李 杰
(中煤大同能源有限責(zé)任公司,山西 大同 037001)
山西大同礦區(qū)存在雙系煤層開(kāi)采,上部侏羅系11 煤、14 煤開(kāi)采導(dǎo)致的覆巖破壞可能與下部3-5#煤層(厚度可達(dá)15 m 以上)開(kāi)采形成的導(dǎo)水裂隙帶貫穿,為下部厚煤層綜放開(kāi)采帶來(lái)礦山壓力控制、防治水等難題。研究中煤塔山煤礦3-5#煤層特厚煤層綜放開(kāi)采覆巖破壞規(guī)律,對(duì)指導(dǎo)3-5#煤層安全開(kāi)采具有重要意義。
中煤塔山煤礦位于大同市云岡區(qū)口泉鄉(xiāng)上窩寨村西,行政區(qū)劃隸屬大同市云岡區(qū)口泉鄉(xiāng)管轄,隸屬中煤資源發(fā)展集團(tuán)公司,屬生產(chǎn)礦井。塔山煤礦設(shè)計(jì)產(chǎn)能300 萬(wàn)t/a。礦井井田面積8.146 km2,地質(zhì)條件簡(jiǎn)單,水文類(lèi)型中等,屬于低瓦斯礦井?,F(xiàn)開(kāi)采的30515 工作面為本煤層第4 個(gè)工作面,位于礦井井田北翼,對(duì)應(yīng)地表為低山丘陵、溝谷、沖溝及黃土臺(tái)地覆蓋。地形南東部相對(duì)較高,北西部較低。30515 工作面東部為實(shí)煤區(qū),南部有3-5#煤層1045 輔運(yùn)、膠帶、回風(fēng)三條大巷,西部隔10 m 煤柱為30501 工作面采空區(qū),北部隔礦界(煤柱)與同煤白洞井田相鄰。30515工作面走向長(zhǎng)1 961.54 m,傾斜長(zhǎng)度160 m。30515 工作面布置在2 號(hào)層10201和10215 工作面采空區(qū)下方,層間距平均4.53 m,為“一進(jìn)一回”兩巷布置。工作面采用單一走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化低位放頂煤采煤法。
中煤塔山煤礦2#煤層覆巖綜合柱狀如表1。
表1 2#煤層覆巖綜合柱狀
由表1 可以看出,中煤塔山煤礦3-5#和2#煤層覆巖以砂巖為主,主要為細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖和礫石層,夾雜部分泥巖層。覆巖中砂礫巖層比例大(>80%),泥巖厚度比例小。
2.2.1 單軸抗壓試驗(yàn)
巖石單軸抗壓試驗(yàn)使用WAN-008600KN 微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)[1-4],將中煤塔山煤礦采前孔所取巖塊加工成標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行試驗(yàn)。試樣單軸壓縮試驗(yàn)如圖2。
由圖1 可以看出,砂巖在承受較大的載荷,積蓄足夠的能量后,多沿一個(gè)或兩個(gè)交叉的主破壞面發(fā)生滑動(dòng)破碎,常伴隨“砰”的聲響,巖塊破碎程度大。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。
圖1 單軸壓縮試驗(yàn)試驗(yàn)前后對(duì)比圖
表2 巖石單軸壓縮試驗(yàn)計(jì)算表
2.2.2 單軸抗拉試驗(yàn)
通過(guò)巴西劈裂進(jìn)行巖塊標(biāo)準(zhǔn)試件(Φ50 mm×25 mm)的抗拉強(qiáng)度測(cè)定。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 巖石試件單軸抗拉試驗(yàn)計(jì)算表
2.2.3 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)
使用屏顯萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)、變角剪切試件夾具套(20°、30°、35°、40°)開(kāi)展試驗(yàn)[5]。巖石抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。
表4 巖石抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)計(jì)算表
由單軸抗壓、抗拉、抗剪試驗(yàn)可知,覆巖中細(xì)砂巖、粗砂巖單向抗壓強(qiáng)度為72.79~111.99 MPa,單向抗拉強(qiáng)度為5.75~11.33 MPa,抗剪強(qiáng)度為10.31~36.65 MPa,泊松比為0.14~0.26,細(xì)砂巖內(nèi)聚力為9.45 MPa,內(nèi)摩擦角為32.81°。參照試驗(yàn)結(jié)果,可知覆巖屬堅(jiān)硬巖類(lèi),穩(wěn)定性好。
如采場(chǎng)上覆巖體中有m層巖層,從下至上n(n≤m)層同步變形。每層巖層的厚度為di(i= 1,2,3……m),密度為ρi(i= 1,2,3……m)。
由于有n層巖層能同步變形,考慮到層狀巖體中層面上的抗剪切力較弱,則由梁理論可知:
式中,Mi(i= 1,2,3……n)為第i層巖層的彎矩;Ei(i= 1,2,3……n)為第i層巖層的彈性模量;Ii(i=1,2,3……n)為第i層巖層的慣性矩[5]。
可解得:
其組合梁彎矩為:
對(duì)于第1 層梁來(lái)說(shuō),由式(2)代入式(3),結(jié)合梁的受力微分原理可得:
根據(jù)2#煤層覆巖綜合柱狀(表1)及力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果整理2#煤頂板覆巖柱狀及力學(xué)參數(shù)計(jì)算關(guān)鍵層。根據(jù)關(guān)鍵層的定義和變形特征,第n+1 層成為第二層關(guān)鍵層必然滿足:
按照上式確定出的硬巖層還必須滿足關(guān)鍵層的強(qiáng)度條件,即滿足下層硬巖層的破斷距小于上層硬巖層的破斷距,即,
以地層數(shù)據(jù)為準(zhǔn),將各巖層參數(shù)代入上述公式,計(jì)算關(guān)鍵層結(jié)果匯總于表5。
表5 各巖層載荷和極限跨距匯總表
經(jīng)計(jì)算,巖層中的第5、6、10、14、18 為計(jì)算關(guān)鍵層,但由于14#煤層已采空,上覆巖層已經(jīng)垮落或破壞,其上方關(guān)鍵層已不再起主導(dǎo)控制作用。綜合研究判斷2#煤與14#煤之間的第14 層(細(xì)砂巖,厚度14.85 m,埋深309.5 m)為主關(guān)鍵層,第18層(粗砂巖,厚度25.05 m,埋深481.15 m)為亞關(guān)鍵層。主關(guān)鍵層可能對(duì)3-5#煤層開(kāi)采的導(dǎo)水裂隙帶向上發(fā)育產(chǎn)生影響,主關(guān)鍵層巖梁在其上位巖層的自重應(yīng)力作用下發(fā)生彎曲下沉,下部?jī)A伏巖層對(duì)上位關(guān)鍵層巖梁起到支托作用,該支托作用可減緩其上位巖層的彎曲下沉,防止關(guān)鍵層的破斷,減小導(dǎo)水裂隙帶高度。下部?jī)A伏巖層也可以增大關(guān)鍵層初次垮落的極限跨距,導(dǎo)水裂隙帶高度減小。亞關(guān)鍵層對(duì)3-5#煤層開(kāi)采的垮落帶發(fā)育造成影響。亞關(guān)鍵層下部巖層已發(fā)生破斷,抗彎剛度較小,亞關(guān)鍵層的破斷與否造成了其頂部邊界應(yīng)力條件的改變。亞關(guān)鍵層斷裂后,使上位巖層的重力作用傳遞給了下位巖層,對(duì)下位巖層具有壓實(shí)作用。上部巖層對(duì)下部導(dǎo)水裂隙帶和垮落帶巖體提供了一個(gè)壓力增量,加快了關(guān)鍵層下部巖體的壓實(shí)??迓鋷r體垮落后填滿采空區(qū),巖體內(nèi)存在著較大的可被壓縮消除的殘余應(yīng)變,隨著上覆巖層的下沉,垮落帶巖體不斷被壓實(shí),垮落帶高度不斷降低。
根據(jù)煤礦提供數(shù)據(jù),30515 工作面開(kāi)采后的實(shí)測(cè)垮落帶高度為134.6 m(垮采比7.32),導(dǎo)水裂隙帶高度為257.9 m(裂采比14.02),導(dǎo)水裂隙帶溝通上覆侏羅系14#煤采空區(qū),可以看出,堅(jiān)硬覆巖導(dǎo)致3-5#煤層開(kāi)采導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育更高。極近距離煤層重復(fù)開(kāi)采相當(dāng)于采厚疊加,采厚的增加使得30515 工作面開(kāi)采導(dǎo)水裂隙帶高度增加。
(1)由單軸抗壓、抗拉、抗剪和點(diǎn)載荷試驗(yàn)可知,覆巖中細(xì)砂巖、粗砂巖單項(xiàng)抗壓強(qiáng)度為72.79~111.99 MPa,單向抗拉強(qiáng)度為5.75~11.33 MPa,抗剪強(qiáng)度為10.31~36.65 MPa,泊松比為0.14~0.26,細(xì)砂巖內(nèi)聚力為9.45 MPa,內(nèi)摩擦角為32.81°。覆巖力學(xué)強(qiáng)度高,屬堅(jiān)硬巖類(lèi),穩(wěn)定性好。
(2)2#號(hào)煤與14#煤之間的第14 層(細(xì)砂巖,厚度14.85 m,埋深309.5 m)為主關(guān)鍵層,第18層(粗砂巖,厚度25.05 m,埋深481.15 m)為亞關(guān)鍵層。關(guān)鍵層一般厚度大、強(qiáng)度高,其支撐作用可對(duì)導(dǎo)水裂隙帶產(chǎn)生抑制作用,同時(shí)對(duì)下部巖層具有壓實(shí)作用。主關(guān)鍵層對(duì)30515 工作面的導(dǎo)水裂隙帶有抑制作用,亞關(guān)鍵層對(duì)垮落帶的發(fā)育有抑制作用。
(3)堅(jiān)硬覆巖及巨厚煤層一次采全厚工作面覆巖破壞高度大、離散型大;極近距離煤層重復(fù)開(kāi)采使得30515 工作面開(kāi)采導(dǎo)水裂隙帶高度增加。