巨厚砾岩层对地表沉降及冲击地压的影响分析

李兴国文广超

(1.义马煤业集团股份有限公司,河南省义马市,472300; 2.河南理工大学资源环境学院,河南省焦作市,454003)

巨厚砾岩层对地表沉降及冲击地压的影响分析

李兴国1文广超2

(1.义马煤业集团股份有限公司,河南省义马市,472300; 2.河南理工大学资源环境学院,河南省焦作市,454003)

针对义马煤田各矿开采深度大(最大深度达1000 m)、煤层上覆巨厚砾岩层、矿井冲击地压事件发生日益频繁的问题,在义马煤田各矿开展了地表沉降观测项目。借助地表沉降观测资料,采用数理统计方法,分析了不同地质采矿条件下地表移动规律,分析了巨厚砾岩层对地表沉降及冲击地压的影响,为冲击地压研究和防治提供基础数据。

地表沉降 冲击地压 巨厚砾岩 下沉系数 等值线 义马煤田

1 工作区概况

义煤集团义马煤田自西向东辖杨村矿、耿村矿、千秋矿、跃进矿、常村矿,开采侏罗系煤层各矿位置关系如图1所示,主要含煤岩系属中侏罗世义马组,分2组5层煤层,自上而下为1－1、1－2、2－1、2－2、2－3煤层,煤层埋深0～1200 m,煤层赋存比较稳定,平均厚度13.5 m。经过多年勘查与开发,保有资源量已所剩不多,矿井逐渐转入深部开采,最大采深超1000 m,地质采矿条件非常复杂,冲击地压事件发生日益频繁,成为制约义马煤田各矿安全生产的首要难题。

义马煤田煤层直接顶板一般为厚度约20 m的泥岩,之上为几十米到百余米的砂砾岩互层,再向上为数百米的巨厚砾岩层,岩石非常坚硬。受不同采煤方法、开采深度和上覆砾岩影响,煤层开采后,地表沉降情况及冲击地压威胁的程度有明显差异。其中,煤田西部矿井杨村矿煤层上覆砾岩厚度小,局部缺失,在大采高、多煤层开采条件下,采后顶板直接垮落,地表沉降充分,冲击危险性较小;煤田中部及东部耿村矿、千秋矿、跃进矿、常村矿砾岩厚度大,最厚达700 m,开采后坚硬砾岩层不易垮落,导致大面积悬顶,矿井冲击地压发生频次较多,且破坏性很大,威胁矿井安全。

图1 义马煤田各矿位置关系示意图

2 观测方案

(1)根据义马煤田地质采矿条件,结合相关规程规范和开采状况,在所辖杨村矿、耿村矿、千秋矿、跃进矿、常村矿沿煤层走向和倾向设计地表观测线。

(2)按照设计测线实测地表位置和高程。

(3)将实测资料展绘在1987年航测图上,与航测地形图进行高程对照,计算出工作面地表下沉量。

(4)根据地表下沉量绘制观测线下沉曲线图;收集开采煤厚资料计算地表下沉系数,绘制地表下沉系数等值线图;收集巨厚砾岩、采深资料及冲击地压发生情况,绘制下沉量、巨厚砾岩开采深度与冲击地压事件分布图。

(5)结合以上成果,综合分析中部矿井在复杂地质采矿条件下,巨厚砾岩层对地表沉降及冲击地压的影响,为冲击地压研究与防治提供基础数据。

3 项目实施

3.1 布置测线

依据相关规程,工作面地表移动观测站走向和倾斜观测线布设在义马煤田杨村矿、耿村矿、千秋矿、跃进矿、常村矿移动盆地的主断面位置。倾斜观测线距开切眼或停采线0.7H0(H0为工作面平均开采深度)以上。义马煤田煤层上覆岩性多为中硬覆岩,按照《煤矿测量规程》岩石硬度系数κ取0.7,煤层倾角取10°,最大下沉角经计算取83°,采用移动角法设计观测线长度。

按工程设计路线,沿工作面走向和倾向,实测地表坐标和高程。外业共测量观测剖面线54条,长度160.5 km,测点6154个,覆盖面积51 km2。

3.2 绘制测线实测剖面图及下沉曲线图

将测线实地测量数据,展绘于矿区1987年航测地形图之上,以测线为单位,分别计算各点下沉量,制作下沉量数据统计表,测点下沉量计算:

式中:ΔH——测点下沉量;

H——实测高程;

H1——对应位置的原航测图图解高程。

以矿井为单位,根据各条测线下沉情况,分别绘制各矿测线实测剖面图,图2为义马煤田西部杨村矿走向上YL1测线下沉曲线图。YL1测线位于杨村矿浅部开采区域,由于杨村矿没有巨厚砾岩层,地表沉降符合一般规律,下沉量主要与煤层开采厚度有关,煤层开采后,顶板垮落比较充分,没有形成应力集中,杨村矿没有发生过严重的冲击地压事件。

图2 义马煤田杨村矿YL1观测线下沉曲线图

3.3 计算地表下沉系数,绘制下沉系数等值线图

根据采煤厚度和地表下沉量,计算各个工作面地表下沉系数,下沉系数能够反映不同地质条件下,地表的下沉程度。地表下沉系数计算:

式中:q——地表下沉系数;

W0——充分采动条件下地表最大下沉值,m;

α——煤层倾角,(°);

M——煤层开采厚度,m。

根据下沉系数计算数据,结合各矿煤层上覆砾岩层分布情况,绘制了义马煤田地表下沉系数等值线图,该图图幅较大,受文章篇幅所限,该图未附在文章中。利用该图可以看出煤层上覆巨厚砾岩层对地表沉降的影响,砾岩层厚度分布不同,地表的下沉程度也明显不同。砾岩层厚度较小的区域(砾岩层厚度300 m以下),工作面地表下沉系数一般在0.5～0.9,说明地表下沉比较充分,该区域冲击地压危险性很小;砾岩层厚度较大的区域(砾岩层厚度300 m以上),地表下沉系数一般在0.3以下,地表下沉很不充分,说明煤层开采后,顶板垮落不充分,坚硬的巨厚砾岩层形成了大面积悬顶,造成应力集中,该区域冲击地压危险性很大。

3.4 绘制各矿地表下沉量等值线图

根据各矿沉降观测资料,结合巨厚砾岩分布、冲击地压事件发生情况,以矿井为单位绘制下沉量等值线、巨厚砾岩等厚线与冲击地压事件分布图,图3为千秋矿21采区地表下沉量等值线、巨厚砾岩等厚线与冲击地压事件分布图。

图3 千秋矿21采区地表下沉量等值线、巨厚砾岩等厚线与冲击地压事件分布图

图3显示,千秋矿21采区煤层开采厚度很大,达15～20 m,但已开采区域地表下沉量和下沉系数都很小,下沉系数在0.2以下。未开采区域,例如21161设计工作面以及下部的21221掘进工作面所在区域,地表下沉值已达2 m左右,与已开采区域下沉量基本相同。原因为该区煤层上覆巨厚砾岩达300 m,煤层开采后没有折断,完整的巨厚砾岩层形成了悬臂效应,对未开采区域造成应力集中,为冲击地压发生危险区域。在21141工作面下巷及21221工作面下巷掘进时多次发生冲击地压事件。

4 巨厚砾岩层开采对地表沉降及矿井冲击地压的影响分析

(1)各矿由于采矿地质条件不同,地表下沉量差别很大。从实测下沉资料及统计情况分析,煤层上覆砾岩层厚度小于250 m的开采区域,地表下沉受巨厚砾岩层影响很小,地表下沉符合一般规律,地表下沉量主要与开采煤层厚度有关,受采深影响,从煤田浅部至深部开采区域,地表下沉量及下沉系数有减小趋势。

(2)位于煤田西部的杨村矿,煤层上覆砾岩层很薄,地表下沉量主要与开采煤层厚度有关。杨村矿最大下沉量达19.8 m,平均下沉量5.98 m,地表下沉系数达0.8～0.9,地表下沉充分,该矿没有发生过严重的冲击地压事件。

(3)与杨村矿相邻的耿村矿,砾岩厚度0～300 m,采深在700 m以浅,沉降观测点数1537个,地表下沉量0～12.9 m,耿村矿底板等高线＋200 m以上区域,煤层上覆砾岩层厚度小(250 m以下),煤层开采后工作面下沉系数达0.5以上,下沉比较充分。底板等高线＋200 m以下区域,煤层上覆砾岩层厚度达250 m以上,工作面开采煤厚10～14 m,地表下沉量仅为1.5～3 m,下沉系数仅为0.12～0.18,比＋200以上工作面明显减小,深部未采区域下沉量与已采工作面下沉量基本相同,表现出明显的巨厚砾岩悬臂效应,深部未开采区域应为冲击地压易发区域。

(4)位于煤田中部的千秋矿巨厚砾岩厚度在0～500 m,最大采深达800 m,测量点数1174个,下沉量0～6.1 m,平均下沉量仅为1.23 m。受巨厚砾岩和采深综合影响,下沉系数从浅部到深部逐渐减小,据统计,巨厚砾岩厚度超过250 m,采深超过500 m区域,下沉系数均在0.3以下,在冲击地压发生比较集中的21采区,煤层上覆巨厚砾岩达300 m,开采煤厚达10 m以上,下沉量为1～2 m,下沉系数在0.2以下,该区未开采区域(包括设计工作面、掘进工作面和各类煤柱等)和已开采工作面下沉量基本相同。据分析,该区煤层上覆巨厚砾岩在煤层开采后没有折断,完整的巨厚砾岩层形成了悬顶,当开采达到一定面积时,未开采区域由于承受完整砾岩层的巨大重力造成应力集中,易发生冲击地压。据统计,该区域已发生过多次严重的冲击地压事件。

(5)与千秋矿相邻的跃进矿巨厚砾岩厚度在0～700 m,最大采深达1050 m,最大下沉值为4.58 m,平均下沉1.17 m。深部25采区巨厚砾岩厚度达500 m,采深超过750 m,相邻的25010、25030、25050、25070、25090等工作面煤层开采厚度差别很大,最小为2.8 m,最大为11.5 m,但是该区域(包括采区下山煤柱)地表下沉量基本相同,均为1～2 m。据分析,该采区煤层开采后,上覆坚硬的巨厚砾岩层没有折断,造成未开采区域应力集中,导致冲击地压发生频繁,与冲击地压事件统计情况吻合。

(6)位于煤田东部的常村矿,巨厚砾岩厚度在0～400 m,最大采深达700 m,最大下沉10.5 m,平均下沉量2.93 m。该矿底板等高线－100 m以上区域,煤层上覆砾岩层厚度小,煤层开采后工作面下沉系数达0.5～0.7,符合一般地表下沉规律,地表下沉比较充分,冲击地压危险性很小。底板等高线－100 m以下区域,煤层上覆砾岩层厚度达350 m以上,工作面开采煤厚9～13 m,地表下沉量仅为1.5～3 m,下沉系数为0.16～0.26,比－100 m以上区域工作面明显减小,深部未采区域地表下沉量已达1 m以上,应力比较集中,说明－100 m以下区域受巨厚砾岩层影响造成应力集中,冲击地压危险性很大,这一结论与该矿冲击地压发生统计情况基本吻合。

5 结论

(1)地表沉降与煤层上覆砾岩层厚度关系很大,上覆砾岩层厚度小于250 m的区域,上覆砾岩对下沉量和下沉系数影响很小,地表下沉比较充分。砾岩层厚度超过250 m的区域,工作面回采后,坚硬的巨厚砾岩层没有完全断裂,造成煤层顶板不完全垮落,形成悬臂岩层结构,受坚硬砾岩层支撑,下沉量和下沉系数都很小,地表下沉很不充分。同时,区域受巨厚砾岩层影响,地表沉陷影响范围扩大,千秋矿深部21201工作面,开采深度800 m,其南部下沉影响距离达700 m以上,据测量,距工作面南侧距离500 m左右的陈沟村,地表下沉仍达1 m左右,而且与工作面上方地表下沉量基本相同。

(2)冲击地压的发生与上覆砾岩层结构及厚度有关,特别是厚煤层、大采深、煤层上覆巨厚砾岩的情况下,覆岩结构及运动是矿井冲击地压发生的重要因素。在煤层上覆砾岩厚度小于250 m区域,地表下沉非常充分,能量得到释放,冲击地压发生危险性较小。冲击地压发生集中的区域,砾岩厚度均超过250 m,工作面回采后,在上覆砾岩层中产生离层,砾岩层下部岩层随工作面顶板垮落,上部岩层受巨厚坚硬砾岩层的支撑,垮落不充分。由于砾岩下沉的不均匀性,在离层发育过程中,岩体自重使砾岩层积聚大量的弹性能,在采空区周围岩体、煤柱以及孤岛开采区域,形成高压应力集中带,随着采空区域的不断扩大,悬臂岩层面积和体积日益增加,受采动扰动,顶板及上覆岩层极有可能失稳后突然垮落,积聚能量的突然释放诱发冲击地压,这一结论已在各矿的采掘活动中得到验证。

(3)矿井冲击危险区的分布具有一定规律性。结合各矿采掘情况,预测耿村矿13采区东翼、千秋矿21采区、跃进矿25采区、常村矿21采区西翼为冲击地压危险区。冲击危险区域的划定,可指导优化开采布局,提前采取应对措施,如尽量避免工作面形成孤岛开采,实煤体掘进时提前采取卸压、加强支护等措施。

[1] 郑友刚.唐山矿深部孤岛工作面冲击地压危险区域划分及实测研究[J].中国煤炭,2013(3)

[2] 李新元,马念杰,钟亚平等.坚硬顶板断裂振动型冲击地压预测技术研究[J].中国煤炭,2007(3)

[3] 中华人民共和国能源部.煤矿测量规程[S].北京:煤炭工业出版社,1989

[4] 于贵良,李前等.深部急倾斜特厚煤层分层开采冲击地压防治技术[J].煤炭科学技术,2011(2)

[5] 齐庆新.冲击矿压理论与技术[M].北京,煤炭工业出版社,2000

[6] 李青岳.工程测量学[M].北京:测绘出版社, 1984

[7] 唐巨鹏,潘一山等.上覆砾岩运动与冲击矿压的关系研究[J].煤矿开采,2002(2)

[8] 郭惟嘉,孔令海等.岩层及地表移动与冲击地压相关性研究[J].岩土力学,2009(2)

[9] 牟宗龙,窦林名,张广文.坚硬顶板型冲击矿压灾害防治研究[J].中国矿业大学学报,2006(6)

[10] 孔昭璧,杨世清.矿山测量学[M].徐州:中国矿业大学出版社,2001

(责任编辑 张毅玲)

煤炭信贷是控煤关键

由中国人民银行金融研究所和创绿中心合作完成的《中国能源转型和煤炭消费总量控制下的金融政策研究》于日前发布。报告认为,对涉煤行业而言,外源性融资主要来自银行贷款,因此控制煤炭消费总量的重中之重是控制煤炭行业信贷。

报告显示,这一转型对融资有着迫切需求,但现阶段能源融资中存在的问题正在阻碍转型。例如,目前我国能源领域信贷资金仍集中在煤炭行业。

据了解,在2008年1月至2014年3月期间,包括五大商业银行在内的16家上市银行向A股168家上市涉煤企业(煤炭采掘、火力发电、煤化工和建材等4个行业)累计发放贷款5.5万亿元。其中,2008～2011年我国涉煤行业相关贷款保持稳定较快增长,2012～2013年对大型涉煤行业企业的贷款总额增速提高,2013年贷款总额比2012年贷款总额增长204.5%,年增速提高45.6%;银行对上市涉煤企业的贷款主要集中于煤炭采掘,其贷款特点是单笔贷款数额大,采掘行业的贷款主要集中在新疆、山西、陕西、河南等传统能源富集省(区);对广东、黑龙江、四川等省份的贷款主要集中在火电和建材行业。

此外,报告显示,随着2012年末煤价开始走低,行业利润减小,煤炭企业违约风险日渐加大。由于涉煤企业资金压力加大,煤炭行业整体投资额增速放缓,煤炭企业对银行贷款的依赖程度明显提升。与此同时,商业银行也纷纷调整了对煤炭企业的融资政策,包括降低对中小型煤炭企业贷款额度与集中度、收紧表外融资渠道等,但增加了对大型煤炭企业的短期融资和债券发行。2011～2014年,以煤炭为主的能源企业发行企业债募集资金共计1347.6亿元;上市企业发行的公司债募集资金1058.4亿元,占同期公司债发行总额的15.37%。尽管煤价从2012年开始走低,行业总体盈利下降,煤炭企业偿债能力减弱,但煤炭债券评级总体水平仍较高,票面利率平均为6.27%,低于全行业7.5%的债券平均利率。

为实现国内能源转型和2020年前达到煤炭消费峰值(40～42亿t)的最优控煤目标,报告建议,我国应形成一套支持控煤的金融政策体系,借助金融政策对煤炭及其替代的清洁能源和可再生能源发展实施间接调控。

Impact analysis of the extremely thick conglomerate layer on ground surface subsidence and rock burst

Li Xingguo1,Wen Guangchao2
(1.Yima Coal Industry Group Co.,Ltd.,Yima,Henan 472300,China; 2．Institute of Resources&Environment,Henan Polytechnic University, Jiaozuo,Henan 454003,China)

Aiming at the problems of the large mining depth which up to 1000 m,the overlying extremely thick conglomerate layer and the increasingly frequent rock burst,the project of ground surface settlement observation was carried out in each mine of Yima coal field.According to the data of ground surface settlement observation and mathematical statistics method,the law of surface movement in different geological and mining conditions was analyzed,then the impact of the extremely thick conglomerate layer on ground surface subsidence and rock burst were analyzed,which provided the basic data to the research,prevention and treatment of rock burst.

surface subsidence,rock burst,extremely thick conglomerate layer,subsidence coefficient,contour line,Yima coal field

TD325

A

李兴国(1977－),男,河南汝州人,高级工程师,河南能源义煤集团地测处测量科科长,从事煤矿地质测量工作的研究。