張宏偉,朱志潔,霍利杰,陳 鎣,霍丙杰,3

(1.遼寧工程技術大學礦業(yè)學院,遼寧阜新 123000;2.同煤國電同忻煤礦有限公司,山西大同 037003;3.大同煤礦集團有限責任公司,山西大同 037003)

特厚煤層綜放開采覆巖破壞高度

張宏偉1,朱志潔1,霍利杰2,陳 鎣1,霍丙杰1,3

(1.遼寧工程技術大學礦業(yè)學院,遼寧阜新 123000;2.同煤國電同忻煤礦有限公司,山西大同 037003;3.大同煤礦集團有限責任公司,山西大同 037003)

為了對特厚煤層綜放開采覆巖破壞高度進行深入研究,以同忻煤礦15 m特厚煤層為實例,采用多種方法進行論證。采用關鍵層理論和材料力學相關理論,對8100工作面回采過程的覆巖破壞情況進行研究,結果表明:覆巖破壞高度最大為174.6 m,各亞關鍵層控制著覆巖破壞的發(fā)育,主關鍵層抑制著覆巖破壞的發(fā)育。應用EH-4大地電磁法和數值模擬方法,綜合確定了覆巖破壞高度為150～172 m,驗證了理論計算結果的正確性,理論計算可對覆巖破壞高度有效預計。研究表明:同忻煤礦綜放開采覆巖破壞高度為采高的10.0～11.5倍,關鍵層的破斷控制著覆巖破壞的發(fā)育。

特厚煤層;綜放開采;覆巖破壞高度;關鍵層;EH-4大地電磁法

煤層開采后引起上覆巖層移動與破壞,覆巖破壞發(fā)育的高度對礦井水災害治理和水資源的保護具有重要意義,同時對煤層氣資源開發(fā)和瓦斯災害防治也具有重要作用。國內外對覆巖破壞高度已經進行了大量的研究[1-9],但對特厚煤層綜放開采的覆巖破壞特征研究較少。本文以同忻煤礦8100綜放工作面為研究對象,基于關鍵層和材料力學相關理論,分析了特厚煤層綜放工作面覆巖破壞發(fā)育過程及發(fā)育高度,采用EH-4大地電磁法和數值模擬方法,對理論計算結果的正確性進行驗證,為實現同忻煤礦安全開采提供了重要的參考數據和技術支撐。

1 同忻煤礦地質情況及開采條件

大同礦區(qū)開采侏羅、石炭二疊系雙系煤田。同忻井田開采的是石炭二疊系煤層,可采煤層為3～5號煤層。8100工作面位于該煤層北一盤區(qū),煤層平均厚度為15.3 m,傾角2°～3°。工作面傾向長度為193 m,可采走向長度為1 406 m。采用一次采全厚低位放頂煤采煤法,采高為 3.9 m,放頂煤高度為11.4 m。8100工作面頂板大部分都為堅硬砂巖,其中基本頂為含礫粗砂巖,厚2.2～8.3 m,直接頂為砂質泥巖及炭質泥巖。該工作面對應的上覆侏羅紀8號、9號、11號煤層大部分已采空,12號、14號煤層采空區(qū)占工作面走向長度近一半,14號煤層距本層間距為175～194 m(圖1)。

圖1 工作面布置平面Fig.1 Layout of working face arrangement

2 覆巖破壞高度理論分析

2.1 覆巖破壞高度計算相關理論

對于硬巖層采用固支梁力學模型估算其極限跨距[10],即

式中,h為巖層的厚度;σt為巖層的極限抗拉強度;q為巖層的載荷。

對于軟弱巖層,最大水平拉伸應變時的極限跨距[11]為

式中,E為巖層的彈性模量;εmax為巖層的最大水平拉伸應變。

軟弱巖層的最大撓度[11]為

式中,I為截面慣性矩。

巖層下部自由空間高度為

其中,Δi為第i層巖層下的自由空間高度;M為煤層采高;hj為第j層巖層的厚度;kj為第j層巖石的殘余碎脹系數。巖層斷裂時的臨界開采長度為

式中,m為煤層頂板至該巖層下部的所有巖層數;hi為第i層巖層的厚度;l為該巖層的極限斷跨距;φq, φh分別為巖層的前、后方斷裂角。

斷裂帶的發(fā)育受到關鍵層的抗拉強度、軟巖層的抗應變能力、巖層下部的自由空間高度和工作面的推進距離等因素共同影響?？梢酝ㄟ^關鍵層和軟巖的破斷與其下部自由空間的高度關系判斷斷裂帶的發(fā)育情況。具體判斷方法如圖2所示。

圖2 斷裂帶高度判斷流程Fig.2 Flow chart of water flowing fracture zone judgement

2.2 覆巖破壞高度理論計算

2.2.1 關鍵層的判定

由于8100工作面上方約200 m處為侏羅系采空區(qū),因此關鍵層計算邊界至侏羅系采空區(qū)為止。綜合北一盤區(qū)的鉆孔數據,3～5號煤層至侏羅系14號煤層之間共有25層巖層(表1),其中以堅硬的砂巖和礫巖為主。根據關鍵層的判別條件[12],確定了3～5號煤上覆巖層各個關鍵層,計算結果見表2。

表1 上覆巖層分布情況Table 1 Rock formation columnar section

表2 關鍵層判定結果Table 2 Determination results of key stratum

2.2.2 工作面覆巖破壞理論分析

由于覆巖以堅硬巖層為主,計算覆巖破壞高度時,不需考慮軟弱巖層的作用。結合關鍵層判定結果,根據覆巖破壞高度判斷流程(圖2)以及判定公式(1)～(5),可以確定工作面推進不同位置時覆巖破壞的發(fā)育情況(表3)。由表3可知,工作面推進至55和109 m時,亞關鍵層Ⅰ和亞關鍵層Ⅱ發(fā)生破斷,其上控制的巖層也隨之發(fā)生破壞,斷裂帶發(fā)育高度為32.4 m和143.5 m。當工作面推進至193 m時,關鍵層Ⅲ發(fā)生破斷覆巖裂隙發(fā)育至主關鍵層底部,斷裂帶發(fā)育高度為174.7 m。隨著工作面繼續(xù)推進,由于主關鍵層的傾向懸露距離小于其極限跨距,斷裂帶發(fā)育至主關鍵層下部截止。

表3 各關鍵層隨工作面推進初次破斷情況Table 3 Each key stratum first breaking with working face moving

由上述理論分析可知,裂隙發(fā)育至主關鍵層下部時,由于主關鍵層不滿足其破斷條件,裂隙停止繼續(xù)向上發(fā)育。各個亞關鍵層控制著其上局部覆巖裂隙的發(fā)育,主關鍵層控制著其上所有巖層的裂隙發(fā)育。

3 覆巖破壞高度物理探測分析

3.1 EH-4物理探測方案

EH-4大地電磁法是大地電磁測深技術之一,它利用天然或人工電磁場的測量,獲得地下介質電阻率的分布規(guī)律,達到解決地下巖性分帶、地層劃分、斷層破碎帶探測、地下采空區(qū)等工程地質問題的目的[13-15]。

采用EH-4大地電磁法,對8100工作面不同開采階段覆巖破壞特征進行物理探測,分析不同層位電導率的分布特征,確定工作面上覆巖層垮落帶與斷裂帶范圍。在8100工作面對應的地表布置2條測線,1號測線布置在8100工作面未開采區(qū)域的地表,2號測線布置在8100工作面已開采區(qū)域的地表,具體測線布置如圖1所示。分3個階段對該2條測線進行探測:第1階段為2011年5月,此時工作面推至1號測線和2號測線之間,工作面推過2號測線1～1.5個月;第2階段為2011年8月,此時工作面采過1號測線2個月;第3階段為2012年5月。

3.2 EH-4物理探測結果分析

圖3為1號測線不同階段大地電阻率二維反演圖(圖中雙黑虛線為煤層位置)。從圖3(a)中可以看到,電阻率等值線平滑,疏密變化不大,呈層狀分布,電性標志層穩(wěn)定。結果證實了該區(qū)域內煤層未經采動影響,巖層賦存穩(wěn)定。從圖3(b)中可以看到,在水平方向80～180 m,標高在800～880 m有一高阻閉合圈(圖3(b)中紅色虛線所示),該異常區(qū)域范圍與圖1中所示的8100綜放工作面的范圍吻合,推斷此高阻異常區(qū)為8100綜放工作面開采后形成的垮落帶,影響高度約80 m。圖中藍色虛線為工作面開采后斷裂帶發(fā)育高度的邊界,影響高度約150 m。由斷裂帶的邊界至地面均為彎曲下沉帶。從圖3(c)中可以看到,煤層所在位置(圖中黑色虛線)上覆巖層一定范圍內呈現高阻分布,且電阻率等值線平穩(wěn)、連續(xù),層狀分布,說明工作面上覆巖層經過1 a的運動已達到穩(wěn)定狀態(tài),巖層的松散與裂隙是造成高阻的原因,穩(wěn)定后的巖層重新恢復了層狀分布。

圖4為2號測線不同階段大地電阻率二維反演(圖中雙黑虛線為煤層位置)。在圖4(a)中可以看到,在水平方向80～300 m,標高在800～900 m有一高阻閉合圈(圖4(a)中紅色虛線所示),其上部電阻率等值線平穩(wěn)、連續(xù),層狀分布,而且該異常區(qū)域范圍與圖1中所示的8100綜放工作面的范圍吻合,因此推斷此高阻異常區(qū)為8100綜放面開采后形成的垮落帶,影響高度約100 m。圖中藍色虛線為工作面開采后斷裂帶發(fā)育高度的邊界,影響高度約170 m。由斷裂帶的邊界至地面均為彎曲下沉帶。圖4(b)中形成的高異常帶的形態(tài)與范圍基本與第一階段形成的圖4(a)中的基本一致,推斷工作面垮落帶影響高度約100 m,斷裂帶影響高度約170 m。在圖4(c)同樣是電阻率等值線平穩(wěn)、連續(xù),層狀分布,說明工作面上覆巖層經過1 a的運動已達到穩(wěn)定狀態(tài),穩(wěn)定后的巖層重新恢復了層狀分布。

圖3 1號測線大地電阻率二維反演Fig.3 EH-4 two-dimensional inversion profile of No.1 survey line

圖4 2號測線大地電阻率二維反演Fig.4 EH-4 two-dimensional inversion profile of No.2 survey line

通過上述分析,同忻煤礦8100工作面開采后形成的覆巖破壞高度為150～170 m(表4),采高按15 m計算,其覆巖破壞高度與采厚之比為10.0～

11.3,隨著開采結束時間的增長及覆巖遠離工作面,垮落帶內巖層被壓實,斷裂帶的發(fā)育程度越來越小,物理探測時可能捕捉不到微小裂隙造成的電性變化,因此實際中斷裂帶的高度可能要稍大于探測結果。

表4 “兩帶”高度探測結果Table 4 Exploration results of two zones the height

4 覆巖破壞高度數值的模擬分析

4.1 數值計算模型的建立

為研究8100工作面采后上覆巖層破壞分布規(guī)律,建立FLAC3D數值計算模型。模型采用摩爾-庫倫準則,模型尺寸為400 m×200 m×250 m(長×寬×高),共建立303 000個單元,468 180個節(jié)點,煤層厚15.3 m,模擬工作面長度為 193 m,推進長度為200 m,模型共計28層。在模型x軸方向施加21.2～16.5 MPa的梯度應力;模型 y軸方向施加6.5～5.1 MPa的梯度應力;模型上部施加11.3 MPa的等效載荷,z軸方向設定自重載荷。

4.2 數值計算結果分析

圖5為工作面充分采動時塑性區(qū)分布。由圖5可知,自煤層頂板由下自上為拉伸破壞、拉伸裂隙、剪切破壞和未破壞區(qū)。采空區(qū)中間覆巖破壞高度低于兩側的“馬鞍型”破壞形態(tài)分布。在頂板的65 m范圍內,覆巖同時發(fā)生剪切和拉伸破壞,認為此區(qū)域為“三帶”中的垮落帶;在頂板之上65～172 m范圍內,覆巖進入剪切破壞區(qū)域,認為此區(qū)域是覆巖破壞“三帶”中的斷裂帶。因此,可以確定8100工作面覆巖破壞高度約為172 m,該結果與EH-4大地電磁法探測結果相吻合。

圖5 工作面充分采動時塑性區(qū)分布范圍Fig.5 Range of plastic zone under full mining

5 覆巖破壞高度綜合分析

對開采石炭二疊系煤層的同忻煤礦8100工作面進行物理探測和數值模擬,確定了8100工作面覆巖破壞發(fā)育高度為150～172 m,與理論計算結果相一致。3～5號煤層平均采厚為15 m,覆巖破壞發(fā)育高度為采厚的10.0～11.5倍。

8100工作面與侏羅系煤層相距175～194 m,大于確定的覆巖破壞高度,未出現采空區(qū)裂隙聯(lián)通現象。而8106工作面與侏羅系煤層相距125～140 m,小于確定的覆巖破壞高度,出現了采空區(qū)裂隙聯(lián)通現象,進一步驗證了該結果的正確性。在兩系間距小于180 m的區(qū)域可通過控制有效采高、充填開采等方法減小覆巖破壞發(fā)育高度,防止侏羅系煤層采空區(qū)有毒有害氣體涌入石炭二疊系煤層工作面而引起安全事故。

6 結 論

(1)采用關鍵層理論和材料力學相關理論,確定綜放工作面開采的覆巖破壞高度為174.6 m。各亞關鍵層控制著覆巖破壞的發(fā)育,主關鍵層抑制覆巖破壞。

(2)采用EH-4大地電磁法和數值模擬方法,綜合確定同忻煤礦8100工作面綜放開采后覆巖破壞高度為150～170 m,驗證了理論計算結果的正確性,采用該理論計算方法可對覆巖破壞高度進行有效預計。

(3)通過分析同忻煤礦各工作面與上部侏羅系煤層采空區(qū)相互聯(lián)通情況,進一步對覆巖破壞高度進行驗證,與采空區(qū)裂隙聯(lián)通情況相互吻合。

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Overburden failure height of superhigh seam by fully mechanized caving method

ZHANG Hong-wei1,ZHU Zhi-jie1,HUO Li-jie2,CHEN Ying1,HUO Bing-jie1,3
(1.College of Mining Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China;2.Datong Coal Guodian Tongxin Coal Mine Co.,Ltd.,Datong 037003,China;3.Datong Coal Mine Group Co.,Ltd.,Datong 037003,China)

In order for further research on the overburden failure height of fully mechanized caving face,taking 15 m extra-thick coal seam of Tongxin Coal Mine as the research object,the demonstration was carried out by many methods.Applied critical layer theory and material mechanics theory,overburden failure was analyzed as mining face moving.The results show that overburden failure maximum height is 174.6 m,the inferior key strata controlls overburden failure development and the main key stratum restrains overburden failure development.By adopting EH-4 magnetotelluric methods and numerical simulation methods,the height of overburden failure was determined as 150-172 m result,in consistent with theoretical calculation,theoretical calculation method can be highly effectively predicted.The studies show that the overburden failure height of fully mechanized caving face is 10.0-11.5 times the height of mining in Tongxin Coal Mine and key strata controlls overburden failure development.

extremely thick coal seam;fully mechanized caving;overburden failure height;key stratum;EH-4 magnetotelluric method

TD82;TD325

A

0253-9993(2014)05-0816-06

張宏偉,朱志潔,霍利杰,等.特厚煤層綜放開采覆巖破壞高度[J].煤炭學報,2014,39(5):816-821.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0641

Zhang Hongwei,Zhu Zhijie,Huo Lijie,et al.Overburden failure height of superhigh seam by fully mechanized caving method[J].Journal of China Coal Society,2014,39(5):816-821.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0641

2013-05-16 責任編輯:王婉潔

國家自然科學基金資助項目(51274117,51104085);遼寧省教育廳基金資助項目(L2012106)

張宏偉(1957—),男,黑龍江湯原人,教授,博士。Tel:0418-3350473,E-mail:kyzhw@263.net