吳洪勝 董立軍 張國(guó)紅 徐文達(dá) 胡鵬軍

（中海油新能源（準(zhǔn)格爾）煤基能源有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗，010300）

特厚煤層開(kāi)采主亞關(guān)鍵層活動(dòng)特征及其對(duì)覆巖移動(dòng)的控制規(guī)律研究

吳洪勝 董立軍 張國(guó)紅 徐文達(dá) 胡鵬軍

（中海油新能源（準(zhǔn)格爾）煤基能源有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗，010300）

主亞關(guān)鍵層的活動(dòng)特征及其對(duì)覆巖移動(dòng)的控制規(guī)律是研究特厚煤層開(kāi)采頂板控制的主要依據(jù)。本文依據(jù)老三溝井田地質(zhì)條件和賦存狀況，通過(guò)物理相似模擬試驗(yàn)的方法，分析研究準(zhǔn)格爾中部礦區(qū)老三溝井田煤層開(kāi)采中主亞關(guān)鍵層活動(dòng)特征及其對(duì)覆巖移動(dòng)的控制作用。研究表明，基本頂（亞關(guān)鍵層）初次來(lái)壓步距在45m左右，周期來(lái)壓步距在15～20 m之間；當(dāng)工作面向前推進(jìn)約130m，主關(guān)鍵層彎曲下沉量增大，且在兩端發(fā)育縱向裂紋，而采空區(qū)中部覆巖壓實(shí)，裂隙逐步閉合；由于關(guān)鍵層位結(jié)構(gòu)的存在，使得開(kāi)采過(guò)程中覆巖的大范圍劇烈活動(dòng)降低了對(duì)工作面的影響。

煤層開(kāi)采 特厚煤層 關(guān)鍵層 覆巖移動(dòng) 移動(dòng)規(guī)律 老三溝井田

地下開(kāi)采破壞了巖體內(nèi)部原有的力學(xué)平衡狀態(tài)，使上覆巖層不同程度地變形、移動(dòng)和破壞。雖然在關(guān)鍵層理論和覆巖控制方面有不少研究成果，但針對(duì)準(zhǔn)格爾中部礦區(qū)的研究尚無(wú)系統(tǒng)性的闡述。為此，本文依據(jù)準(zhǔn)格爾中部礦區(qū)老三溝井田地質(zhì)條件和賦存狀況，通過(guò)物理相似模擬試驗(yàn)的方法，分析研究特厚煤層開(kāi)采主亞關(guān)鍵層的活動(dòng)特征及其對(duì)覆巖移動(dòng)的控制規(guī)律，為類似礦區(qū)井田煤層開(kāi)采提供參考借鑒。

1 老三溝井田地質(zhì)條件概況

老三溝井田地處內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市境內(nèi)，屬準(zhǔn)格爾旗大路鄉(xiāng)管轄。井田內(nèi)大部被第四系黃土覆蓋，在溝谷及兩幫可見(jiàn)白堊系下統(tǒng)基巖零星出露。含煤地層為上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組。太原組巖層以灰黑、黑色為主體色，以濱海沼澤相、泥炭沼澤相的細(xì)碎屑巖、泥巖和煤為主體巖性；山西組巖層以灰－黑灰泥巖和砂質(zhì)泥巖、灰白色砂巖為主，以沖洪相、河漫相和沼澤相的粗碎屑巖為主體巖性。井田含可采和局部可采煤層3層，分別是6＃、9＃、9下＃煤層，其中主采煤層為6＃煤層和9＃煤層，平均厚度分別為9.45m和10.84 m，煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，賦存較穩(wěn)定，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單。

2 物理模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)老三溝礦鉆孔綜合柱狀圖以及煤巖石力學(xué)參數(shù)，確定相似模擬材料配比。為清晰直觀地研究6＃煤層開(kāi)采后上覆巖層變形狀況，模型采用1∶100的比例設(shè)計(jì)。試驗(yàn)使用簡(jiǎn)易立體模型架，模型架長(zhǎng)2500mm，高1730mm，如圖1所示。老三溝井下開(kāi)采作業(yè)為“四六制”，工作面年進(jìn)度為1584m，每天約推進(jìn)4.8m。據(jù)此確定，在模型回采中，開(kāi)挖步距取為50mm，開(kāi)挖時(shí)間間隔為20min，按此速度回采，一直到工作面的終采線。

圖1 物理模擬原始模型

左邊留設(shè)500mm邊界，右邊留設(shè)500mm邊界，工作面每步開(kāi)采50mm，采高為35mm，開(kāi)挖間隔按照時(shí)間相似比進(jìn)行。每開(kāi)采一步記錄一次數(shù)據(jù)并拍照，同時(shí)當(dāng)有明顯現(xiàn)象時(shí)亦對(duì)模型進(jìn)行素描。

3 主亞關(guān)鍵層活動(dòng)特征及覆巖垮落規(guī)律

由文獻(xiàn)［6］可知，基巖厚度大于60m，覆存兩層關(guān)鍵層（一個(gè)稱主關(guān)鍵層，一個(gè)稱亞關(guān)鍵層），主關(guān)鍵層位于垮落帶之上，基本頂為亞關(guān)鍵層。

至模型邊界500mm處開(kāi)挖100mm（對(duì)應(yīng)原型值10m，圖中尺寸均為原型值）作為切眼，6＃煤層工作面直接頂初次垮落與周期垮落情況如圖2所示。

圖2 6＃煤層工作面直接頂垮落狀況

工作面推進(jìn)15m時(shí)直接頂初次垮落，垮落的巖塊較破碎，塊度較小。工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，直接頂隨采隨垮；工作面推進(jìn)40m后，直接頂發(fā)生多次垮落，并造成采空區(qū)基本頂懸空現(xiàn)象，此時(shí)采空區(qū)基本頂中部可隱約看到縱向裂隙，基本頂呈現(xiàn)出一定的承載特性。

圖3 6＃煤層工作面基本頂初次來(lái)壓及周期來(lái)壓狀況

6＃煤層工作面基本頂初次來(lái)壓及周期來(lái)壓狀況如圖3所示?；卷攽铱蘸螅蚯巴七M(jìn)至45m后，直接頂再次垮落，基本頂同時(shí)達(dá)到極限跨距，發(fā)生初次垮落，造成工作面初次來(lái)壓，見(jiàn)圖3（a）；基本頂初次來(lái)壓時(shí)，由于直接頂厚度較小，難以充滿采空區(qū)，因此，基本頂回轉(zhuǎn)空間較大，發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn)，頂板下沉量較大，來(lái)壓強(qiáng)烈，對(duì)工作面及下伏垮落巖層沖擊作用較大。當(dāng)工作面開(kāi)挖65m后，基本頂下分層再次破斷，同時(shí)基本頂上覆巖開(kāi)始出現(xiàn)離層現(xiàn)象，見(jiàn)圖3（b）。繼續(xù)開(kāi)挖15m后，基本頂上分層垮落，上覆巖層出現(xiàn)較大離層，見(jiàn)圖3（c）。當(dāng)工作面開(kāi)挖至85m處時(shí)，基本頂再次破斷來(lái)壓，其上覆巖離層裂隙變大，特別是在粗砂巖層組之下，其最大離層量達(dá)到4m左右，呈現(xiàn)出關(guān)鍵層承載特性，見(jiàn)圖3（d）。

隨著工作面向前推進(jìn)，關(guān)鍵層下方離層裂隙繼續(xù)向前發(fā)展，推進(jìn)距離達(dá)到105m時(shí)，基本頂再次來(lái)壓，基本頂破斷塊具有以實(shí)體煤壁為支點(diǎn)向采空區(qū)旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，并在工作面推進(jìn)110m后，觸矸穩(wěn)定，此時(shí)仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)，又出現(xiàn)了以觸矸點(diǎn)為支點(diǎn)向工作面方向旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。工作面繼續(xù)推進(jìn)，當(dāng)推進(jìn)至115m時(shí)，基本頂再次發(fā)生周期性破斷，基本頂破斷塊體出現(xiàn)了穩(wěn)定的鉸接結(jié)構(gòu)，此時(shí)上覆巖層中的關(guān)鍵層開(kāi)始彎曲下沉，而關(guān)鍵層下方的離層開(kāi)始逐漸壓實(shí)，只是在開(kāi)切眼上方和工作面上方仍有較大離層裂隙，為“O”形圈的主要組成部分，即為覆巖離層注漿或瓦斯抽采所重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域，這也是粗砂巖覆巖關(guān)鍵層為主關(guān)鍵層的主要佐證之一，這一過(guò)程如圖4所示。這表明基本頂即為亞關(guān)鍵層。

圖4 關(guān)鍵層彎曲下沉過(guò)程示意

4 覆巖三帶發(fā)育特征及主亞關(guān)鍵層的控制作用

末采期間覆巖移動(dòng)情況如圖5所示，從圖5（b）可以看出，開(kāi)采6＃煤層后，其覆巖的破斷角約為65°左右，垮落帶高度約為45m，導(dǎo)水裂隙帶（即裂隙帶、垮落帶）約為130m，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至含礫粗砂巖層組中。在開(kāi)切眼和停采線附近有縱向裂隙貫通區(qū)，有可能成為采空區(qū)和工作面的導(dǎo)水通道。采空區(qū)中部重新壓實(shí)，裂隙基本完全閉合。

從圖2～圖5中可以看出，6＃煤層開(kāi)采過(guò)程中，基本頂初次來(lái)壓步距在45m左右，周期來(lái)壓步距在15～20m之間。在試驗(yàn)中采空區(qū)頂板基巖總是自下而上周期性地產(chǎn)生離層裂隙。隨著工作面的不斷推進(jìn)，頂板離層裂隙及豎向破斷裂隙自下而上不斷發(fā)育、發(fā)展，但由于冒矸充填部分采空區(qū)阻礙了亞關(guān)鍵層破斷塊體的回轉(zhuǎn)，形成暫時(shí)的鉸接平衡。由于中部運(yùn)動(dòng)受阻，在上覆載荷作用下，破斷巖塊朝反方向回轉(zhuǎn)而使靠采空區(qū)上方離層裂隙一定程度上被擠壓閉合。

圖5 末采期間覆巖移動(dòng)狀況

隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，亞關(guān)鍵層繼續(xù)周期來(lái)壓，采空區(qū)中部部分導(dǎo)水裂隙在工作面后方1～2個(gè)周期來(lái)壓步距后逐漸壓實(shí)閉合。當(dāng)工作面向前推進(jìn)130m左右，主關(guān)鍵層彎曲下沉量增大，且在兩端發(fā)育縱向裂紋。而采空區(qū)中部覆巖壓實(shí)，裂隙逐步閉合。由于亞關(guān)鍵層巖層形成了穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，末采位置處裂隙發(fā)育相對(duì)滯后，隨著時(shí)間的推移，工作面端的裂隙場(chǎng)逐步與切眼端裂隙場(chǎng)趨于一致。工作面停采時(shí)，采空區(qū)中部斷裂帶內(nèi)導(dǎo)水裂隙已基本壓實(shí)閉合，導(dǎo)水貫通裂隙僅在工作面和開(kāi)切眼附近較發(fā)育。整體來(lái)說(shuō)，雖然開(kāi)采過(guò)程中覆巖會(huì)產(chǎn)生大范圍的劇烈活動(dòng)，乃至垮落，但由于各巖層結(jié)構(gòu)的存在，特別是關(guān)鍵層位結(jié)構(gòu)的存在，使得覆巖的大范圍劇烈活動(dòng)對(duì)工作面的影響大大降低了。

5 觀測(cè)結(jié)果分析

圖6～圖7是開(kāi)采6＃煤層時(shí)覆巖中監(jiān)測(cè)點(diǎn)的垂直位移變化曲線，從監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直位移曲線可知，隨著工作面不斷推進(jìn)，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的垂直位移不斷增大，在工作面推進(jìn)到50m時(shí)，垂直位移開(kāi)始變化，說(shuō)明亞關(guān)鍵層破斷，覆巖開(kāi)始受到采動(dòng)影響，當(dāng)工作面推進(jìn)到110m左右時(shí)，垂直位移達(dá)到最大，說(shuō)明主關(guān)鍵層受到采動(dòng)影響產(chǎn)生破壞。

不同開(kāi)挖距離時(shí)水平位移曲線呈中心對(duì)稱曲線，如圖8所示。從水平位移曲線圖可以看出，隨著工作面的推進(jìn)水平位移同時(shí)增大。當(dāng)工作面推進(jìn)到150m時(shí)，在采空區(qū)中部位置水平位移為0，說(shuō)明工作面中部處在下沉盆地中部。

6 結(jié)論

（1）當(dāng)工作面開(kāi)挖至85m處時(shí)，基本頂再次破斷來(lái)壓，其上覆巖離層裂隙變大，呈現(xiàn)出關(guān)鍵層承載特性；當(dāng)推進(jìn)至115m時(shí)，基本頂再次發(fā)生周期性破斷，基本頂破斷塊體出現(xiàn)了穩(wěn)定的鉸接結(jié)構(gòu)，此時(shí)上覆巖層中的主關(guān)鍵層開(kāi)始彎曲下沉，而主關(guān)鍵層下方的離層開(kāi)始逐漸壓實(shí)，只是在開(kāi)切眼上方和工作面上方仍有較大離層裂隙，這也是粗砂巖覆巖關(guān)鍵層為主關(guān)鍵層的主要佐證之一。而基本頂即為亞關(guān)鍵層。

（2）基本頂（亞關(guān)鍵層）初次來(lái)壓步距在45m左右，周期來(lái)壓步距在15～20m之間；當(dāng)工作面向前推進(jìn)130m左右，主關(guān)鍵層彎曲下沉量增大，且在兩端發(fā)育縱向裂紋，而采空區(qū)中部覆巖壓實(shí)，裂隙逐步閉合。

（3）在工作面推進(jìn)到50m時(shí)，垂直位移開(kāi)始變化，說(shuō)明亞關(guān)鍵層破斷，覆巖開(kāi)始受到采動(dòng)影響，當(dāng)工作面推進(jìn)到110m左右時(shí)，垂直位移達(dá)到最大，說(shuō)明主關(guān)鍵層受到采動(dòng)影響產(chǎn)生破壞。整體來(lái)說(shuō)，由于關(guān)鍵層位結(jié)構(gòu)的存在，使得開(kāi)采過(guò)程中覆巖的大范圍劇烈活動(dòng)降低了對(duì)工作面的影響。

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Main and sub－key strata activities characteristics and their control laws on movements of overburden stratum in mining of especially－thick coal seam

Wu Hongsheng，Dong Lijun，Zhang Guohong，Xu Wenda，Hu Pengjun
（CNOOC New Energy（Zhungeer）Coal－based Energy Co.，Ltd.，Zhungeer，Inner Mongolia 010300，China）

Main and sub－key strata activities characteristics and their control laws on movements of overburden stratum are the main basis of studying the roof control in mining of especially－thick coal seam.According to the geological and the occurrence conditions of Laosangou mine field，with method of physical simulation experiment，the paper analyzes the main and sub－key strata activities characteristics and their control laws on movements of overburden stratum in coal mining of Laosangou mine field in central part of Zhungeer.The result shows that the first weighting interval of basic roof（sub－key stratum）is 45mor so，and the periodic weighting interval is between 15～20m；when the working face advances about 130m，the bending subsidence of the main key stratum will increase，and the longitudinal cracks will happen at its two ends，while the overburden stratum in the central part of the gob is compact，and cracks are gradually closed；the existence of the key strata structure decreases the impact of wide ranging severe activities of overburden stratum in the mining process on the working face.

coal mining，especially－thick coal seam，key stratum，movement of overburden stratum，movement law，Laosangou mine field

TD323

A

吳洪勝（1968－），男，經(jīng)濟(jì)師，現(xiàn)為中海油新能源（準(zhǔn)格爾）煤基能源有限公司總經(jīng)理。

（責(zé)任編輯 張毅玲）