李 磊

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

榆林礦區(qū)淺埋深厚土層薄基巖煤層開(kāi)采覆巖破壞規(guī)律研究

李 磊

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

通過(guò)對(duì)陜北地區(qū)淺埋煤層的地質(zhì)采礦條件研究，揭示陜北地區(qū)新近系紅土層膠結(jié)性好，隔水能力強(qiáng)，能夠抑制導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育；由數(shù)值模擬及實(shí)踐開(kāi)采得出陜北地區(qū)淺埋深厚土層薄基巖煤層的覆巖結(jié)構(gòu)為“上軟下硬”，巖性屬軟弱，煤層開(kāi)采后覆巖破壞實(shí)測(cè)高度小于經(jīng)驗(yàn)預(yù)計(jì)數(shù)值，符合“泥蓋效應(yīng)”規(guī)律，為類似條件保水開(kāi)采提供了技術(shù)依據(jù)。

淺埋煤層；“泥蓋效應(yīng)”；保水開(kāi)采

陜北榆神地區(qū)是我國(guó)重要的煤炭生產(chǎn)基地，區(qū)域內(nèi)煤層具有儲(chǔ)量大、發(fā)熱量高、煤質(zhì)優(yōu)、埋藏淺等特點(diǎn)[1-3]。經(jīng)過(guò)近20a的大規(guī)模開(kāi)采，致使該地區(qū)水資源污染嚴(yán)重、環(huán)境急劇惡化，給人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)大量問(wèn)題[4]。隨著礦區(qū)環(huán)境的惡化，錢(qián)鳴高院士提出了“綠色開(kāi)采”的概念，保水開(kāi)采是綠色開(kāi)采里重要的組成部分[5-6]。因此保水開(kāi)采成為陜北地區(qū)礦井開(kāi)采面臨的重要任務(wù)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)專家學(xué)者針對(duì)陜北地區(qū)保水開(kāi)采問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究，探討了保水開(kāi)采的對(duì)策和方法。范立民、李文平、許家林等對(duì)陜北地區(qū)保水開(kāi)采進(jìn)行了多角度的理論分析[7-10]，但保水開(kāi)采的關(guān)鍵是保證煤層開(kāi)采后對(duì)含水層不產(chǎn)生破壞，實(shí)現(xiàn)保水開(kāi)采的前提是掌握煤層開(kāi)采的覆巖破壞規(guī)律。陜北地區(qū)地層結(jié)構(gòu)特殊，煤層厚度大，采煤方法一般選擇大采高綜采或綜放開(kāi)采，其覆巖破壞規(guī)律有一定的特殊性。

本文結(jié)合陜北地區(qū)地層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)淺埋深厚土層條件下煤層綜放開(kāi)采的覆巖破壞規(guī)律進(jìn)行研究，為此類條件下保水開(kāi)采提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 陜北地區(qū)地層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

陜北地區(qū)榆神礦區(qū)煤層厚度大、埋藏淺，主要可采煤層為侏羅系延安組煤層。覆巖主要由基巖、土層和砂層組成。根據(jù)組合形態(tài)，將煤層覆巖劃分為3類[11]：沙層-土層-風(fēng)化層-基巖層；沙層-風(fēng)化層-基巖層；土層-風(fēng)化層-基巖層。

其中沙層包括風(fēng)積沙及薩拉烏蘇組含水層，薩拉烏蘇組含水層為陜北地區(qū)重要的取水水源，是需要重點(diǎn)保護(hù)的含水層；土層主要為第四系離石黃土及新近系靜樂(lè)組紅土；基巖層主要為主采煤層上覆巖層，主要由砂巖組成。

在上述三類覆巖結(jié)構(gòu)中，存在一類比較特殊的地層結(jié)構(gòu)，即薄基巖厚土層結(jié)構(gòu)。此類條件主要分布在郝家梁、麻黃梁、雙山等礦區(qū)。根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)資料，此類地質(zhì)條件的特點(diǎn)是：煤層埋藏淺、厚度大、基巖薄且多風(fēng)化，土層較厚。

2 覆巖結(jié)構(gòu)及巖性

覆巖的巖性及結(jié)構(gòu)是煤層開(kāi)采覆巖破壞規(guī)律的重要影響因素。由陜北地區(qū)郝家梁煤礦與麻黃梁煤礦的覆巖結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)資料可知[12-13]，郝家梁煤礦基巖層厚度為3.87～27.10m，基巖層占覆巖比例約為27%，紅土層厚度為20.57～93.98m，紅土占覆巖比例約為73%；麻黃梁煤礦基巖層厚度6.2～42.79m，基巖層占覆巖比例為21%，紅土層厚度為56.11～114.84m，紅土占覆巖比例約為79%。鉆孔綜合柱狀如表1所示。

表1 鉆孔綜合柱狀

根據(jù)巖石力學(xué)測(cè)試結(jié)果，土層的單軸抗壓強(qiáng)度較低，一般低于10MPa，屬于極軟弱巖類，基巖單軸抗壓強(qiáng)度一般為20～40MPa，屬中硬巖類，薄基巖厚土層條件下煤層的覆巖結(jié)構(gòu)為“上軟下硬”。由于基巖層薄，土層厚，根據(jù)巖石力學(xué)測(cè)試結(jié)果，此類地層的覆巖巖性應(yīng)屬軟弱類型。根據(jù)國(guó)內(nèi)水體下開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，此類覆巖結(jié)構(gòu)類型有利于抑制導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育，對(duì)保水開(kāi)采十分有利。

3 淺埋深厚土層薄基巖開(kāi)采覆巖破壞規(guī)律研究

覆巖破壞規(guī)律是制約保水開(kāi)采的關(guān)鍵因素，根據(jù)陜北地區(qū)煤層開(kāi)采覆巖破壞實(shí)測(cè)資料揭露，淺埋煤層開(kāi)采的裂采比保守取值為18～28[14]。由于此數(shù)據(jù)為基巖層較厚的條件下實(shí)測(cè)得出，不適用于淺埋深厚土層薄基巖的地質(zhì)條件。

根據(jù)我國(guó)東部礦區(qū)開(kāi)采實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，露頭區(qū)或淺埋深開(kāi)采區(qū)覆巖破壞發(fā)育特征受 “泥蓋效應(yīng)”的影響，即煤層開(kāi)采時(shí)遇到黏土層或弱含水砂層時(shí)，由于它們的力學(xué)強(qiáng)度和剛度極低、固結(jié)程度差，受采動(dòng)后的變形速度大、時(shí)間差小，增強(qiáng)了抗采動(dòng)能力，使得導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育得到抑制?！澳嗌w效應(yīng)”一般分為2種模式：一是“硬巖—泥蓋”模式，在該模式中，如果基巖柱尺寸較小，垮落帶發(fā)育可能完整、充分，導(dǎo)水裂縫帶高度、分布形態(tài)和破壞程度會(huì)發(fā)生變異；另一種是“軟巖—泥蓋”模式，在該模式中，如果基巖柱尺寸小，“兩帶”發(fā)育將是不完整和不充分的，“兩帶”高度、分布形態(tài)和破壞程度發(fā)生更大程度的變異[15]。此效應(yīng)在柴里、洼里、百善等礦區(qū)得到了有效驗(yàn)證，陜北屬于我國(guó)西部礦區(qū)，地質(zhì)條件與東部有一定的差異性，對(duì)于類似條件礦井開(kāi)采是否也符合此規(guī)律需進(jìn)行專項(xiàng)研究。

3.1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析

“泥蓋”效應(yīng)的關(guān)鍵是土層能否起到抑制導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育的作用。陜北地區(qū)土層主要由第四系離石黃土及新近系紅土組成，其中第四系黃土層為相對(duì)隔水層，新近系紅土為主要隔水層，主要為棕紅色黏土或亞黏土。根據(jù)紅土層水理實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果(表2、表3)可知，新近系紅土以石英為主，膠結(jié)性較好。紅土中黏土含量較高，約占30%，以伊蒙混層為主，遇水具有較好的膨脹性。從試驗(yàn)結(jié)果可知新近系紅土具有較好的隔水能力，相對(duì)于東部地區(qū)第四系黏土膠結(jié)性好，隔水能力強(qiáng)，因此判斷陜北地區(qū)新近系紅土層具有抑制導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育的特性。

表2 礦物X-射線衍射分析結(jié)果

表3 黏土礦物X-射線衍射分析結(jié)果

注：S:蒙皂石類；I/S：伊蒙混層；I：伊利石；K：高嶺石；C：綠泥石類；C/S：綠蒙混層

3.2 數(shù)值模擬預(yù)計(jì)

數(shù)值模擬是覆巖破壞高度預(yù)計(jì)的重要手段。以榆神礦區(qū)麻黃梁煤礦首采工作面為研究對(duì)象，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)淺埋深厚土層薄基巖工作面開(kāi)采后的覆巖破壞規(guī)律進(jìn)行模擬研究。麻黃梁煤礦首采工作面長(zhǎng)200m，基巖柱厚度約為70m，煤層厚度約9m，紅土層厚度約為90m，黃土層厚度約為60m，各層力學(xué)參數(shù)如表4所示，建立數(shù)值模型(圖1所示)。

為研究導(dǎo)水裂縫帶高度隨著工作面推進(jìn)距離的增加，分別模擬了工作面推進(jìn)距離為50，100，200，400，800m情況下的覆巖破壞程度，預(yù)計(jì)結(jié)果如圖2所示。根據(jù)模擬結(jié)果，導(dǎo)水裂縫帶進(jìn)入土層后不再向上繼續(xù)發(fā)育，紅土層較好地抑制了導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育。煤層開(kāi)采后的“泥蓋效應(yīng)”現(xiàn)象在數(shù)值模擬中得到了較好地體現(xiàn)。

表4 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

圖1 數(shù)值模型

圖2 煤層開(kāi)采覆巖破壞場(chǎng)

3.4 小結(jié)

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)分析、數(shù)值模擬預(yù)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可以得知，淺埋深厚土層薄基巖條件下煤層開(kāi)采的覆巖破壞高度不同于西部地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，由于土層良好的水理力學(xué)性質(zhì)，能夠抑制導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育，此類地質(zhì)條件下煤層開(kāi)采的覆巖破壞高度往往低于經(jīng)驗(yàn)預(yù)計(jì)值，其覆巖破壞規(guī)律與東部露頭煤層開(kāi)采的覆巖破壞規(guī)律類似，符合“泥蓋效應(yīng)”規(guī)律。

根據(jù)土層水理力學(xué)測(cè)試結(jié)果可知，在此類地質(zhì)條件下進(jìn)行煤層開(kāi)采時(shí)，土層由于其良好的隔水能力及膠結(jié)性，可以與基巖一樣作為防水煤巖柱的一部分，因此此類條件下覆巖破壞高度預(yù)計(jì)時(shí)，導(dǎo)水裂縫帶高度可按軟弱覆巖類型進(jìn)行預(yù)計(jì)，根據(jù)國(guó)內(nèi)軟弱巖層覆巖破壞高度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，裂高采厚比一般為8～12。

4 實(shí)踐開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)

類似淺埋深厚土層地質(zhì)條件的礦井，在麻黃梁、雙山、榆樹(shù)灣等煤礦已經(jīng)進(jìn)行了開(kāi)采。其中麻黃梁煤層埋藏淺，基巖柱薄，煤層厚，開(kāi)采條件較差。根據(jù)礦井資料，麻黃梁煤礦3號(hào)煤層厚度約為7.55～10.36m，平均9.09m，采用綜放開(kāi)采采煤法。井田范圍內(nèi)基巖柱厚度為6.20～42.79m，新近系紅土層厚度為56.11～114.84m，礦井目前已完成8個(gè)工作面的開(kāi)采。已回采工作面實(shí)測(cè)最低基巖厚度僅20m，自礦井首采面開(kāi)采以來(lái)，工作面開(kāi)采期間的涌水量始終穩(wěn)定在20～30m3/h左右。由工作面涌水量大小可以判斷3號(hào)煤層綜放開(kāi)采未導(dǎo)通第四系薩拉烏蘇組含水層，紅土層較好地抑制了導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育，對(duì)比礦井基巖柱與煤層厚度，裂采比應(yīng)小于10。麻黃梁煤礦的開(kāi)采情況可以表明實(shí)踐開(kāi)采結(jié)果與室內(nèi)分析結(jié)果預(yù)計(jì)相同，陜北地區(qū)淺埋深煤層開(kāi)采覆巖破壞規(guī)律與東部地區(qū)露頭煤層開(kāi)采類似，符合“泥蓋效應(yīng)”規(guī)律。

5 結(jié) 論

(1)陜北地區(qū)新近系紅土層膠結(jié)性能好，隔水能力強(qiáng)，能夠有效抑制導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育，可以作為煤層防水煤巖柱的一部分。

(2) 陜北地區(qū)淺埋深厚土層薄基巖條件下煤層開(kāi)采覆巖破壞規(guī)律與東部礦區(qū)露頭埋層開(kāi)采覆巖破壞規(guī)律相似，符合“泥蓋效應(yīng)”規(guī)律。

(3)陜北地區(qū)淺埋深厚土層薄基巖條件下煤層上覆覆巖結(jié)構(gòu)一般為“上軟下硬”類型，巖性為軟弱類型，因此其導(dǎo)水裂縫帶預(yù)計(jì)可按軟弱覆巖類型進(jìn)行預(yù)計(jì)，裂采比一般為8～12。

(4)此類地質(zhì)條件有利于實(shí)現(xiàn)保水開(kāi)采，保護(hù)礦井生態(tài)環(huán)境。

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[責(zé)任編輯：徐乃忠]

Study of Overburden Broken Law of Coal Seam Mining with Deep and Thick Soil Layer with Shallow Depth in Yulin Mine Area

LI Lei

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

The geological mining situation of coal seam with shallow depth in Shanbei distract was studied，and then the following characters that strong bonding of Neogene laterite layer，strong water isolation ability and then water flowing fracture zone could be restrained were revealed，overburden structure ‘ upper soft lower hard’ of deep and thick soil layer and thin bedrock coal seam was obtained by numerical simulation and practical mining.It belong to soft rock，and the actual broken height of overburden after mining is smaller than empirical prediction value，its according with ‘ mud cap effect’，it references for similar situation.

coal seam with shallow depth；‘mud cap effect’;water preserved mining

2016-10-17

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.03.019

國(guó)家科技重大專項(xiàng)大型油氣田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目(2016ZX05045007-003)；中國(guó)煤炭科工集團(tuán)科技創(chuàng)新基金面上項(xiàng)目(2016MS011)

李 磊(1982-)，男，山東樂(lè)陵人，副研究員,主要研究方向?yàn)榻w采煤與覆巖破壞高度預(yù)計(jì)研究。

李 磊.榆林礦區(qū)淺埋深厚土層薄基巖煤層開(kāi)采覆巖破壞規(guī)律研究[J].煤礦開(kāi)采，2017，22(3)：62-64，103.

TD823.25

A

1006-6225(2017)03-0062-03