近距离多层油页岩水体下重复开采覆岩破坏高度预计

2016-01-11 09:01赵秋阳,谷海峰,康永华等

采矿与岩层控制工程学报 2015年1期

赵秋阳1，谷海峰2，康永华3，李磊3，孙万明3

(1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京 100013；2.北方联合电力巴彦宝力格煤电项目筹备处，内蒙古锡林郭勒盟 026000；

3.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013)

[摘要]以某矿为例，对油页岩上覆覆岩结构类型及岩性作出分析，在得出上覆岩层为软弱类型的前提下，分别运用经验公式法和数值模拟法对多层油页岩重复开采的覆岩破坏高度作出预计，得出了导水裂缝带最大波及高度为44.03m和38.40m的2种结果，对比2种方法的预计结果，选取偏于安全的经验公式法预计结果作为4，5，6，7层油页岩开采的最终覆岩破坏高度。

[关键词]近距离多层油页岩；重复开采；覆岩破坏高度

[中图分类号]TD83[文献标识码]A

[收稿日期]2014-09-17

DOI[]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.01.023

[基金项目]中国煤炭科工集团有限公司科技创新基金面上项目(2014MS004)

[作者简介]赵秋阳(1988-)，男，河北保定人，在读硕士研究生，主要从事水体下采煤研究。

Prediction of Overlying Strata Failure Height of Repeatedly-mining

Close-distance Oilshales under Water-body

ZHAO Qiu-yang1, GU Hai-feng2，KANG Yong-hua3, LI Lei3, SUN Wan-ming3

(1.Coal Mining & Designing Branch, China Coal Research Institute, Beijing 100013, China;

2.The Headquarters of Coal & Electricity Project of the North United Electric Co.，Ltd.,Bayanbaolige,Xilingol 026000,China；

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

Abstract:After the overlying strata type of oilshales in a mine was analyzed to be soft, applying empirical formula and numerical simulation to predicting overlying strata failure height of repeatedly-mining close-distance oilshales,2 maximum water-connected fissure heights of were obtained to be 44.03m and 38.4m.By comparing 2 results, the result from empirical formula was selected as failure height of 4th,5th,6th and 7th oilshales.

Keywords:close-distance oilshales; repeatedly-mining; failure height of overlying strata

[引用格式]赵秋阳，谷海峰，康永华，等.近距离多层油页岩水体下重复开采覆岩破坏高度预计[J].煤矿开采，2015，20(1)：78-81.

油页岩(又称油母页岩)是一种高灰分的含可燃有机质的沉积岩，它和煤的主要区别是灰分超过40%，与炭质页岩的主要区别是含油率大于3.5%。油页岩属于非常规油气资源，以资源丰富和开发利用的可行性而被列为21世纪非常重要的接替能源，它与石油、天然气、煤一样都是不可再生的化石能源。

油页岩开采前，为了更加合理地留设防水岩柱，为后续油页岩开采提供数据支撑，需要对油页岩开采后的覆岩破坏高度作出预计，以便于最大限度地解放水体下被压矿产资源。所谓覆岩破坏高度即指油页岩开采后所形成的垮落带、导水裂缝带和弯曲下沉带，覆岩的发育情况直接决定着水体下油页岩开采的安全性和可靠性。搞清覆岩破坏的发育高度及其分布形态是实现水体下安全开采的重要手段，根据覆岩岩性，利用经验公式对覆岩破坏高度作出预计，结合数值模拟软件预计结果作出对比分析，最终获得准确、可靠的覆岩破坏高度数值，近年来已经成为采前覆岩破坏高度预计的主流方法[1-6]。

矿区赋存多层油页岩且相距较近的情况下，覆岩破坏高度的预计需依据下层油页岩的垮落带发育高度采用不同的预计方法，本文以吉林某矿为例，利用数值模拟法分别预计了各层重复开采后的覆岩破坏发育情况，然后利用经验公式法，依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(以下简称《“三下”采煤规程》)中关于近距离煤层覆岩破坏高度预计原则对矿井4，5，6，7层油页岩的垮落带、导水裂缝带最大高度作出预计，经过分析2种预计结果的差异、共性及优缺点，最终确定了4层近距离油页岩重复开采的最大覆岩破坏高度。

1油页岩上覆覆岩结构类型分析

通过对矿井勘探资料的统计与分析，可知矿井上覆基岩柱岩性构成以页岩与泥岩类隔水岩层为主，其中4层和5层油页岩上覆基岩柱隔水岩层合计厚度占该段基岩柱厚度的比例为60%左右，6层和7层油页岩上覆基岩柱隔水岩层合计厚度占该段基岩柱厚度的比例均为65%左右。

矿层基岩柱岩性主要为中砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、页岩、砂质页岩、泥岩、炭质泥岩及炭质页岩，分布于矿层的顶底板，岩石胶结普遍差，松散、破碎，层理发育。钻孔取芯岩石物理力学测试结果表明，粉砂岩抗压强度为7.24MPa；细砂岩抗压强度为4.31MPa；泥岩抗压强度为12.02MPa；粗砂岩抗压强度为9.84MPa，见表1。

试验结果表明，本区岩层中岩石强度低，岩性软，属软弱岩层，岩石抗压强度4.31~12.02MPa，在覆岩岩性分类中应属于软弱(抗压强度10~20MPa)分类区间，结合矿层上覆岩层的岩性构成情况，综合分析认为，油页岩矿层上覆岩层属软弱类型。

表1　岩石物理力学性质试验成果

2数值模拟法预计油页岩重复开采覆岩破坏高度

本例采用数值模拟软件FLAC3D对油页岩开采所形成的覆岩破坏高度进行预计。覆岩破坏规律分析模型总长360m，开采长度为200m；模型总高118m，顶面为地表，底面为油页岩层下部底板，模型共划分为4896个单元，7665个节点；模型前后和左右边界施加水平约束，模型底部边界固定，模型顶部为自由边界，研究区内岩层划分为16个层组，分析模型如图1所示。

图1　分析模型

本次模拟岩体采用理想弹塑性本构模型：莫尔-库仑屈服准则描述并以此确定覆岩破坏高度的确定原则。运行模型，得出破坏场的分布情况，如图2所示。

图2　4层油页岩开采后覆岩破坏区分布

由图2可看出，随着油页岩的开采，上覆岩层破坏范围逐步扩大，塑性区逐步向上发展，因此导水裂缝带也同样向上部发育。每层油页岩开采后，覆岩破坏范围均呈现出明显的“马鞍”型。由于油页岩层埋藏较浅、覆岩岩性偏软，且累计开采厚度较大，地表发生的移动变形较剧烈，产生明显的拉张破坏及裂隙。模型单元在移动变形过程中产生的剪切应变增量大小也是导水裂缝带发育区域的判断依据之一。一般认为，剪切应变增量较大的区域即为导水裂缝带发育区域，本例中剪切应变增量≥0.1即可认为是覆岩导水裂缝带[7-10]。

数值模拟方法预计4，5，6，7层油页岩重复开采各层导水裂缝带高度预计结果见表2。

表2　数值模拟法预计导水裂缝带成果

3经验公式法预计油页岩重复开采覆岩破坏高度

本矿油页岩的开采条件和赋存情况与煤层开采非常类似，因此可以根据《“三下”采煤规程》中关于煤层开采的覆岩破坏高度计算公式对油页岩开采的覆岩破坏高度进行预计。

根据矿井初步设计说明书，4层油页岩设计开采厚度为2.1m，5层油页岩设计开采厚度为2.5m，6层油页岩设计开采厚度为1.4m，7层油页岩设计开采厚度为2.5m。《“三下”采煤规程》中厚煤层分层开采的垮落带、导水裂缝带高度计算公式应用范围为：单层采厚1～3m，累计采厚不超过15m，根据矿层上覆岩石单向抗压强度及岩性分析，综合认定，本例4，5，6，7层油页岩开采的覆岩破坏高度计算公式采用《“三下”采煤规程》中软弱覆岩岩性计算公式[11]：

垮落带高度Hm计算公式:

Hm=100ΣM/(6.2ΣM+32)±1.5

(1)

式中，ΣM为油页岩采厚，m。

导水裂缝带高度Hli计算公式：

Hli=100ΣM/(3.1ΣM+5.0)±4.0

(2)

根据矿井钻孔勘探资料揭露情况，矿井设计开采油页岩层之间间距较小。依据《“三下”采煤规程》规定，设定近距离油页岩层开采覆岩破坏高度预计原则：当上、下两层油页岩的最小垂距h大于回采下层油页岩的垮落带高度时，上、下两层油页岩的导水裂缝带最大高度按上、下层油页岩的厚度分别选用式(2)计算(见图3)；当下层油页岩的垮落带高度接触或者进入上层油页岩的开采范围时，上层油页岩的导水裂缝带最大高度采用本层油页岩的采厚进行预计计算，下层油页岩的导水裂缝带高度应采用上下两层油页岩的综合开采厚度按照式(3)进行计算(见图4)，取其中标高最高者为两层油页岩的导水裂缝带最大高度。上下油页岩层的综合开采厚度的计算公式为：

Mz1-2=M2+(M1-h1-2/y2)

(3)

式中，M1为上层油页岩的开采厚度，m；M2为下层油页岩的开采厚度，m；h1-2为上下油页岩层之间的法线距离，m；y2为下层油页岩的垮落带高度与采厚之比。

图3　近距离油页岩层覆岩破坏高度示意(h>H 垮下时)

值得注意的是，4层和5层油页岩的导水裂缝带最大高度为两者导水裂缝带标高最高者，而由于油页岩层间的间距很小，未来6层开采所形成的导水裂缝带必定会波及到5层采空区，导通上层油页岩开采所形成的导水裂缝带，所以4，5，6层油页岩的导水裂缝带最大高度为三者导水裂缝带标高最高者。同理，4，5，6，7层油页岩的导水裂缝带最大高度为这4层油页岩导水裂缝带标高最高者。

通过上述计算方法，分别得到4，5，6，7层油页岩重复开采时的垮落带高度和导水裂缝带高度，同时，通过对比各层油页岩开采导水裂缝带的标高，得出每层开采之后与上覆已开采油页岩层形成的具有导通性的导水裂缝带最大标高，此标高距最下一层油页岩顶板距离即为已采近距离油页岩层的导水裂缝带最大波及高度。各层油页岩开采所形成的与上覆油页岩层开采所形成的导通性导水裂缝带最大高度预计结果见表3。

表3　经验公式法预计导水裂缝带成果

由表3可看出，随自上而下开采，重复开采所形成的导水裂缝带波及高度越来越大，下部矿层开采所形成的导水裂缝带均已导通上部导水裂缝带，由于7层开采后，6，7两层的导水裂缝带最大高度已经导通上部导水裂缝带，因此应该选取本层及上层开采所能导通的导水裂缝带最大标高作为其最大导水裂缝带波及高度。这种方法计算的导水裂缝带高度，保证了以后防水岩柱留设和开采上限界定的准确性和安全性，是比较合理且安全可靠的。

4两种预计方法的对比与选取

通过FLAC3D数值模拟可以知道，4，5，6，7层重复开采时，模拟形成的覆岩破坏区分布与实际覆岩破坏发育情况是吻合的，随着下层油页岩的重复开采，导水裂缝带不断变大。4，5，6，7层油页岩单层采厚分别为2.1，2.5，1.4，2.5m时，裂采比约为7。通过矿井勘探资料的统计与分析，4，5层油页岩间距平均为2.4m；5，6层油页岩间距平均6.2m；6，7层油页岩间距平均为10.4m，下层油页岩的导水裂缝带发育高度均已波及到上层，则7层油页岩顶板至4个油页岩层开采后所能导通的导水裂缝带最大标高即为4，5，6，7层油页岩重复开采导水裂缝带最大波及范围，结果为38.4m，略小于经验公式法的44.03m，分析认为是模拟参数设置差异与边界较理想所致，为了安全起见，选取经验公式法结果作为最终预计结果。

5结论

(1)为了保证矿井生产安全，运用数值模拟软件FLAC3D对油页岩开采所形成的覆岩破坏高度进行预计，模拟预计结果与经验公式预计结果进行了对比分析和相互验证。

(2)运用《“三下”采煤规程》中关于软弱覆岩岩性下的导水裂缝带高度预计公式对近距离多层油页岩开采的覆岩破坏高度作出预计，得到了比较理想的结果。

(3)阐明了近距离多层油页岩重复开采时，已采油页岩层的导水裂缝带最大波及高度并不是各层油页岩开采的高度最大值，而是各层的导水裂缝带顶点最大标高，即导水裂缝带所能导通的标高最高点。

[参考文献]

[1]康永华，孔凡铭，孙凯.覆岩破坏规律的综合研究技术体系 .煤炭科学技术，1997，25(11)：40-43.

[2]李杰，张俊英，马丕梁，等.综采工作面覆岩破坏高度实测研究 .煤矿开采，2012，17(2)：82-85.

[3]王东，王猛.谢桥煤矿1201(3)工作面覆岩导水裂缝带高度预测 .煤矿安全，2008，39(12)：14-17.

[4]王惠兵，高荣斌，毛增民.软弱覆岩的两类结构模式及对导水裂缝带高度的抑制性 .能源技术与管理，2009(3).

[5]陆泓，崔增娣.不同覆岩组合及开采条件导水裂缝带探测研究 .三峡库区地质环境暨第二届中日地层环境力学国际学术讨论会论文集，1996.

[6]许延春，李俊成，刘世奇，等.综放开采覆岩“两带高度的计算公式及实用性分析” .煤矿开采，2011，16(2)：4-7，11.

[7]杨创奇，展国伟，张鑫.FLAC3D中覆岩破坏状态方式分析及应用.四川理工学院学报(自然科学版)，2008(3)：111-113.