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        軟弱風化薄基巖賦存特征及其采動覆巖破壞規(guī)律

        2021-05-07 01:52:46宋立兵魏宏濤聶宇旭
        科學技術與工程 2021年5期
        關鍵詞:老頂覆巖基巖

        宋立兵, 李 果, 魏宏濤, 聶宇旭

        (1.神東煤炭集團公司技術研究院, 神木 719315; 2.中國礦業(yè)大學資源與地球科學學院, 徐州 221116)

        在薄基巖及上部存在富含水層條件下開采,由于基巖易被導水裂縫帶貫通,導致工作面突水、涌砂;另外,在基巖厚度很小的情況下,支架的附加荷載因上覆松散層隨薄基巖垮落而增大,易導致壓架事故發(fā)生。因此,研究薄基巖礦區(qū)基巖賦存特征、采動影響下薄基巖的變形破斷及其運動規(guī)律以及在運動過程中與松散層間的相互耦合作用關系,對實現(xiàn)軟弱風化薄基巖下的煤層安全開采,防止突水地質災害,具有重要的意義。

        薄基巖區(qū)采煤,主要水害來自風化帶基巖水及上覆松散含水層的水。關于水體下采煤,不乏許多成功實例,一些礦區(qū)采用以隔離為主的措施,嘗試建立帷幕改造以及對主要補給水源的水力通道進行阻斷[1],局部疏干為輔;對采煤工藝進行改進,減小導水裂縫帶高度[2-3];對松散層底部保護層完整度,有無隔水層和隔水黏土層的厚薄情況進行分析研究[4-6],研究方法包括物理模型和數(shù)值模擬等用于分析覆巖破壞[7-10];物探方法及其主要應用也被用于礦山安全生產[11-12]。

        現(xiàn)重點對研究區(qū)水體類型特征、巖層賦存條件及上覆巖層的水文地質條件、地層結構分析,并根據(jù)地質采礦條件利用相似材料模型試驗、數(shù)值模擬預測移動破壞規(guī)律,分析覆巖垮落帶、導水裂縫帶的高度、空間形態(tài),并對煤層安全開采進行評價,提出相應的防治水措施。

        1 軟弱風化薄基巖賦存特征

        錦界井田內構造簡單,地層平坦,緩緩向北西傾斜的單斜構造,傾角小于1°。無褶皺和巖漿活動,除前期物探查明的三條高角度正斷層F1、F2和F3外,無大型波狀起伏。經實際的采掘工作揭露情況來看,F(xiàn)2和F3斷層并不存在,F(xiàn)1斷層也位于井田邊界及以外,因此區(qū)內并無落差較大的斷層存在。

        錦界煤礦31114工作面地表上覆第四系風積沙。地層結構自上而下為:砂層厚3.75~50 m,總體趨勢由切眼到回撤通道逐漸變薄,90聯(lián)巷附近最厚為50 m,J405號鉆孔附近最薄為3.75 m,巖性以淺黃色、褐黃色細砂、粉砂為主,分選較好,磨圓度較差。下伏土層厚0~79.3 m,總體趨勢回撤通道附近最厚為79.3 m,工作面中部J405、J406號鉆孔附近為天窗區(qū)。直羅組風化基巖厚4.32~42.02 m,工作面中部較厚,向兩側逐漸變薄,最薄處在回撤通道附近約4.32 m,巖性組成主要為巨厚層狀黃灰、局部紫雜色中-粗粒長石砂巖,分選良好,多為滾圓度次棱角狀。3-1煤正?;鶐r厚28.24~56.61 m,JB303-1附近最薄為28.24 m,最厚處在運順65聯(lián)巷附近,厚度為56.61 m。

        工作面水文地質條件如下,上覆含水層包括砂層和風化基巖含水層,31105~31112工作面的回采和長期疏放水的效果較為明顯。風化基巖含水層厚4.32~42.02 m,全區(qū)分布,其中回撤通道附近區(qū)域最薄,為工作面回采時直接充水水源,補給水源較充足。

        2 相似模擬試驗

        2.1 實驗設計

        試驗以研究區(qū)煤礦31114工作面薄基巖綜采工作面為研究背景,該工作面開采3-1煤層,煤層埋深91 m,基巖(包括風化基巖)厚45 m,松散層厚46 m,采高3 m,工作面設計走向長369 m,傾斜長526 m。

        模型采用二維試驗臺,按 1∶100的幾何比沿煤層走向對某一剖面進行模擬,模型尺寸長260 cm、寬30 cm、高80 cm。上覆未模擬的巖土層所施加的應力采用外部荷載補償。研究區(qū)主要的地層及巖性力學參數(shù)依據(jù)勘探及室內物理力學指標確定,如表 1所示,根據(jù)原型確定模型線性相似常數(shù)100,時間相似常數(shù)10,容重相似常數(shù) 1.67,應力及強度相似常數(shù)均為167。

        為使得實驗更符合實際煤層開采情況,在搭建的模型兩端各留設50 cm以上的煤柱,以此減小誤差,實驗的出的數(shù)據(jù)更具有參考性。開挖方向由左向右,沿著巷道向前推進,在模型上開采厚度為3 cm,相當于實際采厚的3 m,每隔2 h工作面向前推進5 cm,相當于每天6 m的開采量,以右側巷道為停采線。

        為了更加清楚地觀測模型地變形情況,在其表面沿煤層走向分層布置位移測點,采用ET-02型電子經緯儀進行實時觀測,對煤層開挖時的上覆巖層垮落帶及導水裂縫帶的發(fā)育情況進行記錄,并用相機系統(tǒng)記錄每次開采時上覆巖層的移動變形情況,然后利用數(shù)字圖像處理的方法,得出煤層頂板的移動變形值。

        表1 覆巖力學性質指標Table 1 Mechanical properties of overlying strata

        2.2 結果分析

        當煤層開采時,上部巖層由于缺少下部煤層的承載力,應力狀態(tài)發(fā)生改變,巖層發(fā)生松動。隨著工作面向前推進,與煤層直接接觸的巖層懸跨度逐漸增大,造成頂板位移、離層,當巖層達到其極限破壞斷距時發(fā)生斷裂垮落,上覆巖層沉降量也隨之增大,推進距離與頂板位移量呈正相關。工作面推進時巖層變形、破壞、垮落如圖1所示。

        圖1 模型中3-1煤開采110 m時覆巖破壞情況Fig.1 Overburden failure of model 3-1 when 110 m mining advance

        當工作面推進20 m時,觀測到部分測點發(fā)生移動,向前推進50 m時,直接頂垮落,巖層破裂高度為15 m;工作面推進80 m 時,第2次垮落發(fā)生,未垮落的巖層中產生裂縫,巖層破裂高度增加至35 m,開切眼一側附近與工作面端部有豎向裂縫出現(xiàn),在中部斷裂的上部垮落巖層在兩端形成鉸接結構。此時垮落巖層已至基本頂。工作面推進到110 m時,基本頂再次垮落,巖層破壞高度增加至40 m,與上部巖層局部脫離,脫離高度約1.2 m。頂板裂隙發(fā)育高度在開采過程中的變化曲線如圖2所示。

        圖2 工作面推進過程中覆巖破壞高度的變化Fig.2 Changes of overburden failure height during the advancement of working face

        上覆巖層以層或組的方式進行移動,模型頂板巖層產生2.8 cm的下沉量(相當于實際2.8 m)。隨著工作面推進,上覆巖層塑性區(qū)不斷擴大,在縱向和橫向上快速發(fā)育。上覆巖層中強度高的巖層仍作為整體進行移動,強度低的薄巖層依附于未破碎的整體進行運動。煤層直接頂范圍內的巖體受采動影響較大,隨著工作面的推進相繼垮落,而直接頂上部巖層受下部尚未垮落的直接頂承載作用未立即垮落,當工作面繼續(xù)向前推進,直接頂?shù)拇竺娣e垮落使得基本頂下方懸空,達到其極限破壞斷距,繼而垮落。垮落帶及裂縫帶高度不會向上無限擴張,當工作面推進超過一定范圍時發(fā)育基本停止。

        2.2.1 垮落帶

        工作面采煤結束,待模型穩(wěn)定后實施觀測,測得垮落帶高度為 8~10 m,為采高的2.7~3 倍,工作面前后方垮落巖石與水平面形成的夾角分別約為58°和70°。下位巖層垮落帶因垮落破碎及上部巖層的壓砸作用,呈現(xiàn)不規(guī)則形態(tài),這部分巖層厚度為煤層采出厚度的1.5~2.0倍;上位老頂因厚度、強度相對較大,不易破碎而整體垮落,形成規(guī)則垮落帶,其結構相對穩(wěn)定,老頂在垮落過程中與已垮落巖石相作用,形成類似“半拱式”的折斷結構。

        2.2.2 裂縫帶

        裂縫帶位于垮落帶上部,相較于垮落帶受采動影響稍小,此區(qū)域巖層層次性保持完整,內部裂隙廣泛發(fā)育,部分裂隙貫通巖層,溝通上部含水層。此外,層與層之間部分發(fā)育有層間裂隙。這些裂隙隨著采動的變化而開閉,裂縫帶內巖塊呈規(guī)則排列。裂縫帶在開切眼附近的發(fā)育高度為42 m左右,在靠近停采線的40 m,分別約為采高的14倍、13.3倍。

        2.2.3 彎曲下沉帶

        此區(qū)域自裂縫帶直至地表,發(fā)生整體性的緩和移動,巖體結構與天然狀態(tài)基本相同,巖層中無豎向裂隙產生。

        3 離散元模型與覆巖運動規(guī)律分析

        3.1 模型的建立

        采用UDEC(universal distinct element code)對開采過程中上覆巖層運動規(guī)律進行研究。以研究區(qū)綜采工作面走向剖面為現(xiàn)場模型,建立數(shù)值模型,以礦區(qū)生產地質條件為依據(jù),對煤層采厚為3.0 m的情況進行模擬,確定本模型頂煤塊度為0.5 m×0.5 m(寬×高),直接頂及老頂模擬厚度分別為10 m和8 m,模擬老頂斷裂步距15 m。整個模型尺寸300 m×235 m(長×高),對底邊界及左右邊界分別從垂直和水平進行固定。同時考慮表土層厚度、力學性質、基巖厚度及采高等變化對上覆巖層運動的影響。

        材料本構模型為摩爾-庫侖模型,計算采用的巖石力學參數(shù)與物理模型相同,如表1所示。

        3.2 覆巖的運動規(guī)律

        模擬采高3.0 m,支架工作阻力為6 000 kN,基巖厚度為45 m,建立數(shù)值模型,如圖3所示,分別模擬工作面初次來壓,周期來壓及正常推進時候的情況,比較它們之間的上覆巖層運動變化規(guī)律。

        圖3 頂板移動規(guī)律Fig.3 Status of roof movement

        隨著開采寬度的加大,上方老頂巖塊在工作面第一次周期來壓時巖梁發(fā)生折斷,隨著折斷的巖梁回轉下沉、擠壓、與臨近巖塊咬合而形成半拱狀的“砌體梁”結構,結構可能暫時進入穩(wěn)定狀態(tài)。但當工作面繼續(xù)向前推進,咬合的巖塊又將再次分開,老頂發(fā)生規(guī)律性的破斷,并且會一直處于“穩(wěn)定-失穩(wěn)-再穩(wěn)定”的狀態(tài)之中,造成工作面周期性的來壓現(xiàn)象。

        支承壓力峰之點處于工作面前方4~12 m范圍內,相較于厚基巖在15~25 m內出現(xiàn)峰值點有所后移;且支承壓力分布范圍也由40~50 m減少為12 m左右。因老頂?shù)摹捌鲶w梁”結構具有一定的穩(wěn)定性,承載了上覆巖層的部分荷載,使得下方采空區(qū)垂直應力降低,且部分區(qū)域應力值表現(xiàn)為非負,采空區(qū)后方也因此表現(xiàn)出應力集中的現(xiàn)象。

        當老頂?shù)谝淮沃芷趤韷簳r,工作面前方支承壓力最大,應力集中系數(shù)略大于2;老頂周期來壓時因直接頂垮落不充分,與老頂之間產生離層,造成老頂巖梁活動空間增大,因此支承壓力最大值及影響范圍都比初次來壓時略大。工作面正常推進時上述情況不會發(fā)生,使得前方支承壓力明顯小于老頂初次來壓時的支承壓力,支承壓力集中系數(shù)僅為1.6左右。

        3.3 基巖厚度變化的影響

        考慮到礦區(qū)各工作面基巖與松散層厚度的變化情況,設計模擬采深不變,均為91 m,基巖厚度變化,分別為35、45、55 m,比較基巖上覆松散層厚度變化對基巖活動規(guī)律的影響。沿走向剖面的地表沉陷狀況及工作面前方支承壓力分布如圖4、圖5所示。

        圖4 基巖厚度變化對地表下沉的影響Fig.4 The impact of surface subsidence on bedrock thickness change

        圖5 不同基巖厚度工作面前方支承壓力分布Fig.5 Abutment pressure distribution of the different bedrock thickness

        由于軟弱風化的巖層在開采過程中無法形成穩(wěn)定的大型結構,因此頂板巖層會裂成小段并坍塌。由圖4可知,基巖越薄,地表下沉量越大。在工作面推進0~100 m范圍內,不同基巖厚度對地表下沉量的影響并沒有拉開太大差距;在100~200 m,不同基巖厚度引起的地面下沉量差異明顯;隨著繼續(xù)推進,其差異逐漸縮小。

        由圖5所示,不同厚度的基巖帶給工作面前方支承壓力的差異在0~12 m內并無太大體現(xiàn),且不同厚度基巖造成的壓力峰值均出現(xiàn)在12 m處,約為原巖應力的2~3倍,在12~60 m處,支承壓力分布有著顯著差異,隨著繼續(xù)推進,差異減小,甚至無差別。

        綜上,基巖厚度越薄,地表下沉量越大,對工作面前方的支承壓力越小。且由圖4、圖5中基巖厚度為45、55 m的曲線可知,在45~55 m有一臨界厚度。

        3.4 覆巖破壞高度的確定

        根據(jù)數(shù)值模擬,并結合國家煤炭工業(yè)局《建筑物水體鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》,綜合確定了覆巖垮落帶和導水裂縫帶高度,如表2所示。

        結合模型試驗、數(shù)值模擬和理論計算,當采煤厚度為3 m時,垮落帶和導水裂縫帶的高度分別為11.5 m和42 m,裂采比為14。

        表2 工作面覆巖破壞高度Table 2 Destruction height of overburden in working face

        覆巖破壞高度溝通了風化基巖含水層,該層為工作面主要含水層,為安全開采,工作面采前施工疏放水鉆孔50余個,完成鉆探總進尺4 271.9 m,鉆孔累計泄水量約92.5×104m3。由地面水文觀測孔觀測結果可知,施工疏放水前后水位降深5.6 m左右,水位還在繼續(xù)下降,說明有效的降低了含水層水頭高度,大量疏放了工作面風化基巖含水層水的靜水量,確保了開采安全。

        4 結論

        (1)軟弱風化薄基巖頂板的特點是穩(wěn)定性差,膠結作用弱;薄基巖下開采,基巖層不能形成穩(wěn)定的大型結構,覆巖破壞規(guī)律和“三帶”的發(fā)育不同于正常厚度的基巖。

        (2)經綜合計算,軟弱風化薄基巖下采煤,當采高為3 m時,垮落帶和導水裂縫帶的高度分別為11.5 m和42 m,裂采比為14;采煤工作面前方支承壓力峰值在工作面前方4~12 m內。

        (3)根據(jù)礦井地面水文觀測孔觀測結果,施工疏放水能夠有效地降低含水層水頭高度,因此疏放工作面風化基巖含水層水的靜水量,做好防排水準備工作,及時抽排工作面、巷道積水,將有助于預防水害事故的發(fā)生。

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