准东巨厚煤层分层开采覆岩移动规律相似模拟试验∗

娄 芳,王 震,贾永勇,金士魁

(1.新疆维吾尔自治区煤炭科学研究所, 新疆乌鲁木齐 830091; 2.中国矿业大学矿业工程学院, 江苏徐州市 221116)

准东巨厚煤层分层开采覆岩移动规律相似模拟试验∗

娄 芳1,2,王 震1,贾永勇1,金士魁1

(1.新疆维吾尔自治区煤炭科学研究所, 新疆乌鲁木齐 830091; 2.中国矿业大学矿业工程学院, 江苏徐州市 221116)

针对新疆准东大井矿区二号井B1煤层赋存地质特征,运用关键层理论对其覆岩结构进行判断分析,采用试验研究的方法建立相似模拟试验模型,研究巨厚煤层分层开采过程中覆岩破断、沉降规律。试验结果表明:巨厚煤层分层开采覆岩破坏高度达到221.24 m,其中跨落带98.3m,裂隙带138.2m;基本顶及各亚关键层破断失稳后急剧下沉,随工作面的推进不断被压实、岩层间离层(横向裂隙)逐渐闭合,形成具有一定承载能力的“铰接结构”,当第三分层回采完毕,主关键层下部与下位岩层的离层空间达到最大。

巨厚煤层;分层开采;覆岩移动规律;相似模拟

0 引 言

目前,国内外很多学者在厚煤层开采技术方面做了大量的研究,尤其是对厚煤层开采的基础研究与现场实践均积累了丰富的研究成果,但大多数研究成果主要集中在20m厚以下煤层,而对赋存超过20m的巨厚煤层开采研究较少。新疆准东煤田位于新疆准噶尔盆地东部的奇台、吉木萨尔等县境内,资源预测储量达3900亿t,是中国目前最大的整装煤田[1]。准东煤田分为五彩湾、大井、西黑山和将军庙4个矿区,其中大井矿区位于准东中部,矿区内主要含煤地层为中侏罗统西山窑组,主要发育1个煤层,厚度19～87m,为巨厚煤层。针对矿区内巨厚煤层赋存条件,目前设计采用分层综放开采工艺,未来该巨厚煤层将面临“大尺度开采空间”及“多次重复开采扰动”等现象[2],这使得巨厚煤层开采的技术显著区别于中厚煤层开采。应用传统的厚煤层开采理论已经难以适应巨厚煤层开采的需要,因此目前亟需相应的理论指导来确保巨厚煤层安全高效开采。本研究针对准东矿区巨厚煤层的地质赋存特征展开深入研究,这不但能够进一步丰富巨厚煤层理论体系,为巨厚煤层安全高效开采提供理论依据,而且可为矿区开采地表沉陷控制、脆弱生态区保水开采等提供参考借鉴,对国家能源战略西部转移及可持续发展有着重要意义。

1 工程概况

准东大井矿区二号井处于矿区中南部,规划规模为30.0Mt/a。其主采煤层为B1煤层,可采厚30.30～70.57m,平均53.16m,属全区可采、稳定的巨厚煤层,煤层倾角较缓,仅1°～3°,局部较陡,最大约6°。煤层顶板为粗－中砂岩、细砂岩、泥岩、含炭泥岩为主,个别为粉砂质泥岩、砂砾岩、高炭泥岩、含砾粗砂岩。根据煤层赋存特点,设计采用分层综放采煤方法,全部垮落法管理顶板。B1煤层上覆岩层的赋存情况及物理力学参数见表1。

2 覆岩关键层判别

2.1 关键层判别方法

根据关键层理论[3-5],关键层判别方法分为以下3个步骤进行:

第1步,由下往上确定覆岩中的坚硬岩层位置,坚硬岩层是指那些在变形中挠度小于其下部岩层,而不与其下部岩层协调变形的岩层,其判别式为:

式中,hi,Vi,Ei分别为第i岩层的厚度、容重、弹性模量(i＝1,2……m)。

第2步,计算各硬岩层的破断距,硬岩层破断距采用两端固支梁模型计算,则第k层硬岩层破断距Lk可由下式计算:

式中,hk为第k层硬岩层的厚度,m;ek为第k层硬岩层的抗拉强度,MPa;qk为第k层硬岩层承受的载荷,MPa。

第3步,按以下原则对各硬岩层的破断距进行比较,确定关键层位置。

(1)第k层硬岩层若为关键层,其破断距应小于其上部所有硬岩层的破断距,即满足:

(2)若第k层硬岩层破断距Lk大于其上方第k＋1层硬岩层破断距,则将第k＋1层硬岩层承受的载荷加到第k层硬岩层上,重新计算第k层硬岩层的破断距。若重新计算的第k层硬岩层的破断距小于第k＋1层硬岩层的破断距,则取Lk＝Lk＋1;说明此时第k层硬岩层破断受控于第k＋1层硬岩层,即第k＋1层硬岩层破断前,第k层硬岩层不破断,一旦第k＋1层硬岩层破断,其载荷作用于第k层硬岩上,导致第k层硬岩随之破断。

(3)从最下一层硬岩层开始逐层往上判别Lk＜k＋1,(k＝1,2,…)是否成立,及当Lk＞Lk＋1时重新计算第k层硬岩层破断距。

2.2 关键层判别结果

根据关键层的判别条件,结合表2中B1煤层上覆岩层分布情况,确定了B1煤上覆岩层各个关键层,计算结果见表2。

表1 B1煤层上覆岩层赋存情况及物理力学参数

表2 关键层判定结果

3 巨厚煤层分层开采相似模拟试验

3.1 物理相似模型的建立

物理模型铺设规格为:长×宽×高＝3.0m× 0.3m×1.75m,结合确定的物理模型规格,运用相似理论三定律,确定模型的主要相似系数:几何比为al＝200;容重比ar＝1.6;时间比at＝10;材料强度相似比为aR＝al×ar＝320:模型两端留设50cm的边界煤柱,相当于实际100m,煤层分层开采长度为200cm,等于实际情况下开采长度400m。煤层采用下行分层开挖模式,共分3层,分层采高18m,煤层分层开采煤层开切眼位于模型左侧,自左向右开挖工作面,每次开挖5cm等于实际情况下每天工作面开采10m。

根据相似材料选择及其配比的相关基本原理,物理模拟试验中以水、碳酸钙、沙子和石膏为相似材料,按强度相似比ar＝320配成,参考B1煤层覆岩实际岩石力学参数,相似模拟材料配比方案如表3所示。

为监测田B1巨厚煤层不同岩层位移变化特征,在模型主要岩层布置了6条位移监测线,其中测线1位于直接顶下部,测线2位于老顶上部,测线3,4分别位于亚关键层2、亚关键层3,在主关键层上部及下步分别布置2条测线。每条监测线设置29个测点,覆岩位移的监测采用DigiMetric天远三维摄影测量系统,模型各测点及位移监测线具体布置方案如图1所示。

3.2 模拟结果分析

3.2.1 覆岩破坏特征模拟结果分析

当工作面推进至25m时,直接顶垮落,见图2;随着工作面的向前推进,直接顶跨落范围不断增加,造成基本顶悬露面积加大,基本顶下步岩层开始失稳破断,当工作面向前推进55m时基本顶初次垮落,工作面发生初次来压,见图3,基本顶初次来压跨落步距约50～65m。推进至100m时,基本顶再次垮落,工作面第二次周期来压;随工作面推进,距离工作面后方较远处采空区冒落带逐渐压实,其上方岩层移动趋于稳定,裂隙基本不再发育,而工作面附近覆岩裂隙随工作面推进而不断增大。此后基本顶发生周期性断裂,周期来压步距约为40～45m,破断的基本顶形成具有一定稳定性的“铰接”结构。

表3 相似材料配比

第一分层开挖完毕,亚关键层1发生破断,裂隙发育高度延伸到亚关键层3的下部,但亚关键层3的下沉变形量不大,仍保持较好的连续性,垮落带达到亚关键层2下部,跨落区呈梯形分布。第一分层回采完毕后,垮落带高度为36m,裂隙带高度55 m。如图4所示。

图1 测线布置

图2 直接顶初次跨落

图3 基本顶初次跨落

图4 第一分层回采完毕

待第一分层回采结束覆岩运动稳定之后,进行第二分层开挖。由于第二分层第一分层的采空区下方,处于应力降低区,第二分层的周期来压没有第一分层明显。第二分层工作面直接顶为第一分层回采后冒落矸石,相对比较松散,随第二分层工作面的推进,顶板随采随冒。受二次采动的影响,基本顶在第一分层回采时形成的铰接结构进一步破断,工作面推进120m时亚关键层2下沉量迅速增大,导致其失稳破断。第二分层开挖结束后裂隙带发育到主关键层下部,垮落带进一步增加达到54m。

第三分层开挖后,煤层采出的空间进一步增大,对上覆岩层再次造成扰动。随工作面的推进,采空区上方顶板岩层冒落并最终被上覆岩层压实,上覆岩层产生更大弯曲下沉,导致覆岩破坏高度继续向上发育。当工作面推进160m时,亚关键层3的位移急剧增加,亚关键层3发生破断。如图5所示,随着第三分层继续开挖,裂隙逐渐发展到主关键层的下部,且主关键层与其下部岩层产生较大的离层空间,第三分层开挖结束后,主关键层没有破断,主关键层的存在有效阻止了裂隙继续向上发育,对上覆岩层起着主要的支撑作用。

3.2.2 覆岩位移变化模拟结果分析

随各分层开采完毕,直接顶、亚关键层2及主关键层的下沉曲线。直接顶最大下沉量随各分层的开采逐步增加,增大幅度基本一致;亚关键层2在第二分层开采时失稳破断,其二分层下沉量相对第一分层急剧增加,但二、三分层开采后亚关键层2下沉量变化不大,表明其下位岩层基本顶和亚关键层1形成了具有一定承载能力的“铰接结构”;主关键层在3个分层开采后下沉量变化不大,表明主关键层仅发生弯曲变形,没有破断。见图6～图8。

图6 各分层开采后直接顶下沉曲线

图7 各分层开采后关键层2下沉曲线

图8 各分层开采后主关键层下沉曲线

4 结 论

(1)结合B1巨厚煤层覆岩分布特征,利用关键层及材料力学等相关理论确定了B1煤层上覆岩层共赋存四层主亚关键层,分别为亚关键层1(细砂岩,8.4m)、亚关键层2(细砂岩,15m)、亚关键层3 (粉砂岩7.0m)及主关键层(中砂岩,49m),距离煤层顶板高度分别为20.8,38.4,105.2m及141.5m。

(2)通过物理相似模拟试验,B1巨厚煤层第一分层回采完毕亚关键层1发生破断,裂隙带迅速发育至亚关键层2下部,覆岩破坏高度为105.11m (垮落带高度36m,裂隙带高度70.1m);第二分层的开采导致亚关键层2破断,覆岩破坏高度增大到182.5m,其中跨落带52.3m,裂隙带130.2m;第三分层开采亚关键层3破断,覆岩破坏高度向主关键发育,主关键层下部产生明显裂隙,但随着第三分层的开采主关键层并没有失稳,覆岩破坏高度达到221.24m,其中跨落带98.3m,裂隙带138.2m。

(3)基本顶及各亚关键层破断失稳后急剧下沉,随工作面的推进不断被压实、岩层间离层(横向裂隙)逐渐闭合,形成具有一定承载能力的“铰接结构”,而“铰接结构”上位岩层间离层(横向裂隙)继续发育,当第三分层回采完毕,主关键层下部与下位岩层的离层空间达到最大,为了防止主关键层破断导致地表大面积下沉以及工作面发生大面积来压,建议在该关键层下部离层区注浆以维护主关键层的稳定性。纵向裂隙在停采线出发育显著,该处应加强矿井突水防治措施。

[1]新疆准东成我国最大整装煤田[N].亚洲中心时报(汉), 2009-06-02.

[2]许猛堂.新疆巨厚煤层开采覆岩活动规律及其控制研究[D].徐州:中国矿业大学,2014.

[3]钱鸣高,缪协兴.岩层控制中的关键层理论研究[J].煤炭学报,1996(3):225-230.

[4]钱鸣高,缪协兴,许家林,等.岩层控制的关键层理论[M].徐州:中国煤炭出版社,2003.

[5]许家林,钱鸣高.覆岩关键层位置的判别方法[J].中国矿业大学报,2000,29(5):464-467.

2017-04-28)

娄 芳(1983－),男,山西沁源人,工程师,现主要从事矿山压力与岩层控制方面的研究,Email:17015536＠

新疆自治区科研机构创新发展专项资金项目(2015013).

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