双系煤层群开采覆岩破裂演化规律_宗建强.pdf

煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 1概述 在覆岩破坏研究中，在确定覆岩破断高度后， 要 研究覆岩运动结构形式及其稳定条件， 包括上部岩层 的岩性、 厚度等， 构建上部岩层断裂破坏力学模型进 行预计。 本文采用物理模拟观察覆岩破裂演化过程及 其应力分布变化[1-3]， 是揭示覆岩破坏结构及其应力场 变化的有效途径。 2同忻矿地质及开采条件概况 同忻矿井坐落在大同煤田东北端， 赋存有侏罗系 和石炭系双系煤层，目前上部侏罗系 3、 9、 11、 12、 14 煤层基本开采完毕，主要开采石炭系 3- 5 煤层。现采 8207 工作面之上有同家梁矿侏罗系 11 煤层 8906 面采空区与 14 煤层 8902- 1、 8902- 2、 8902- 3 采空区， 与 11 煤层间距 120～200m， 与 14 煤层间距 140～220m。工作面上、 下对照见图 1。 图 18207 工作面与侏罗系煤层群工作面上下位置对照图 8207 工作面埋深 447m， 倾向长度 193m， 走向长 度 1406m。工作面煤厚 3.77 m～23.5 m， 平均为 13.6 m。工作面为一次采全厚放顶煤综合机械化开采， 采 高 3.9m， 放煤厚度 9.7m， 采放比约 12.5。 8207 工作面煤层倾角为 1～2，基本顶为炭 质泥岩， 厚度 13.9m， 灰白色， 夹有部分煤层； 直接顶 为火成岩， 厚度 3.2m， 极其坚硬。直接底为泥岩， 厚 度 2.61m， 褐灰色； 基本底为高岭岩， 厚度为 6.1m， 深 灰色。 3双系煤层群顶板破断结构相似材料模拟 实验 3.1试验手段及装备 试验台分为框架、 加载和测试三个部分。试验台 框架的规格为 3.0m0.4m2.1m， 有效高度为 1.8m。 应力测试系统由江苏东华仪器有限公司生产， 能对应 力、 应变进行全程监测； 位移测试采用尼康 NIVO 2.M 全站仪。 3.2试验方案与模型制作 1 ） 试验方案。相似模拟试验中共模拟 11、 12、 14、 15 和 3- 5 煤共 5 层煤，由上往下逐步开采 11、 14 与 3- 5 煤层，在开采 14 煤层时留设区段 双系煤层群开采覆岩破裂演化规律 宗 建 强 （山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司长平公司 ， 山西 晋城 048000 ） 摘要 针对大同矿区双系煤层群的赋存特征及石炭系 3- 5 煤层开采的条件， 通过相似材料模拟实 验的方法，研究双系煤层群开采条件下坚硬顶板破断运动规律，观测坚硬岩层的破断形式和扩展范 围； 监测围岩应力分布， 分析双系煤层群多次采动过程中顶板应力分布规律， 为双系煤层群安全高效 开采提供理论指导。 关键字 双系煤层 ； 覆岩 ； 相似模拟 ； 应力分布 中图分类号 TD823文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 02- 0111- 04 Rupture Evolution Law of Overburden Rock in Binary Seam Group Mining ZONG Jianqiang Shanxi JinchengAnthracite Coal Mine Group Co., Ltd. ChangpingCompany ， Jincheng 048000 ， China Abstract In view of the occurrence characteristics of the Bi- system coal seam group and the mining conditions of the Carboniferous 3- 5 coal seam in Datongminingarea, through the ofanalogous material simulation experiment, the breakingmovement lawofthe hard roof under the mining conditions of the Bi- system coal seam group is studied, the breaking and extension range of the hard rock stratum are observed, the stress distribution ofthe surroundingrock is monitored, and the roofstress distribution during the multiple mining process ofthe Bi- systemcoal group is analyzed. The lawcan provide theoretical guidance for safe and efficient miningofBi- systemcoal seams. Key words Binarycoal seam; Overburden ; Similar simulation ; Stress distribution 111 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 煤柱， 石炭系 3- 5 煤层厚度为 13.6m， 采高 3.9m， 放 煤高度 9.7m， 工作面深度为 450m， 模拟实验方案见 图 2。 图 2相似模拟试验开采方案 2 ） 试验测试和分析内容。① 分别在两系煤层底 板和关键岩层处安装应力传感器， 采集应力数据。分 析下部石炭系煤层开采时， 工作面超前支承压力变化 特征， 以及支承压力变化与各硬厚岩层破断之间的关 系 [4-5]。② 通过全站仪记录 3- 5 煤层开采时顶板位 移。③ 使用照相机记录顶板结构变化特征及离层裂 隙发育变化规律。 3 ） 相似模型参数。 模型按 1∶200 的几何比例， 模 型的相似条件为 时间相似 CtCL ■ ≈1/12； 容重相似 Cγγmi/γpi1/1.5； 弹模相似 CEEmi/EpiCL Cγ1/300； 强度相似 CσCCl Cγ1/300； 泊松比相似 Cμμmi/μpi1。 4 ） 相似材料的配比。模拟实验配比材料用料是 根据李鸿昌的 矿山压力的相似模拟试验 查表 1 得 到。 表 1材料配比用料及铺设层次 3.3覆岩垮落及裂隙演化规律分析 3.3.1开采 11 煤层 遵循相似比， 按照开采顺序， 试验台两侧需留设 40cm的边界煤柱以消除边界效应， 首先开采 11 煤， 每 2h 采煤一次，模拟对应现场 24h；每次向前推进 5cm， 相当于现场采 10m。与此同时记录顶板破断运 动规律， 见图 3。 （a ）工作面推进 50m（b） 工作面推进 100m 图 311 煤开采顶板运动变化情况 据图 3，工作面自开切眼持续推至 90m过程中， 顶板上方约 3m的直接顶岩层 （砂质泥岩、 细砂岩 ） 产 生离层并相继弯曲下去， 同时因岩层坚硬在采空区悬 顶较大； 工作面再次推进后 （推进 100m ） ， 直接顶岩层 最终因弯曲下沉量过大在采空区垮落，垮落角为 60； 同时， 上部基本顶岩层因下部存在离层空间， 而 发生弯曲下沉。当工作面推进至 120m 左右时， 基本 顶岩层在采空区破断，此时上部岩层表现为弯曲下 沉， 顶板破裂高度发育至 22m。 随着工作面持续推进， 直接顶岩层在采空区即采即跨， 且基本顶岩层周期性 断裂， 最终顶板断裂高度发育至 42m。 3.3.2开采 14 煤层 11 煤层开采结束， 继续开挖 14 煤层， 中间留 设煤柱。开采 14 煤 8902- 1 工作面时， 直接顶 （砂质 泥岩 ） 产生离层， 并在采空区垮落， 随后基本顶岩层也 相继垮落， 最后顶板破坏高度大约是 18m， 垮落角为 60， 如图 4 所示。 图 414 煤 8902- 1 工作面开采覆岩运动变化情况 图 514 煤开采结束覆岩运动情况 层 号 岩性 层 厚 /cm 累厚 /cm 配比 用料 （总 ） 分 层 厚 /cm 重 复 次 数 砂子/kg 碳酸 钙/kg 石膏 kg 水/kg R28细砂岩50165.57821016.40116.1629.0491.80510 R27粗砂岩3115.577355.445.542.385.761.52 R26砂质泥岩2112.586435.22.641.764.0821 R2511 煤1.5110.586435.22.641.762.281.51 R24细砂岩310978255.446.3361.5846.121.52 R1火成岩1.518.586417.61.320.882.041.51 Coal3-5 煤71786460.84.563.046.8423 F1高岭岩1010864181.513.69.120.425 112 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 分析图 5 可知， 14 煤层 8902- 2 和 8902- 3 工 作面覆岩运动情况与 8902- 1 工作面开采时基本一 致， 在 8902- 2 工作面的开采影响下， 8902- 1 工作面 裂隙继续向上扩展，破坏高度达到 20m 左右； 8902- 3 工作面开采后， 破坏高度达到 15m 左右。由 于 14 煤层的开采扰动导致间隔层断裂，引起 11 煤顶板裂隙继续向上扩展， 原生裂隙闭合， 破坏高度 大约为 52m 左右。 3.3.3开采 3- 5 煤层 上部侏罗系煤层群开采完后， 重点开挖 3- 5 煤 层。观测开采时特厚煤层顶板破断规律， 见图 6。 （a ）工作面推采 40m （b）工作面推采 400m 图 63- 5 煤层开采过程中顶板破断特征 由图 6 可知， 因 3- 5 煤层的开采厚度大， 顶板岩 层运动波及范围广；在工作面推至 140m 范围内， 因 直接顶岩层厚度大、 强度高， 造成持续悬顶， 但最终依 次垮落， 破断高度达到 28m； 同时， 因 3- 5 煤层采出 厚度大，垮落的直接顶岩层无法完全填充采空区， 为 上部岩层运动产生较大的活动空间， 进而上部岩层弯 曲下沉。 工作面推进距离切眼位置 170m（即 14 煤层遗 留煤柱 ） 左右时， 由于 14 煤层遗留煤柱的影响， 亚关 键层 1 （K3 砂砾岩 ） 初次断裂， 块度较大， 顶板破坏高 度达到 58m； 同时， 其上方承担的软弱岩层随之垮落， 亚关键层 2 逐渐悬露， 并开始弯曲下沉。当工作面推 进 210 m时， 亚关键层 2 达到极限跨度而在采空区断 裂， 其上的软弱岩层整体性垮落， 并迫使下方岩层破 断， 顶板破坏高度达到 84m。 此外， 由于上覆硬厚岩层 （主关键层 ） 的存在， 顶板破断运动并未波及到上部侏 罗系煤层采空区， 双系煤层未贯通。 当工作面推采 260m 时， 上覆主关键层的悬跨度 不断增大， 并最终因达到其极限值而破断， 导致石炭 系煤层顶板破断结构与侏罗系煤层采空区连通。此 后， 工作面推进距离切眼位置 300m （即 14 煤层第二 遗留煤柱 ） 左右时， 14 煤遗留煤柱随之缓慢下沉， 上 覆顶板沿着煤柱边界产生竖向贯通性裂缝。由于 3- 5 煤层的开采影响， 贯穿性裂缝越来越大， 侏罗系 煤层群覆岩破坏高度加大， 达到 63m 左右； 当推进至 400m （即上系煤层边界） 时， 由于遗留煤柱及边界的 共同作用， 覆岩沿着煤柱边缘切落， 边界煤柱处产生 竖向裂纹。 3.4回采过程中遗留煤柱应力监测分析 模型共铺设 26 个应力传感器，其中在 11 煤边 界煤柱内布设两个传感器 （编号 1、 2 ） ； 在 14 煤层边 界以及区段煤柱内布设 4 个传感器（编号分别为 3、 4、 5、 6 ） ，在 14 煤区段煤柱正下布设 1 个传感器， 共 4 个 （编号分别为 7、 8、 9、 10 ） ； 在 3- 5 边界煤柱中各 布设 1 个传感器， 在 8207 工作面 （遗留煤柱正下方） 中每隔 20cm布设 1 个传感器， 共 10 个传感器。 图 714 煤左侧煤柱处 4 号传感器监测结果 根据试验中传感器测得的压力， 如图 7， 开采 11 煤层时， 14 煤柱处压力变化不大。当开采 14 煤层 第一工作面时， 煤柱中垂直应力逐步变大， 数据的变 化呈现阶梯状增加，当开采完 14 煤层第二工作面 时， 垂直应力达到最大， 随着顶板垮落， 采空区逐步被 压实， 煤柱处的垂直应力随之降低。当开采 14 煤层 第三工作面时， 由于巷道距离传感器较远， 开采对煤 柱应力变化影响较小。 开采 3- 5 煤经过遗留煤柱时， 因为关键层断裂， 区段煤柱切落， 失去承载能力， 应力 得到释放， 极易引发强矿压[6-8]。 3.5回采过程中覆岩位移监测分析 3.5.1测点布置 本次试验使用尼康 NIVO2.M 型全站仪观测位 移。 本模型分别在关键层以及紧邻煤层的顶板中布设 113 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 10 条观测线， 其中 11 顶板上方由上往下间隔 20cm 依次布设 3 排测点 （Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ ） ， 在 11 煤与 14 煤间 隔层布设 2 排测点（Ⅳ、Ⅴ ） ，分别距 14 煤顶板 2 cm、 12cm。 在 3- 5 顶板布设 5 排测点 （Ⅵ、 Ⅶ、 Ⅷ、 Ⅸ、 Ⅹ） ，其中，分别距离 3- 5 煤层顶板 2cm、 12cm、 22cm、 42cm、 62cm。 3.5.2监测结果分析 11 煤开采 由图 8 （a ） 可知， 11 煤刚开始开采 时， 覆岩几乎不移动， 随着工作面的继续推进， 下沉值 慢慢变大， 下沉曲线左右呈不对称的槽状。当推进至 180m 时 ， 1 号 观 测 线 7 号 点 的 最 大 下 沉 值 达 2815mm。 14 煤开采 在 14 煤开采过程中， 由于区段煤 柱的存在， 阻碍顶板下沉， 下沉曲线呈倒锯齿状， 最大 下沉量为 2437mm。 3- 5 煤开采 由图 8 （b ） 可知， 在 3- 5 煤开采过 程中， 模型开挖至 160m 时， 上部 22 m 位置的亚关键 层垮落， 其下沉量最大为 12309 mm； 以后， 亚关键层 呈周期断裂， 其下沉值逐步增大， 在开挖至 240m 时 达到 13624 mm。 （a ）第Ⅰ测线11 煤开采 （b ）主关键层测线3- 5 煤开采 图 8顶板位移监测结果 由回采工程中顶板位移变化曲线可以看出， 遗留 煤柱以及关键层的存在对于顶板运动影响较大。 4结论 1 ）顶板破断结构裂隙演化规律 开采 11 煤时， 顶板最大破坏高度为 42m， 形态呈现拱形； 随着 14 煤的开采， 11 煤上覆岩层裂隙进一步扩展，破坏高 度加大， 达到 52m， 同时两煤层之间的间隔层破坏， 顶 板裂隙贯通， 形成破断顶板群结构。3～5 煤层厚、 采 高大， 初采时由于关键层的存在， 直接顶呈悬臂梁结 构；当工作面推进至 160m（14 煤层的遗留煤柱下 方 ） 时， 亚关键层 1 垮断， 随后顶板周期性垮断， 破坏 高度达到 60m；当工作面推至 210m时，亚关键层 2 断裂， 之上控制的软弱岩层随之断裂， 顶板破坏高度 达到 80m； 当工作面推至 260m， 双系煤层群贯通， 最 终顶板破坏高度达到 160m。 2 ）顶板破断结构应力演化规律上部侏罗系煤 层开采后， 围岩应力平衡状态被打破， 围岩应力重新 分布， 应力向围岩转移， 在采空区上方形成应力拱， 呈 马鞍形。 石炭系煤层的开采改变了上部侏罗系煤层群 的应力及裂隙分布， 使已稳定的顶板破断结构再次活 动；同时， 14 煤层遗留煤柱受到下部石炭系煤层的 开采扰动， 应力向下传递， 造成应力场的叠加， 极易引 发下部石炭系煤层开采时发生强矿压事故。 参考文献 [1] 耿养谋. 矿山开采覆岩应力拱演化规律研究 [J]. 山东科 技大学学报自然科学版, 2009, 28 （4） 43- 47. [2] 来兴平, 王春龙, 单鹏飞,等. 采动覆岩破坏演化特征模型 实 验 与 分 析 [J]. 西 安 科 技 大 学 学 报 , 2016, 36（2） 151- 156. [3] 陈峰 [1. 基于数值模拟的采动影响下覆岩裂隙演化过程 分析[J]. 中国地质灾害与防治学报, 2014, 25 （2060- 65. [4] 彭苏萍, 孟召平, 李玉林. 断层对顶板稳定性影响相似模 拟试验研究[J]. 煤田地质与勘探, 2001, 2931- 4. [5] 杨科, 谢广祥, 常聚才. 不同采厚围岩力学特征的相似模 拟实验研究[J]. 煤炭学报, 2009111446- 1450. [6] 高瑞, 于斌, 孟祥斌. 工作面过煤柱强矿压显现机理及地 面压裂控制研究 [J]. 采矿与安全工程学报, 2018, 35 （2） 324- 331. [7] 于斌, 刘长友, 杨敬轩,等. 大同矿区双系煤层开采煤柱影 响下的强矿压显现机理 [J]. 煤炭学报, 2014, 39 （1） 40- 46. [8] 张西斌. 大采高综放工作面强矿压显现机理及防治技术 [J]. 煤矿安全, 2013, 44 （6） 208- 210. 作者简介 宗建强 （1987- 03- 20） ， 男， 汉族， 黑龙江省木兰县人， 助 理工程师， 本科， 2012 年毕业于黑龙江科技学院采矿工程专 业， 现从矿山采掘工程技术研究。 （收稿日期 2019- 5- 8） 114 ChaoXing