近距離多層油頁巖水體下重復(fù)開采覆巖破壞高度預(yù)計(jì)

趙秋陽1，谷海峰2，康永華3，李磊3，孫萬明3

(1.煤炭科學(xué)研究總院 開采設(shè)計(jì)研究分院，北京 100013；2.北方聯(lián)合電力巴彥寶力格煤電項(xiàng)目籌備處，內(nèi)蒙古 錫林郭勒盟 026000；

3.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

[摘要]以某礦為例，對油頁巖上覆覆巖結(jié)構(gòu)類型及巖性作出分析，在得出上覆巖層為軟弱類型的前提下，分別運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式法和數(shù)值模擬法對多層油頁巖重復(fù)開采的覆巖破壞高度作出預(yù)計(jì)，得出了導(dǎo)水裂縫帶最大波及高度為44.03m和38.40m的2種結(jié)果，對比2種方法的預(yù)計(jì)結(jié)果，選取偏于安全的經(jīng)驗(yàn)公式法預(yù)計(jì)結(jié)果作為4，5，6，7層油頁巖開采的最終覆巖破壞高度。

[關(guān)鍵詞]近距離多層油頁巖；重復(fù)開采；覆巖破壞高度

[中圖分類號]TD83[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[收稿日期]2014-09-17

DOI[]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.01.023

[基金項(xiàng)目]中國煤炭科工集團(tuán)有限公司科技創(chuàng)新基金面上項(xiàng)目(2014MS004)

[作者簡介]趙秋陽(1988-)，男，河北保定人，在讀碩士研究生，主要從事水體下采煤研究。

Prediction of Overlying Strata Failure Height of Repeatedly-mining

Close-distance Oilshales under Water-body

ZHAO Qiu-yang1, GU Hai-feng2，KANG Yong-hua3, LI Lei3, SUN Wan-ming3

(1.Coal Mining & Designing Branch, China Coal Research Institute, Beijing 100013, China;

2.The Headquarters of Coal & Electricity Project of the North United Electric Co.，Ltd.,Bayanbaolige,Xilingol 026000,China；

3.Coal Mining & Designing Department,Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China)

Abstract:After the overlying strata type of oilshales in a mine was analyzed to be soft, applying empirical formula and numerical simulation to predicting overlying strata failure height of repeatedly-mining close-distance oilshales,2 maximum water-connected fissure heights of were obtained to be 44.03m and 38.4m.By comparing 2 results, the result from empirical formula was selected as failure height of 4th,5th,6th and 7th oilshales.

Keywords:close-distance oilshales; repeatedly-mining; failure height of overlying strata

[引用格式]趙秋陽，谷海峰，康永華，等.近距離多層油頁巖水體下重復(fù)開采覆巖破壞高度預(yù)計(jì)[J].煤礦開采，2015，20(1)：78-81.

油頁巖(又稱油母頁巖)是一種高灰分的含可燃有機(jī)質(zhì)的沉積巖，它和煤的主要區(qū)別是灰分超過40%，與炭質(zhì)頁巖的主要區(qū)別是含油率大于3.5%。油頁巖屬于非常規(guī)油氣資源，以資源豐富和開發(fā)利用的可行性而被列為21世紀(jì)非常重要的接替能源，它與石油、天然氣、煤一樣都是不可再生的化石能源。

油頁巖開采前，為了更加合理地留設(shè)防水巖柱，為后續(xù)油頁巖開采提供數(shù)據(jù)支撐，需要對油頁巖開采后的覆巖破壞高度作出預(yù)計(jì)，以便于最大限度地解放水體下被壓礦產(chǎn)資源。所謂覆巖破壞高度即指油頁巖開采后所形成的垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶和彎曲下沉帶，覆巖的發(fā)育情況直接決定著水體下油頁巖開采的安全性和可靠性。搞清覆巖破壞的發(fā)育高度及其分布形態(tài)是實(shí)現(xiàn)水體下安全開采的重要手段，根據(jù)覆巖巖性，利用經(jīng)驗(yàn)公式對覆巖破壞高度作出預(yù)計(jì)，結(jié)合數(shù)值模擬軟件預(yù)計(jì)結(jié)果作出對比分析，最終獲得準(zhǔn)確、可靠的覆巖破壞高度數(shù)值，近年來已經(jīng)成為采前覆巖破壞高度預(yù)計(jì)的主流方法[1-6]。

礦區(qū)賦存多層油頁巖且相距較近的情況下，覆巖破壞高度的預(yù)計(jì)需依據(jù)下層油頁巖的垮落帶發(fā)育高度采用不同的預(yù)計(jì)方法，本文以吉林某礦為例，利用數(shù)值模擬法分別預(yù)計(jì)了各層重復(fù)開采后的覆巖破壞發(fā)育情況，然后利用經(jīng)驗(yàn)公式法，依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》(以下簡稱《“三下”采煤規(guī)程》)中關(guān)于近距離煤層覆巖破壞高度預(yù)計(jì)原則對礦井4，5，6，7層油頁巖的垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶最大高度作出預(yù)計(jì)，經(jīng)過分析2種預(yù)計(jì)結(jié)果的差異、共性及優(yōu)缺點(diǎn)，最終確定了4層近距離油頁巖重復(fù)開采的最大覆巖破壞高度。

1油頁巖上覆覆巖結(jié)構(gòu)類型分析

通過對礦井勘探資料的統(tǒng)計(jì)與分析，可知礦井上覆基巖柱巖性構(gòu)成以頁巖與泥巖類隔水巖層為主，其中4層和5層油頁巖上覆基巖柱隔水巖層合計(jì)厚度占該段基巖柱厚度的比例為60%左右，6層和7層油頁巖上覆基巖柱隔水巖層合計(jì)厚度占該段基巖柱厚度的比例均為65%左右。

礦層基巖柱巖性主要為中砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、頁巖、砂質(zhì)頁巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖及炭質(zhì)頁巖，分布于礦層的頂?shù)装?，巖石膠結(jié)普遍差，松散、破碎，層理發(fā)育。鉆孔取芯巖石物理力學(xué)測試結(jié)果表明，粉砂巖抗壓強(qiáng)度為7.24MPa；細(xì)砂巖抗壓強(qiáng)度為4.31MPa；泥巖抗壓強(qiáng)度為12.02MPa；粗砂巖抗壓強(qiáng)度為9.84MPa，見表1。

試驗(yàn)結(jié)果表明，本區(qū)巖層中巖石強(qiáng)度低，巖性軟，屬軟弱巖層，巖石抗壓強(qiáng)度4.31~12.02MPa，在覆巖巖性分類中應(yīng)屬于軟弱(抗壓強(qiáng)度10~20MPa)分類區(qū)間，結(jié)合礦層上覆巖層的巖性構(gòu)成情況，綜合分析認(rèn)為，油頁巖礦層上覆巖層屬軟弱類型。

表1　巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果

2數(shù)值模擬法預(yù)計(jì)油頁巖重復(fù)開采覆巖破壞高度

本例采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D對油頁巖開采所形成的覆巖破壞高度進(jìn)行預(yù)計(jì)。覆巖破壞規(guī)律分析模型總長360m，開采長度為200m；模型總高118m，頂面為地表，底面為油頁巖層下部底板，模型共劃分為4896個單元，7665個節(jié)點(diǎn)；模型前后和左右邊界施加水平約束，模型底部邊界固定，模型頂部為自由邊界，研究區(qū)內(nèi)巖層劃分為16個層組，分析模型如圖1所示。

圖1　分析模型

本次模擬巖體采用理想彈塑性本構(gòu)模型：莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則描述并以此確定覆巖破壞高度的確定原則。運(yùn)行模型，得出破壞場的分布情況，如圖2所示。

圖2　4層油頁巖開采后覆巖破壞區(qū)分布

由圖2可看出，隨著油頁巖的開采，上覆巖層破壞范圍逐步擴(kuò)大，塑性區(qū)逐步向上發(fā)展，因此導(dǎo)水裂縫帶也同樣向上部發(fā)育。每層油頁巖開采后，覆巖破壞范圍均呈現(xiàn)出明顯的“馬鞍”型。由于油頁巖層埋藏較淺、覆巖巖性偏軟，且累計(jì)開采厚度較大，地表發(fā)生的移動變形較劇烈，產(chǎn)生明顯的拉張破壞及裂隙。模型單元在移動變形過程中產(chǎn)生的剪切應(yīng)變增量大小也是導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育區(qū)域的判斷依據(jù)之一。一般認(rèn)為，剪切應(yīng)變增量較大的區(qū)域即為導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育區(qū)域，本例中剪切應(yīng)變增量≥0.1即可認(rèn)為是覆巖導(dǎo)水裂縫帶[7-10]。

數(shù)值模擬方法預(yù)計(jì)4，5，6，7層油頁巖重復(fù)開采各層導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)計(jì)結(jié)果見表2。

表2　數(shù)值模擬法預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂縫帶成果

3經(jīng)驗(yàn)公式法預(yù)計(jì)油頁巖重復(fù)開采覆巖破壞高度

本礦油頁巖的開采條件和賦存情況與煤層開采非常類似，因此可以根據(jù)《“三下”采煤規(guī)程》中關(guān)于煤層開采的覆巖破壞高度計(jì)算公式對油頁巖開采的覆巖破壞高度進(jìn)行預(yù)計(jì)。

根據(jù)礦井初步設(shè)計(jì)說明書，4層油頁巖設(shè)計(jì)開采厚度為2.1m，5層油頁巖設(shè)計(jì)開采厚度為2.5m，6層油頁巖設(shè)計(jì)開采厚度為1.4m，7層油頁巖設(shè)計(jì)開采厚度為2.5m。《“三下”采煤規(guī)程》中厚煤層分層開采的垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算公式應(yīng)用范圍為：單層采厚1～3m，累計(jì)采厚不超過15m，根據(jù)礦層上覆巖石單向抗壓強(qiáng)度及巖性分析，綜合認(rèn)定，本例4，5，6，7層油頁巖開采的覆巖破壞高度計(jì)算公式采用《“三下”采煤規(guī)程》中軟弱覆巖巖性計(jì)算公式[11]：

垮落帶高度Hm計(jì)算公式:

Hm=100ΣM/(6.2ΣM+32)±1.5

(1)

式中，ΣM為油頁巖采厚，m。

導(dǎo)水裂縫帶高度Hli計(jì)算公式：

Hli=100ΣM/(3.1ΣM+5.0)±4.0

(2)

根據(jù)礦井鉆孔勘探資料揭露情況，礦井設(shè)計(jì)開采油頁巖層之間間距較小。依據(jù)《“三下”采煤規(guī)程》規(guī)定，設(shè)定近距離油頁巖層開采覆巖破壞高度預(yù)計(jì)原則：當(dāng)上、下兩層油頁巖的最小垂距h大于回采下層油頁巖的垮落帶高度時(shí)，上、下兩層油頁巖的導(dǎo)水裂縫帶最大高度按上、下層油頁巖的厚度分別選用式(2)計(jì)算(見圖3)；當(dāng)下層油頁巖的垮落帶高度接觸或者進(jìn)入上層油頁巖的開采范圍時(shí)，上層油頁巖的導(dǎo)水裂縫帶最大高度采用本層油頁巖的采厚進(jìn)行預(yù)計(jì)計(jì)算，下層油頁巖的導(dǎo)水裂縫帶高度應(yīng)采用上下兩層油頁巖的綜合開采厚度按照式(3)進(jìn)行計(jì)算(見圖4)，取其中標(biāo)高最高者為兩層油頁巖的導(dǎo)水裂縫帶最大高度。上下油頁巖層的綜合開采厚度的計(jì)算公式為：

Mz1-2=M2+(M1-h1-2/y2)

(3)

式中，M1為上層油頁巖的開采厚度，m；M2為下層油頁巖的開采厚度，m；h1-2為上下油頁巖層之間的法線距離，m；y2為下層油頁巖的垮落帶高度與采厚之比。

圖3　近距離油頁巖層覆巖破壞高度示意(h>H 垮下時(shí))

值得注意的是，4層和5層油頁巖的導(dǎo)水裂縫帶最大高度為兩者導(dǎo)水裂縫帶標(biāo)高最高者，而由于油頁巖層間的間距很小，未來6層開采所形成的導(dǎo)水裂縫帶必定會波及到5層采空區(qū)，導(dǎo)通上層油頁巖開采所形成的導(dǎo)水裂縫帶，所以4，5，6層油頁巖的導(dǎo)水裂縫帶最大高度為三者導(dǎo)水裂縫帶標(biāo)高最高者。同理，4，5，6，7層油頁巖的導(dǎo)水裂縫帶最大高度為這4層油頁巖導(dǎo)水裂縫帶標(biāo)高最高者。

通過上述計(jì)算方法，分別得到4，5，6，7層油頁巖重復(fù)開采時(shí)的垮落帶高度和導(dǎo)水裂縫帶高度，同時(shí)，通過對比各層油頁巖開采導(dǎo)水裂縫帶的標(biāo)高，得出每層開采之后與上覆已開采油頁巖層形成的具有導(dǎo)通性的導(dǎo)水裂縫帶最大標(biāo)高，此標(biāo)高距最下一層油頁巖頂板距離即為已采近距離油頁巖層的導(dǎo)水裂縫帶最大波及高度。各層油頁巖開采所形成的與上覆油頁巖層開采所形成的導(dǎo)通性導(dǎo)水裂縫帶最大高度預(yù)計(jì)結(jié)果見表3。

表3　經(jīng)驗(yàn)公式法預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂縫帶成果

由表3可看出，隨自上而下開采，重復(fù)開采所形成的導(dǎo)水裂縫帶波及高度越來越大，下部礦層開采所形成的導(dǎo)水裂縫帶均已導(dǎo)通上部導(dǎo)水裂縫帶，由于7層開采后，6，7兩層的導(dǎo)水裂縫帶最大高度已經(jīng)導(dǎo)通上部導(dǎo)水裂縫帶，因此應(yīng)該選取本層及上層開采所能導(dǎo)通的導(dǎo)水裂縫帶最大標(biāo)高作為其最大導(dǎo)水裂縫帶波及高度。這種方法計(jì)算的導(dǎo)水裂縫帶高度，保證了以后防水巖柱留設(shè)和開采上限界定的準(zhǔn)確性和安全性，是比較合理且安全可靠的。

4兩種預(yù)計(jì)方法的對比與選取

通過FLAC3D數(shù)值模擬可以知道，4，5，6，7層重復(fù)開采時(shí)，模擬形成的覆巖破壞區(qū)分布與實(shí)際覆巖破壞發(fā)育情況是吻合的，隨著下層油頁巖的重復(fù)開采，導(dǎo)水裂縫帶不斷變大。4，5，6，7層油頁巖單層采厚分別為2.1，2.5，1.4，2.5m時(shí)，裂采比約為7。通過礦井勘探資料的統(tǒng)計(jì)與分析，4，5層油頁巖間距平均為2.4m；5，6層油頁巖間距平均6.2m；6，7層油頁巖間距平均為10.4m，下層油頁巖的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度均已波及到上層，則7層油頁巖頂板至4個油頁巖層開采后所能導(dǎo)通的導(dǎo)水裂縫帶最大標(biāo)高即為4，5，6，7層油頁巖重復(fù)開采導(dǎo)水裂縫帶最大波及范圍，結(jié)果為38.4m，略小于經(jīng)驗(yàn)公式法的44.03m，分析認(rèn)為是模擬參數(shù)設(shè)置差異與邊界較理想所致，為了安全起見，選取經(jīng)驗(yàn)公式法結(jié)果作為最終預(yù)計(jì)結(jié)果。

5結(jié)論

(1)為了保證礦井生產(chǎn)安全，運(yùn)用數(shù)值模擬軟件FLAC3D對油頁巖開采所形成的覆巖破壞高度進(jìn)行預(yù)計(jì)，模擬預(yù)計(jì)結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了對比分析和相互驗(yàn)證。

(2)運(yùn)用《“三下”采煤規(guī)程》中關(guān)于軟弱覆巖巖性下的導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)計(jì)公式對近距離多層油頁巖開采的覆巖破壞高度作出預(yù)計(jì)，得到了比較理想的結(jié)果。

(3)闡明了近距離多層油頁巖重復(fù)開采時(shí)，已采油頁巖層的導(dǎo)水裂縫帶最大波及高度并不是各層油頁巖開采的高度最大值，而是各層的導(dǎo)水裂縫帶頂點(diǎn)最大標(biāo)高，即導(dǎo)水裂縫帶所能導(dǎo)通的標(biāo)高最高點(diǎn)。

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[責(zé)任編輯：徐乃忠]