婁 芳,王 震,賈永勇,金士魁

(1.新疆維吾爾自治區(qū)煤炭科學(xué)研究所, 新疆烏魯木齊 830091; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院, 江蘇徐州市 221116)

準(zhǔn)東巨厚煤層分層開采覆巖移動(dòng)規(guī)律相似模擬試驗(yàn)?

婁 芳1,2,王 震1,賈永勇1,金士魁1

(1.新疆維吾爾自治區(qū)煤炭科學(xué)研究所, 新疆烏魯木齊 830091; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院, 江蘇徐州市 221116)

針對(duì)新疆準(zhǔn)東大井礦區(qū)二號(hào)井B1煤層賦存地質(zhì)特征,運(yùn)用關(guān)鍵層理論對(duì)其覆巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行判斷分析,采用試驗(yàn)研究的方法建立相似模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ?研究巨厚煤層分層開采過(guò)程中覆巖破斷、沉降規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明:巨厚煤層分層開采覆巖破壞高度達(dá)到221.24 m,其中跨落帶98.3m,裂隙帶138.2m;基本頂及各亞關(guān)鍵層破斷失穩(wěn)后急劇下沉,隨工作面的推進(jìn)不斷被壓實(shí)、巖層間離層(橫向裂隙)逐漸閉合,形成具有一定承載能力的“鉸接結(jié)構(gòu)”,當(dāng)?shù)谌謱踊夭赏戤?主關(guān)鍵層下部與下位巖層的離層空間達(dá)到最大。

巨厚煤層;分層開采;覆巖移動(dòng)規(guī)律;相似模擬

0 引 言

目前,國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者在厚煤層開采技術(shù)方面做了大量的研究,尤其是對(duì)厚煤層開采的基礎(chǔ)研究與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐均積累了豐富的研究成果,但大多數(shù)研究成果主要集中在20m厚以下煤層,而對(duì)賦存超過(guò)20m的巨厚煤層開采研究較少。新疆準(zhǔn)東煤田位于新疆準(zhǔn)噶爾盆地東部的奇臺(tái)、吉木薩爾等縣境內(nèi),資源預(yù)測(cè)儲(chǔ)量達(dá)3900億t,是中國(guó)目前最大的整裝煤田[1]。準(zhǔn)東煤田分為五彩灣、大井、西黑山和將軍廟4個(gè)礦區(qū),其中大井礦區(qū)位于準(zhǔn)東中部,礦區(qū)內(nèi)主要含煤地層為中侏羅統(tǒng)西山窯組,主要發(fā)育1個(gè)煤層,厚度19～87m,為巨厚煤層。針對(duì)礦區(qū)內(nèi)巨厚煤層賦存條件,目前設(shè)計(jì)采用分層綜放開采工藝,未來(lái)該巨厚煤層將面臨“大尺度開采空間”及“多次重復(fù)開采擾動(dòng)”等現(xiàn)象[2],這使得巨厚煤層開采的技術(shù)顯著區(qū)別于中厚煤層開采。應(yīng)用傳統(tǒng)的厚煤層開采理論已經(jīng)難以適應(yīng)巨厚煤層開采的需要,因此目前亟需相應(yīng)的理論指導(dǎo)來(lái)確保巨厚煤層安全高效開采。本研究針對(duì)準(zhǔn)東礦區(qū)巨厚煤層的地質(zhì)賦存特征展開深入研究,這不但能夠進(jìn)一步豐富巨厚煤層理論體系,為巨厚煤層安全高效開采提供理論依據(jù),而且可為礦區(qū)開采地表沉陷控制、脆弱生態(tài)區(qū)保水開采等提供參考借鑒,對(duì)國(guó)家能源戰(zhàn)略西部轉(zhuǎn)移及可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。

1 工程概況

準(zhǔn)東大井礦區(qū)二號(hào)井處于礦區(qū)中南部,規(guī)劃規(guī)模為30.0Mt/a。其主采煤層為B1煤層,可采厚30.30～70.57m,平均53.16m,屬全區(qū)可采、穩(wěn)定的巨厚煤層,煤層傾角較緩,僅1°～3°,局部較陡,最大約6°。煤層頂板為粗－中砂巖、細(xì)砂巖、泥巖、含炭泥巖為主,個(gè)別為粉砂質(zhì)泥巖、砂礫巖、高炭泥巖、含礫粗砂巖。根據(jù)煤層賦存特點(diǎn),設(shè)計(jì)采用分層綜放采煤方法,全部垮落法管理頂板。B1煤層上覆巖層的賦存情況及物理力學(xué)參數(shù)見表1。

2 覆巖關(guān)鍵層判別

2.1 關(guān)鍵層判別方法

根據(jù)關(guān)鍵層理論[3-5],關(guān)鍵層判別方法分為以下3個(gè)步驟進(jìn)行:

第1步,由下往上確定覆巖中的堅(jiān)硬巖層位置,堅(jiān)硬巖層是指那些在變形中撓度小于其下部巖層,而不與其下部巖層協(xié)調(diào)變形的巖層,其判別式為:

式中,hi,Vi,Ei分別為第i巖層的厚度、容重、彈性模量(i＝1,2……m)。

第2步,計(jì)算各硬巖層的破斷距,硬巖層破斷距采用兩端固支梁模型計(jì)算,則第k層硬巖層破斷距Lk可由下式計(jì)算:

式中,hk為第k層硬巖層的厚度,m;ek為第k層硬巖層的抗拉強(qiáng)度,MPa;qk為第k層硬巖層承受的載荷,MPa。

第3步,按以下原則對(duì)各硬巖層的破斷距進(jìn)行比較,確定關(guān)鍵層位置。

(1)第k層硬巖層若為關(guān)鍵層,其破斷距應(yīng)小于其上部所有硬巖層的破斷距,即滿足:

(2)若第k層硬巖層破斷距Lk大于其上方第k＋1層硬巖層破斷距,則將第k＋1層硬巖層承受的載荷加到第k層硬巖層上,重新計(jì)算第k層硬巖層的破斷距。若重新計(jì)算的第k層硬巖層的破斷距小于第k＋1層硬巖層的破斷距,則取Lk＝Lk＋1;說(shuō)明此時(shí)第k層硬巖層破斷受控于第k＋1層硬巖層,即第k＋1層硬巖層破斷前,第k層硬巖層不破斷,一旦第k＋1層硬巖層破斷,其載荷作用于第k層硬巖上,導(dǎo)致第k層硬巖隨之破斷。

(3)從最下一層硬巖層開始逐層往上判別Lk＜k＋1,(k＝1,2,…)是否成立,及當(dāng)Lk＞Lk＋1時(shí)重新計(jì)算第k層硬巖層破斷距。

2.2 關(guān)鍵層判別結(jié)果

根據(jù)關(guān)鍵層的判別條件,結(jié)合表2中B1煤層上覆巖層分布情況,確定了B1煤上覆巖層各個(gè)關(guān)鍵層,計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 B1煤層上覆巖層賦存情況及物理力學(xué)參數(shù)

表2 關(guān)鍵層判定結(jié)果

3 巨厚煤層分層開采相似模擬試驗(yàn)

3.1 物理相似模型的建立

物理模型鋪設(shè)規(guī)格為:長(zhǎng)×寬×高＝3.0m× 0.3m×1.75m,結(jié)合確定的物理模型規(guī)格,運(yùn)用相似理論三定律,確定模型的主要相似系數(shù):幾何比為al＝200;容重比ar＝1.6;時(shí)間比at＝10;材料強(qiáng)度相似比為aR＝al×ar＝320:模型兩端留設(shè)50cm的邊界煤柱,相當(dāng)于實(shí)際100m,煤層分層開采長(zhǎng)度為200cm,等于實(shí)際情況下開采長(zhǎng)度400m。煤層采用下行分層開挖模式,共分3層,分層采高18m,煤層分層開采煤層開切眼位于模型左側(cè),自左向右開挖工作面,每次開挖5cm等于實(shí)際情況下每天工作面開采10m。

根據(jù)相似材料選擇及其配比的相關(guān)基本原理,物理模擬試驗(yàn)中以水、碳酸鈣、沙子和石膏為相似材料,按強(qiáng)度相似比ar＝320配成,參考B1煤層覆巖實(shí)際巖石力學(xué)參數(shù),相似模擬材料配比方案如表3所示。

為監(jiān)測(cè)田B1巨厚煤層不同巖層位移變化特征,在模型主要巖層布置了6條位移監(jiān)測(cè)線,其中測(cè)線1位于直接頂下部,測(cè)線2位于老頂上部,測(cè)線3,4分別位于亞關(guān)鍵層2、亞關(guān)鍵層3,在主關(guān)鍵層上部及下步分別布置2條測(cè)線。每條監(jiān)測(cè)線設(shè)置29個(gè)測(cè)點(diǎn),覆巖位移的監(jiān)測(cè)采用DigiMetric天遠(yuǎn)三維攝影測(cè)量系統(tǒng),模型各測(cè)點(diǎn)及位移監(jiān)測(cè)線具體布置方案如圖1所示。

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 覆巖破壞特征模擬結(jié)果分析

當(dāng)工作面推進(jìn)至25m時(shí),直接頂垮落,見圖2;隨著工作面的向前推進(jìn),直接頂跨落范圍不斷增加,造成基本頂懸露面積加大,基本頂下步巖層開始失穩(wěn)破斷,當(dāng)工作面向前推進(jìn)55m時(shí)基本頂初次垮落,工作面發(fā)生初次來(lái)壓,見圖3,基本頂初次來(lái)壓跨落步距約50～65m。推進(jìn)至100m時(shí),基本頂再次垮落,工作面第二次周期來(lái)壓;隨工作面推進(jìn),距離工作面后方較遠(yuǎn)處采空區(qū)冒落帶逐漸壓實(shí),其上方巖層移動(dòng)趨于穩(wěn)定,裂隙基本不再發(fā)育,而工作面附近覆巖裂隙隨工作面推進(jìn)而不斷增大。此后基本頂發(fā)生周期性斷裂,周期來(lái)壓步距約為40～45m,破斷的基本頂形成具有一定穩(wěn)定性的“鉸接”結(jié)構(gòu)。

表3 相似材料配比

第一分層開挖完畢,亞關(guān)鍵層1發(fā)生破斷,裂隙發(fā)育高度延伸到亞關(guān)鍵層3的下部,但亞關(guān)鍵層3的下沉變形量不大,仍保持較好的連續(xù)性,垮落帶達(dá)到亞關(guān)鍵層2下部,跨落區(qū)呈梯形分布。第一分層回采完畢后,垮落帶高度為36m,裂隙帶高度55 m。如圖4所示。

圖1 測(cè)線布置

圖2 直接頂初次跨落

圖3 基本頂初次跨落

圖4 第一分層回采完畢

待第一分層回采結(jié)束覆巖運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定之后,進(jìn)行第二分層開挖。由于第二分層第一分層的采空區(qū)下方,處于應(yīng)力降低區(qū),第二分層的周期來(lái)壓沒有第一分層明顯。第二分層工作面直接頂為第一分層回采后冒落矸石,相對(duì)比較松散,隨第二分層工作面的推進(jìn),頂板隨采隨冒。受二次采動(dòng)的影響,基本頂在第一分層回采時(shí)形成的鉸接結(jié)構(gòu)進(jìn)一步破斷,工作面推進(jìn)120m時(shí)亞關(guān)鍵層2下沉量迅速增大,導(dǎo)致其失穩(wěn)破斷。第二分層開挖結(jié)束后裂隙帶發(fā)育到主關(guān)鍵層下部,垮落帶進(jìn)一步增加達(dá)到54m。

第三分層開挖后,煤層采出的空間進(jìn)一步增大,對(duì)上覆巖層再次造成擾動(dòng)。隨工作面的推進(jìn),采空區(qū)上方頂板巖層冒落并最終被上覆巖層壓實(shí),上覆巖層產(chǎn)生更大彎曲下沉,導(dǎo)致覆巖破壞高度繼續(xù)向上發(fā)育。當(dāng)工作面推進(jìn)160m時(shí),亞關(guān)鍵層3的位移急劇增加,亞關(guān)鍵層3發(fā)生破斷。如圖5所示,隨著第三分層繼續(xù)開挖,裂隙逐漸發(fā)展到主關(guān)鍵層的下部,且主關(guān)鍵層與其下部巖層產(chǎn)生較大的離層空間,第三分層開挖結(jié)束后,主關(guān)鍵層沒有破斷,主關(guān)鍵層的存在有效阻止了裂隙繼續(xù)向上發(fā)育,對(duì)上覆巖層起著主要的支撐作用。

3.2.2 覆巖位移變化模擬結(jié)果分析

隨各分層開采完畢,直接頂、亞關(guān)鍵層2及主關(guān)鍵層的下沉曲線。直接頂最大下沉量隨各分層的開采逐步增加,增大幅度基本一致;亞關(guān)鍵層2在第二分層開采時(shí)失穩(wěn)破斷,其二分層下沉量相對(duì)第一分層急劇增加,但二、三分層開采后亞關(guān)鍵層2下沉量變化不大,表明其下位巖層基本頂和亞關(guān)鍵層1形成了具有一定承載能力的“鉸接結(jié)構(gòu)”;主關(guān)鍵層在3個(gè)分層開采后下沉量變化不大,表明主關(guān)鍵層僅發(fā)生彎曲變形,沒有破斷。見圖6～圖8。

圖6 各分層開采后直接頂下沉曲線

圖7 各分層開采后關(guān)鍵層2下沉曲線

圖8 各分層開采后主關(guān)鍵層下沉曲線

4 結(jié) 論

(1)結(jié)合B1巨厚煤層覆巖分布特征,利用關(guān)鍵層及材料力學(xué)等相關(guān)理論確定了B1煤層上覆巖層共賦存四層主亞關(guān)鍵層,分別為亞關(guān)鍵層1(細(xì)砂巖,8.4m)、亞關(guān)鍵層2(細(xì)砂巖,15m)、亞關(guān)鍵層3 (粉砂巖7.0m)及主關(guān)鍵層(中砂巖,49m),距離煤層頂板高度分別為20.8,38.4,105.2m及141.5m。

(2)通過(guò)物理相似模擬試驗(yàn),B1巨厚煤層第一分層回采完畢亞關(guān)鍵層1發(fā)生破斷,裂隙帶迅速發(fā)育至亞關(guān)鍵層2下部,覆巖破壞高度為105.11m (垮落帶高度36m,裂隙帶高度70.1m);第二分層的開采導(dǎo)致亞關(guān)鍵層2破斷,覆巖破壞高度增大到182.5m,其中跨落帶52.3m,裂隙帶130.2m;第三分層開采亞關(guān)鍵層3破斷,覆巖破壞高度向主關(guān)鍵發(fā)育,主關(guān)鍵層下部產(chǎn)生明顯裂隙,但隨著第三分層的開采主關(guān)鍵層并沒有失穩(wěn),覆巖破壞高度達(dá)到221.24m,其中跨落帶98.3m,裂隙帶138.2m。

(3)基本頂及各亞關(guān)鍵層破斷失穩(wěn)后急劇下沉,隨工作面的推進(jìn)不斷被壓實(shí)、巖層間離層(橫向裂隙)逐漸閉合,形成具有一定承載能力的“鉸接結(jié)構(gòu)”,而“鉸接結(jié)構(gòu)”上位巖層間離層(橫向裂隙)繼續(xù)發(fā)育,當(dāng)?shù)谌謱踊夭赏戤?主關(guān)鍵層下部與下位巖層的離層空間達(dá)到最大,為了防止主關(guān)鍵層破斷導(dǎo)致地表大面積下沉以及工作面發(fā)生大面積來(lái)壓,建議在該關(guān)鍵層下部離層區(qū)注漿以維護(hù)主關(guān)鍵層的穩(wěn)定性?？v向裂隙在停采線出發(fā)育顯著,該處應(yīng)加強(qiáng)礦井突水防治措施。

[1]新疆準(zhǔn)東成我國(guó)最大整裝煤田[N].亞洲中心時(shí)報(bào)(漢), 2009-06-02.

[2]許猛堂.新疆巨厚煤層開采覆巖活動(dòng)規(guī)律及其控制研究[D].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2014.

[3]錢鳴高,繆協(xié)興.巖層控制中的關(guān)鍵層理論研究[J].煤炭學(xué)報(bào),1996(3):225-230.

[4]錢鳴高,繆協(xié)興,許家林,等.巖層控制的關(guān)鍵層理論[M].徐州:中國(guó)煤炭出版社,2003.

[5]許家林,錢鳴高.覆巖關(guān)鍵層位置的判別方法[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)報(bào),2000,29(5):464-467.

2017-04-28)

婁 芳(1983－),男,山西沁源人,工程師,現(xiàn)主要從事礦山壓力與巖層控制方面的研究,Email:17015536＠

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