顶点位于孔深140.60m，垮落带顶点位于孔深193.00m，导水裂缝带观测高度为71.00m，裂高采厚比为14.20；垮落带高度为18.60m，垮采比为3.75。图7(b)和图7(c)为导水裂缝带范围内裂隙发育状况。

图7 CH02钻孔彩色电视探测成果

综合比较钻孔冲洗液漏失量观测和钻孔彩色电视探测结果，最终确定出3103工作面CH01钻孔的垮落带高度为19.90m，垮采比为3.98；导水裂缝带高度为68.40m，裂采比13.68；CH02钻孔的垮落带高度为23.45m，垮采比为4.69；导水裂缝带高度为71.00m，裂采比14.20，图8为覆岩破坏实测形态图。

图8 覆岩破坏实测形态

5 浅埋深综放开采覆岩采动破坏高度与特征分析

(1)综合覆岩岩性结构特征、物理力学及水理特性分析，研究矿井3-1煤覆岩强度整体较软，尤其是在饱水状态下强度很低，软弱岩层抗采动破坏的能力相对较好，不利于采动裂隙的延展。而且上软下硬的覆岩结构相比全硬岩层，更有利于抑制采动裂隙的进一步发展。

(2)从钻孔电视探测裂隙发育形态上看，受软弱地层影响，3-1煤覆岩破坏不够充分，以高角度纵向延展裂隙为主，偶见纵横交错裂隙，部分层段可见软弱岩层受采动后遇水发生局部塌落现象。

(3)综合比较数值模拟、钻孔冲洗液漏失量观测和钻孔彩色电视探测结果， 3种方法在实际应用中能够互相验证。对于类似地层和开采条件下覆岩破坏高度可以按照垮采比为4.8，裂采比为14进行预计。

[1]黄庆享，钱鸣高，石平五.浅埋煤层采场老顶周期来压的结构分析[J].煤炭学报, 1999，24(6): 581-585.

[2]宣以琼.薄基岩浅埋煤层覆岩破坏移动演化规律研究[J].岩土力学，2008，19(2):512-516.

[3]刘纯贵，马脊梁.浅埋煤层开采覆岩活动规律的相似模拟[J].煤炭学报，2011，36(1)：388-393.

[4]付玉平，宋选民，邢平伟.浅埋煤层大采高超长工作面垮落带高度的研究[J].采矿与安全工程学报，2010,27(2)：190-194.

[5]尹立明.深部煤层开采底板突水机理基础实验研究[D].青岛：山东科技大学，2011.

[6]高明中，韩 磊，高新亚.巷道组过断层围岩控制技术研究[J].安徽理工大学学报(自然科学版)，2010(3).

[7]张玉军.钻孔电视探测技术在煤层覆岩裂隙特征研究中的应用[J].煤矿开采，2011，16(3)：77-80.

[8]张玉军，吴继辉.近距离多煤层开采采空区积水防隔水煤岩柱留设研究[J].煤矿开采，2014，19(1)：77-79.

[责任编辑：王兴库]

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

国家科技支撑计划项目资助(2012BAB13B02-04)；中国煤炭科工集团创新基金项目(2012MS004)；天地科技开采设计事业部基金项目(KJ-2013-TDKC-11)

张玉军(1978-)，男，河北怀安人，博士，副研究员，主要从事矿井防治水及“三下”采煤等相关研究。

张玉军，宋业杰.浅埋煤层综放开采覆岩破坏高度与特征[J].煤矿开采，2014，19(6)：21-24.

TD315

A

1006-6225(2014)06-0021-04