沙吉海煤矿厚煤层综放开采覆岩破坏特征研究

李东发，宋业杰，李　磊

(1.国网能源和丰煤电有限公司沙吉海煤矿，新疆 塔城 834406；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)



沙吉海煤矿厚煤层综放开采覆岩破坏特征研究

李东发1，宋业杰2，李磊2

(1.国网能源和丰煤电有限公司沙吉海煤矿，新疆 塔城 834406；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

应用室内相似材料模拟和地表钻孔实测方法，对沙吉海煤矿侏罗系中统厚煤层综放开采的覆岩破坏特征进行研究，实测得出了该矿B10煤层开采的覆岩破坏高度，明确了采动裂缝发育的基本特征。研究表明，B10煤层开采的覆岩破坏最大高度可以按照裂采比13.59、垮采比3.80进行预计。研究结论可为沙吉海煤矿及新疆地区类似条件矿井受水害威胁煤炭资源的安全回收提供可靠的数据支撑。

厚煤层；综放开采；覆岩破坏；相似材料模拟；实测研究

煤层开采后覆岩发生失稳破坏，形成沟通上覆含水层的采动裂缝，覆岩采动裂缝的发育高度及形态决定了水体下采煤的安全性和可靠性，搞清覆岩破坏规律是实现水体下安全采煤的必要前提[1-2]。

国内学者针对覆岩破坏规律进行了大量的实测与研究工作，指导了我国水体下煤炭资源的安全回收。刘天泉院士对我国煤矿开采覆岩破坏与裂缝分布作了大量的实测和理论研究，根据不同地质条件和开采方法，通过实测数据统计分析了覆岩破坏的特征、形态和最大高度，给出了不同覆岩条件下的垮落带和裂缝带发育高度的计算公式[3]；康永华研究了水体下采煤覆岩破坏规律的基本原理、研究内容与方法、测试技术与手段以及实施步骤，分析了覆岩岩性、结构及岩柱厚度对垮落带、导水裂缝带发育高度的影响，并依据实测资料，总结了不同开采方法对导水裂缝带发育高度及其分布形态的影响[4-6]；许延春依据综放开采工作面不同类型覆岩的“两带” 高度实测数据，采用数理统计回归分析的方法，得出了适用于综放开采工作面中硬、软弱覆岩条件下的“两带”高度计算的经验公式[7]；张玉军将钻孔彩色电视系统应用于煤层采前覆岩、采动覆岩以及老采空区覆岩裂隙特征的钻孔探测中，直观地研究了覆岩裂隙分布演化特征，实现了覆岩采动裂缝发育特征的精细化研究[8]；申宝宏、陈佩佩等分别应用神经网络方法、高密度电阻率法、相似材料模拟和数值模拟等方法对覆岩破坏规律进行了研究[9-12]。

目前，覆岩破坏规律研究手段已较为丰富，针对不同开采条件和开采方法的覆岩破坏规律研究也在逐步完善，但受煤炭资源开发利用的区域性影响，研究成果多集中在东部地区，在煤炭资源开发时间较晚的新疆地区，覆岩破坏规律研究较少[13]，实测数据缺乏，而近年来，新疆地区煤炭资源开发力度空前，许多矿井存在着积水采空区下、富水含水层下、地表水体下等不同水体压煤开采问题，覆岩破坏高度及其发育形态特征已成为解决此类水体压煤的关键。为此，以新疆塔城地区沙吉海煤矿为研究对象，针对侏罗系厚煤层综放安全开采问题，应用相似材料模拟及现场实测相结合的方法，研究了该矿B10煤层开采的覆岩破坏规律，为沙吉海煤矿及新疆地区类似条件矿井安全开采提供科学可靠的数据支撑。

1　矿井概况

沙吉海煤矿位于准噶尔盆地西北缘，隶属于和什托洛盖特大型煤田，矿井东西走向长约7.94km，南北宽约3.2～3.7km，面积约27.4km2。矿井B1003W01首采工作面倾斜宽200m，推进长度约2000m，工作面范围内B10煤层厚度为7.0～8.2m，平均7.6m。B10煤层覆岩属软弱类型，岩性以中、粗砂岩和粉砂质泥岩为主，含少量砾岩。B10煤层顶板赋存有头屯河组和西山窑组两个含水层，含水层富水性均为弱至中等，其中头屯河组含水层距离B10煤层约120m，西山窑组含水层属B10煤层直接顶板含水层，两个含水岩层均为弱胶结的厚层中、粗砂岩，富水性好，采动裂缝波及后，不仅有涌水威胁，还存在着溃砂的可能，是矿井安全生产的主要水害隐患。B10煤层采用综合机械化放顶煤开采工艺，开采强度高、覆岩采动破坏剧烈，采动裂缝一旦波及到上覆含水层，将对矿井的正常生产造成重要影响。

2　B10煤层综放开采覆岩破坏特征研究

2.1覆岩破坏特征相似模拟研究

试验模型以B10煤层顶底板岩性柱状图和地质资料为原始条件，以B10煤层为研究对象，建立覆岩破坏高度模拟的二维相似材料模型，试验台尺寸为：4.2m×0.25m×1.7m(长×宽×高)，均采用平面应力模型。模拟开采厚度5m，垂向模拟范围为B10煤层底板以下30m至顶板以上140m，分析B10煤层开采时覆岩移动规律及垮落带高度，进行覆岩岩层移动破坏特征观测。

根据相似原理[14]和B10煤层地质采矿条件[15]，设几何相似比为100，容重比为1.6，其应力比为160，时间相似常数为10。模型工作面推进期间的覆岩破断失稳过程如下：

(1)掘进切眼围岩未出现任何可见的变形和移动。

(2)初采开采至20m时，直接顶离层且初次垮落，工作面前方垮落角为48°，后方垮落角是57°，垮落高度4m。

(3)初次来压推进45m时，基本顶初次来压。上覆岩层出现较大变形和垮落，垮落带高度为12.5m，见图1(a)。

(4)工作面推进至稳定状态垮落带稳定在19m，垮采比为3.80，下部离层逐渐闭合(32m处)，并向工作面推进方向延展，导水裂缝带高度发育并稳定在68m，裂采比为13.60，见图1(b)。

图1　相似试验过程采动覆岩形态变化

对工作面顶板12条观测线、共228个测点的位移数据进行统计分析，得出不同深度的顶板岩层下沉量时空变化规律。试验结果表明，随着距煤层顶板距离的减小，顶板位移量逐渐增大，分析其原因是由于顶板垮落形成一定的碎胀系数，从而减小了上覆岩层位移量的变化，而导水裂缝带内部岩体的顶板下沉量明显变小，导水裂缝带以外的岩层变化量不明显。受覆岩软硬交互沉积特征影响，在整个下沉过程中各点的下沉并非完全同步，而呈非连续性，彼此之间存在着缝隙。当工作面继续向前推进时，模型下部离层缝隙逐渐减小或闭合，上部岩层又产生新的离层空间，并且不断向上传递，离层缝隙的总体趋势是由大到小。在靠近开切眼及停采线附近的岩层中存在着永久性的竖向缝隙。

2.2覆岩破坏特征钻孔实测研究

钻孔实测研究是准确获取覆岩破坏规律的可靠方法，因其直接在已采区域施工观测钻孔，针对性强，数据可信度高，对矿井生产更具有现实指导意义。依据相关标准[17-18]，在B1003W01工作面设计施工了覆岩破坏高度观测钻孔CH01(图2)，在倾斜方向距离工作面运输巷20m，走向方向距离工作面切眼450m，分别应用钻孔冲洗液漏失量观测和钻孔彩色电视成像探测方法，研究了B10煤层开采的覆岩破坏规律。

图2　实测钻孔位置

2.2.1钻孔冲洗液漏失量观测

钻孔冲洗液漏失量观测结果如图3所示。钻孔冲洗液漏失量观测从195.10m开始，至209.74m冲洗液消耗量突然增加，至214.85m冲洗液全部漏失，钻孔水位变化的观测从195.10m开始，钻进至210.82m提钻后，孔内水位由52.80m骤降至182.45m，至224.08m时孔内测不到水位。出现冲洗液消耗量突增及钻孔水位大幅下降的现象是覆岩受到较明显的采动破坏性影响；钻进至273m后出现明显卡钻、别钻现象，起钻后岩芯破碎，下部层段岩芯呈块状，这是进入垮落带的典型现象。分析冲洗液漏失量观测结果、钻探取芯和钻进异常现象，钻孔施工位置的导水裂缝带高度为78.52m，垮落带高度为16.32m，该位置实际采出煤厚6m，则裂采比为13.09，垮采比为2.72。

图3　钻孔冲洗液漏失量观测成果

2.2.2钻孔电视探测

分析钻孔电视成像探测结果(图4)，钻孔206.72m以下覆岩裂隙发育连续，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，是采动裂隙发育的典型特征；孔深272.46m以下裂隙宽大，裂隙间有较大的岩块脱落，越往深部孔壁完整性越差，探测段末端可见岩块堆叠杂乱，是垮落带的典型特征。

图4　CH02钻孔彩色电视探测成果

导水裂缝带观测高度为81.54m，垮落带观测高度为16.86m，裂采比13.59，垮采比2.81。从裂缝发育形态上看，在岩层强度较软弱的中、粗砂岩段，采动裂缝以纵横交错裂缝为主，裂缝面宽，裂缝延展较短，孔壁掉块、坍塌现象多见。

2.3相似实验与实测结果对比分析

与覆岩破坏规律研究的观测成果相比，相似材料模拟试验的覆岩破坏高度与地面钻孔实测数据较为吻合。综合以上两种手段的研究结果，为安全起见，B10煤层综放开采的覆岩破坏最大高度可按裂采比13.59、垮采比3.80进行预计。

3　结　论

综合本文研究，沙吉海煤矿B10煤层开采的覆岩破坏规律具有以下基本特征：

(1)综合相似材料模拟和钻孔实测研究成果，沙吉海煤矿B10煤层综放开采的覆岩破坏最大高度可按裂采比13.59、垮采比3.80进行预计，相似材料模拟结果与实测结果高度一致。

(2)受覆岩软硬交互沉积特征影响，采动后整个下沉过程中各点的下沉并非完全同步，而呈非连续性，软硬交互岩层界面存在着离层裂缝。

(3)钻孔电视成像探测可以直观地展现孔壁裂缝发育形态，提高实测结果的观测精度，反映出的覆岩采动裂缝发育形态有如下特点：在岩层强度较高的泥岩及粉砂岩段，采动裂缝以高角度纵向裂缝为主，裂隙面窄，裂缝延展长，在岩层强度较软弱的中、粗砂岩段，采动裂缝以纵横交错裂缝为主，裂缝面宽大，裂缝延展较短，孔壁掉块多见。

本文研究填补了新疆地区厚煤层综放开采覆岩破坏规律实测数据的空白，研究结论对沙吉海煤矿后续煤层开采及新疆地区类似条件煤炭资源开采及矿井防治水工作都具有指导意义。

[1]国家煤炭工业局.《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》[M].北京：煤炭工业出版社，2000.

[2]国家安全生产监督管理总局.《煤矿防治水规定》[M].北京：煤炭工业出版社，2009.

[3]煤炭科学研究院北京开采研究所.煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用[M].北京：煤炭工业出版社，1981.

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

[5]康永华.覆岩性质对“两带”高度的影响[J].煤矿开采，1998，5(1)：52-54.

[6]康永华.采煤方法变革对导水裂缝带发育规律的影响[J].煤炭学报，1998，23(3)：262-266.

[7]许延春，李俊成，刘世奇.综放开采覆岩“两带”高度的计算公式及适用性分析[J].煤矿开采，2011，16(2)：4-8.

[8]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.

[9]申宝宏，孔庆军.综放工作面覆岩破坏规律的观测研究[J].煤田地质与勘探，2011(5)：42-44.

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[11]刘盛东，吴蓉新，张平松，等.高密度电阻率法观测煤层上覆岩层破坏[J].煤炭科学技术，2001，29(4)：18-21.

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[13]宋业杰，张玉军，胡炳南.积水采空区下厚煤层综放开采技术[J].煤矿安全，2014，45(6)：79-82.

[14]邱绪光.实用相似理论[M].北京：北京航空学院出版社，1988.

[15]新疆准西北煤田和布克赛尔蒙古自治县沙吉海井田勘探报告[R].2007.

[16]廖红建.岩土工程数值分析[M].北京：机械工业出版社，2009.

[17]MT/T865-2000.导水裂缝带高度的钻孔冲洗液漏失量观测方法[S].2000.

[18]MT/T 1076-2008.煤炭地质钻探规程[S].2008.

[责任编辑：张玉军]

Overburden Strata Broken Characters of Fully Mechanized Top Coal Caving with Thickness Coal Seam in Shajihai Coal Mine

LI Dong-fa1，SONG Ye-jie2，LI Lei2

(1.Shajihai Coal Mine，State Grid Energy Hefeng Coal & Electricity Co.，Ltd.，Tacheng 834406，China；2.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

Overburden strata broken character of fully mechanized top coal caving with thickness coal seam of Middle Jurassic in Shajihai coal mine were studied by similar material simulation indoor and surface drilling.The overburden strata broken height of B10 coal seam mining was obtained by filed research，the basic characters of mining fracture zone development was determined.The research showed that the maximal overburden strata broken height of B10 coal seam could be predicted according fracture-mining ratio 13.59 and collapse-mining ratio 3.80.The conclusions could referenced for coal resources recovery that influenced by water of Shajihai coal mine or other similar coal mine in Xinjiang.

thickness coal seam；fully mechanized top coal caving；overburden strata broken；similar material simulation；filed research

2015-12-24

中国煤炭科工集团科技创新基金面上项目(2014MS004)

李东发(1982-)，男，山东菏泽人，现从事矿井建设、生产和技术管理等工作。

TD325

A

1006-6225(2016)05-0068-03

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.05.019

[引用格式]李东发，宋业杰，李磊.沙吉海煤矿厚煤层综放开采覆岩破坏特征研究[J].煤矿开采，2016，21(5)：68-70，105.