厚煤层开采覆岩破坏及隔水层失稳机理分析

白海滔

（山西阳煤集团股份有限公司 五矿，山西 阳泉 045209）

所谓厚煤层，是指井工开采3.5 m以上、露天开采10 m以上的煤层。我国厚煤层产量占原煤总产量的45%左右，是厚煤层储量、开采大国。为寻求强化厚煤层开采工艺、提升技术水平和安全水平，研究人员针对厚煤层开采覆岩破坏、粘土隔水层采动失稳等提出过多种理论，其中相当一部分为实际工作带来了较大帮助，对上述内容进行分析，具有一定的现实意义。

1 厚煤层开采覆岩破坏规律

1.1 瞬间破坏

厚煤层开采的方法较为多样，目前常见的是综采方法，该方法借助大型机械进行割煤。机械工作对煤层及覆岩结构均会产生较大的影响，如果勘察工作不足（比如覆岩岩性组合、厚度、力学性质等），进行综采工作时，可能导致严重的瞬间破坏。瞬间破坏包括厚岩层瞬间破坏、薄岩层瞬间破坏两类，二者在规律上存在一定差别。结合现有资料，发现厚岩层瞬间破坏规律为力失衡导致的垂直负载快速增加，覆岩严重破碎，甚至造成垮塌事故。薄岩层的破坏规律为力失衡导致水平拉应力和垂直负载同时增加，导致覆岩出现局部破碎。瞬间破坏在厚煤层开采中较为少见，但可能带来严重的生产安全事故。

1.2 长期破坏

厚煤层通常储量丰富，因此开采时间可能在几个月甚至1年以上，在长期的煤炭开采作业中，覆岩会遭受持续的破坏。这种破坏也分为两种类型，即厚岩层长期破坏和薄岩层长期破坏。厚岩层长期破坏会导致岩层的不均匀沉降，在自身重力和长期机械外力的作用下，厚岩层的局部位置持续下降，出现岩体扭曲、挤压等情况，一般只要机械作用力低于岩体受力上限，扭曲以及挤压不会导致垮塌事故。薄岩层长期破坏的规律是岩体完整性、刚度的下降，在长期采煤作业中，薄岩层也面临沉降问题，这种沉降往往带有不均匀性，由于薄岩层本身的刚度不足，沉降的持续导致岩体不同位置受力差异持续增加，岩体表明拉应力不均匀性日益严重，最终导致岩体破裂。与厚岩层长期破坏相同，这种破裂的危害一般不大。

2 厚煤层开采粘土隔水层采动失稳机理

2.1 竖向移动变形失稳

在厚煤层开采过程中，粘土隔水层与覆岩层同样十分常见，与一般岩层不同，粘土隔水层的稳定性一般更高，较少发生垮塌，但可能产生裂缝，出现渗水事故，影响采煤工作。结合现有资料进行研究，发现竖向移动变形失稳是粘土隔水层采动失稳的主要机理之一。所谓竖向移动变形失稳，是指在厚煤层开采过程中，由于开采强度大，粘土层在竖直位置上出现小幅、缓慢位移，导致原有应力平衡被打破，水流等向位移处集中，导致失稳。这种失稳一般需要通过加设支护设备加以解决，避免受力点持续受力、超过承载上限导致渗水等问题。英国南安普顿在20世纪早期曾出现一次严重的渗水事故，该事故的核心原因是安检人员未能及时发现受力情况的变化，导致支护结构破损所致，该事故也给我国采煤工作提供了借鉴。

2.2 水平移动变形失稳

水位移动变形在粘土隔水层中出现的几率相对较低，当厚煤层不同采煤区域存在较为明显的水平落差时，才可能出现粘土隔水层的水平移动变形失稳。厚煤层的主要特点是煤层储量大、厚度较大，而自然形成的煤层往往不会处于同一水平位置；在进行开采作业时，不同矿井之间也可能存在1 m，甚至5 m以上的落差，这种情况下粘土隔水层就可能出现水平移动变形失稳。该变形情况会导致水平拉应力、垂直拉应力被破坏，受力点改变，粘土隔水层会寻找新的应力平衡。在此过程中，小幅位移不断出现，裂缝也可能因此产生，最终出现渗水事故。

2.3 厚度变化失稳

厚度变化失稳的发生率最低，一般粘土隔水层的厚度是相对固定的，即便地下采煤过程中出现较为强大的机械动能，也不会严重影响粘土隔水层厚度，但如果地下水水位较高，可能导致冲刷力量改变，在水流冲击和机械动能、自重的多重影响下，粘土隔水层厚度会渐渐出现少许变化，这种变化带来的直接影响是受力点的移动，受力点的改变则导致粘土隔水层力平衡的改变，并随着开采作业进行而持续增加，如果粘土层较为松散，很可能出现水流下渗的情况，影响采煤作业。对国内外155起煤矿事故进行分析，获取粘土隔水层采动失稳的三种类型比例如表1所示。

3 厚煤层开采相关建议

辽宁某地厚煤层井工开采，开采厚度为4.9 m，建有矿井4处，储量较大，为保证工作安全，矿方选派技术人员对煤层进行勘测，并应用了相关措施，保证了工作安全。

3.1 详细勘测煤层状况

针对上述问题，矿方在厚煤层开采作业进行前，首先对煤层状况进行详细的勘测，了解煤层上下岩质、岩体状况及地下水水位等信息，针对性地拟定开采计划。煤层周围岩体结构较为致密、岩层较厚，可以进行常规综采作业；另一部分煤层周围存在砂石、松散粘土，矿方拟定计划在开采过程中增加支护，并设计大量三角形的导力构建，将来自煤层上部的应力传导至地下，提升工作安全性。地下水水位方面较为理想，为强化防渗效果，矿方增设水位监测系统，随时了解水位变化，指导开采作业，确保了工作安全。

3.2 降低机械工作瞬时强度

结合现有资料，煤矿人员发现，无论覆岩的长期破坏、瞬时破坏，还是粘土隔水层出现采动失稳，均与机械工作强度密不可分，尤其是瞬时破坏，大量塌方与高强度机械工作相关。在厚煤层开采作业中，矿方适当降低了机械工作瞬时强度，确保覆岩稳固、粘土隔水层结构稳定后，再进行高强度机械作业。此外，为保证工作安全，矿方在进行开采工作时加强了支护结构，提升设计水平，尤其注重应力的传导。支护设计的主要作用是在煤层周围出现力失衡的情况下，改变受力情况，对主要受力点变化后的垂直拉应力、水平拉应力传导至地下。设计人员结合需要设计了可靠的支护结构，保证了采煤作业的安全。煤矿地下支护结构设计见图1。

图1 煤矿地下支护结构设计

4 结语

通过分析厚煤层开采覆岩破坏规律及粘土隔水层采动失稳机理，了解了相关理论内容。厚煤层开采面临的问题带有自身特殊性。包括覆岩破坏以及粘土隔水层采动失稳等。覆岩破坏受到掘进速度、机械强度影响，包括瞬时破坏和长期破坏两个类型，粘土隔水层采动失稳则体现在竖向、水平、厚度变化三个方面。后续工作中，应详细勘测煤层状况、降低机械工作瞬时强度、强化支护结构，以保证工作安全。