特厚煤层综放开采覆岩破坏高度.pdf

第 39 卷第 5 期煤 炭 学 报Vol. 39 No. 5 2014 年5 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYMay 2014 张宏伟,朱志洁,霍利杰,等. 特厚煤层综放开采覆岩破坏高度[J]. 煤炭学报,2014,395816-821. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. 2013. 0641 Zhang Hongwei,Zhu Zhijie,Huo Lijie,et al. Overburden failure height of superhigh seam by fully mechanized caving [J]. Journal of China Coal Society,2014,395816-821. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. 2013. 0641 特厚煤层综放开采覆岩破坏高度 张宏伟1,朱志洁1,霍利杰2,陈 蓥1,霍丙杰1,3 1. 辽宁工程技术大学 矿业学院,辽宁 阜新 123000;2. 同煤国电同忻煤矿有限公司,山西 大同 037003;3. 大同煤矿集团有限责任公司,山西 大同 037003 摘 要为了对特厚煤层综放开采覆岩破坏高度进行深入研究,以同忻煤矿15 m 特厚煤层为实例, 采用多种方法进行论证。 采用关键层理论和材料力学相关理论,对 8100 工作面回采过程的覆岩破 坏情况进行研究,结果表明覆岩破坏高度最大为 174. 6 m,各亚关键层控制着覆岩破坏的发育,主 关键层抑制着覆岩破坏的发育。 应用 EH-4 大地电磁法和数值模拟方法,综合确定了覆岩破坏高度 为150 172 m,验证了理论计算结果的正确性,理论计算可对覆岩破坏高度有效预计。 研究表明同 忻煤矿综放开采覆岩破坏高度为采高的10． 0 11.5 倍,关键层的破断控制着覆岩破坏的发育。 关键词特厚煤层;综放开采;覆岩破坏高度;关键层;EH-4 大地电磁法 中图分类号TD82;TD325 文献标志码A 文章编号0253-9993201405-0816-06 收稿日期2013-05-16 责任编辑王婉洁 基金项目国家自然科学基金资助项目51274117,51104085;辽宁省教育厅基金资助项目L2012106 作者简介张宏伟1957,男,黑龙江汤原人,教授,博士。 Tel0418-3350473,E-mailkyzhw263. net Overburden failure height of superhigh seam by fully mechanized caving ZHANG Hong-wei1,ZHU Zhi-jie1,HUO Li-jie2,CHEN Ying1,HUO Bing-jie1,3 1. College of Mining Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China;2. Datong Coal Guodian Tongxin Coal Mine Co. ,Ltd. ,Datong 037003,China;3. Datong Coal Mine Group Co. ,Ltd. ,Datong 037003,China AbstractIn order for further research on the overburden failure height of fully mechanized caving face,taking 15 m extra-thick coal seam of Tongxin Coal Mine as the research object,the demonstration was carried out by many meth- ods. Applied critical layer theory and material mechanics theory,overburden failure was analyzed as mining face mov- ing. The results show that overburden failure maximum height is 174. 6 m,the inferior key strata controlls overburden failure development and the main key stratum restrains overburden failure development. By adopting EH-4 magnetotel- luric s and numerical simulation s,the height of overburden failure was determined as 150-172 m re- sult,in consistent with theoretical calculation,theoretical calculation can be highly effectively predicted. The studies show that the overburden failure height of fully mechanized caving face is 10． 0-11． 5 times the height of min- ing in Tongxin Coal Mine and key strata controlls overburden failure development. Key wordsextremely thick coal seam;fully mechanized caving;overburden failure height;key stratum;EH-4 magne- totelluric 煤层开采后引起上覆岩层移动与破坏,覆岩破坏 发育的高度对矿井水灾害治理和水资源的保护具有 重要意义,同时对煤层气资源开发和瓦斯灾害防治也 具有重要作用。 国内外对覆岩破坏高度已经进行了 大量的研究[1-9],但对特厚煤层综放开采的覆岩破坏 特征研究较少。 本文以同忻煤矿 8100 综放工作面为 第 5 期张宏伟等特厚煤层综放开采覆岩破坏高度 研究对象,基于关键层和材料力学相关理论,分析了 特厚煤层综放工作面覆岩破坏发育过程及发育高度, 采用 EH-4 大地电磁法和数值模拟方法,对理论计算 结果的正确性进行验证,为实现同忻煤矿安全开采提 供了重要的参考数据和技术支撑。 1 同忻煤矿地质情况及开采条件 大同矿区开采侏罗、石炭二叠系双系煤田。 同忻 井田开采的是石炭二叠系煤层,可采煤层为 3 5 号 煤层。 8100 工作面位于该煤层北一盘区,煤层平均 厚度为 15． 3 m,倾角 2 3。 工作面倾向长度为 193 m,可采走向长度为1 406 m。 采用一次采全厚低 位放顶煤采煤法, 采高为 3． 9 m, 放顶煤高度为 11． 4 m。 8100 工作面顶板大部分都为坚硬砂岩,其 中基本顶为含砾粗砂岩,厚 2． 2 8． 3 m,直接顶为砂 质泥岩及炭质泥岩。 该工作面对应的上覆侏罗纪 8 号、9 号、11 号煤层大部分已采空,12 号、14 号煤层采 空区占工作面走向长度近一半,14 号煤层距本层间 距为 175 194 m图 1。 图 1 工作面布置平面 Fig． 1 Layout of working face arrangement 2 覆岩破坏高度理论分析 2． 1 覆岩破坏高度计算相关理论 对于硬岩层采用固支梁力学模型估算其极限跨 距[10],即 lG h 2σt q 1 式中, h 为岩层的厚度; σt为岩层的极限抗拉强度; q 为岩层的载荷。 对于软弱岩层,最大水平拉伸应变时的极限跨 距[11]为 lR h 8Eεmax 3q 2 式中, E 为岩层的弹性模量; εmax为岩层的最大水平 拉伸应变。 软弱岩层的最大挠度[11]为 ωmax 5ql4 384EI 3 式中,I 为截面惯性矩。 岩层下部自由空间高度为 Δi M -∑ i-1 j 1 hjkj- 14 其中, Δi为第 i 层岩层下的自由空间高度; M 为煤层 采高; hj为第 j 层岩层的厚度; kj为第 j 层岩石的残余 碎胀系数。 岩层断裂时的临界开采长度为 L ∑ m i 1 hicot φq l ∑ m i 1 hicot φh5 式中, m 为煤层顶板至该岩层下部的所有岩层数; hi 为第 i 层岩层的厚度;l 为该岩层的极限断跨距;φq, φh分别为岩层的前、后方断裂角。 断裂带的发育受到关键层的抗拉强度、软岩层的 抗应变能力、岩层下部的自由空间高度和工作面的推 进距离等因素共同影响。 可以通过关键层和软岩的 破断与其下部自由空间的高度关系判断断裂带的发 育情况。 具体判断方法如图 2 所示。 图 2 断裂带高度判断流程 Fig． 2 Flow chart of water flowing fracture zone judgement 2． 2 覆岩破坏高度理论计算 2． 2． 1 关键层的判定 由于 8100 工作面上方约 200 m 处为侏罗系采空 区,因此关键层计算边界至侏罗系采空区为止。 综合 北一盘区的钻孔数据,3 5 号煤层至侏罗系 14 号煤 层之间共有 25 层岩层表 1,其中以坚硬的砂岩和 砾岩为主。 根据关键层的判别条件[12],确定了 3 5 号煤上覆岩层各个关键层,计算结果见表 2。 718 煤 炭 学 报 2014 年第 39 卷 表 1 上覆岩层分布情况 Table 1 Rock ation columnar section 序号岩性 实际厚 度/ m 容重/ kNm -3 抗拉强 度/ MPa 弹性模 量/ GPa Y1砂质泥岩3． 226． 315． 4718． 35 Y2K3 砂岩5． 325． 447． 6836． 21 Y3中粒砂岩7． 726． 736． 1429． 57 Y4细粒砂岩2． 127． 127． 8135． 54 Y5粉砂岩5． 326． 454． 9723． 64 Y6山 4 煤2． 110． 361． 274． 20 Y7粉砂岩2． 425． 784． 2523． 35 Y8粗粒砂岩4． 324． 214． 8220． 32 Y9细粒砂岩14． 825． 628． 2035． 62 Y10砾岩12． 927． 354． 3428． 43 Y11粗粒砂岩3． 523． 895． 2419． 98 Y12砾岩12． 027． 104． 3428． 74 Y13中粒砂岩13． 725． 527． 0129． 62 Y14粉砂岩3． 224． 584． 4523． 48 Y15细粒砂岩10． 727． 177． 9335． 21 Y16砾岩4． 626． 954． 2328． 64 Y17细粒砂岩10． 326． 517． 8736． 01 Y18粉砂岩10． 525． 204． 5223． 17 Y19砂质泥岩6． 925． 985． 8118． 46 Y20砾岩5． 127． 153． 9228． 42 Y21砂质泥岩2． 926． 514． 1418． 56 Y22细粒砂岩10． 726． 828． 1136． 12 Y23粗粒砂岩14． 325． 245． 3421． 31 Y24细粒砂岩6． 227． 548． 6435． 87 Y25粗粒砂岩25． 425． 375． 4220． 12 表 2 关键层判定结果 Table 2 Determination results of key stratum 序号岩性 实际厚 度/ m 关键层 破断 距/ m 距离煤层顶 板距离/ m Y25粗粒砂岩25． 4主关键层104． 18174． 6 Y22细粒砂岩10． 7亚关键层Ⅲ76． 82143． 5 Y9细粒砂岩14． 8亚关键层Ⅱ67． 4432． 4 Y2K3 砂岩5． 3亚关键层Ⅰ52． 183． 2 2． 2． 2 工作面覆岩破坏理论分析 由于覆岩以坚硬岩层为主,计算覆岩破坏高度 时,不需考虑软弱岩层的作用。 结合关键层判定结 果,根据覆岩破坏高度判断流程图 2以及判定公式 1 5,可以确定工作面推进不同位置时覆岩破 坏的发育情况表3。 由表3 可知,工作面推进至55 和 109 m 时,亚关键层Ⅰ和亚关键层Ⅱ发生破断,其 上控制的岩层也随之发生破坏,断裂带发育高度为 32． 4 m 和143． 5 m。 当工作面推进至193 m 时,关键 层Ⅲ发生破断覆岩裂隙发育至主关键层底部,断裂带 发育高度为 174． 7 m。 随着工作面继续推进,由于主 关键层的倾向悬露距离小于其极限跨距,断裂带发育 至主关键层下部截止。 表 3 各关键层随工作面推进初次破断情况 Table 3 Each key stratum first breaking with working face moving 工作面推进距离/ m覆岩破坏高度/ m关键层初次破断 5532． 4Y2亚关键层Ⅰ 109143． 5Y9亚关键层Ⅱ 193174． 7Y22亚关键层Ⅲ 由上述理论分析可知,裂隙发育至主关键层下部 时,由于主关键层不满足其破断条件,裂隙停止继续 向上发育。 各个亚关键层控制着其上局部覆岩裂隙 的发育, 主关键层控制着其上所有岩层的裂隙 发育。 3 覆岩破坏高度物理探测分析 3． 1 EH-4 物理探测方案 EH-4 大地电磁法是大地电磁测深技术之一,它 利用天然或人工电磁场的测量,获得地下介质电阻率 的分布规律,达到解决地下岩性分带、地层划分、断层 破碎带探测、 地下采空区等工程地质问题的目 的[13-15]。 采用 EH-4 大地电磁法,对 8100 工作面不同开 采阶段覆岩破坏特征进行物理探测,分析不同层位电 导率的分布特征,确定工作面上覆岩层垮落带与断裂 带范围。 在 8100 工作面对应的地表布置 2 条测线,1 号测线布置在 8100 工作面未开采区域的地表,2 号 测线布置在 8100 工作面已开采区域的地表,具体测 线布置如图 1 所示。 分 3 个阶段对该 2 条测线进行 探测第 1 阶段为 2011 年 5 月,此时工作面推至 1 号 测线和 2 号测线之间,工作面推过 2 号测线 1 1． 5 个月;第 2 阶段为 2011 年 8 月,此时工作面采过 1 号 测线 2 个月;第 3 阶段为 2012 年 5 月。 3． 2 EH-4 物理探测结果分析 图 3 为 1 号测线不同阶段大地电阻率二维反演 图图中双黑虚线为煤层位置。 从图 3a中可以 看到,电阻率等值线平滑,疏密变化不大,呈层状分 布,电性标志层稳定。 结果证实了该区域内煤层未经 采动影响,岩层赋存稳定。 从图 3b中可以看到,在 水平方向 80 180 m,标高在 800 880 m 有一高阻 闭合圈图 3b中红色虚线所示,该异常区域范围 与图 1 中所示的 8100 综放工作面的范围吻合,推断 此高阻异常区为 8100 综放工作面开采后形成的垮落 818 第 5 期张宏伟等特厚煤层综放开采覆岩破坏高度 带,影响高度约 80 m。 图中蓝色虚线为工作面开采 后断裂带发育高度的边界,影响高度约 150 m。 由断 裂带的边界至地面均为弯曲下沉带。 从图 3c中可 以看到,煤层所在位置图中黑色虚线上覆岩层一 定范围内呈现高阻分布,且电阻率等值线平稳、连续, 层状分布,说明工作面上覆岩层经过 1 a 的运动已达 到稳定状态,岩层的松散与裂隙是造成高阻的原因, 稳定后的岩层重新恢复了层状分布。 图 4 为 2 号测线不同阶段大地电阻率二维反演 图中双黑虚线为煤层位置。 在图 4a中可以看 到,在水平方向 80 300 m,标高在 800 900 m 有一 高阻闭合圈图 4a中红色虚线所示,其上部电阻 率等值线平稳、连续,层状分布,而且该异常区域范围 与图 1 中所示的 8100 综放工作面的范围吻合,因此 推断此高阻异常区为 8100 综放面开采后形成的垮落 带,影响高度约 100 m。 图中蓝色虚线为工作面开采 后断裂带发育高度的边界,影响高度约 170 m。 由断 裂带的边界至地面均为弯曲下沉带。 图 4b中形成 的高异常带的形态与范围基本与第一阶段形成的图 4a中的基本一致,推断工作面垮落带影响高度约 100 m,断裂带影响高度约 170 m。 在图 4c同样是 电阻率等值线平稳、连续,层状分布,说明工作面上覆 岩层经过 1 a 的运动已达到稳定状态,稳定后的岩层 重新恢复了层状分布。 图 3 1 号测线大地电阻率二维反演 Fig． 3 EH-4 two-dimensional inversion profile of No． 1 survey line 图 4 2 号测线大地电阻率二维反演 Fig． 4 EH-4 two-dimensional inversion profile of No． 2 survey line 通过上述分析,同忻煤矿 8100 工作面开采后形 成的覆岩破坏高度为 150 170 m表 4,采高按 15 m 计算,其覆岩破坏高度与采厚之比为 10． 0 11． 3,随着开采结束时间的增长及覆岩远离工作面, 垮落带内岩层被压实,断裂带的发育程度越来越小, 物理探测时可能捕捉不到微小裂隙造成的电性变化, 918 煤 炭 学 报 2014 年第 39 卷 因此实际中断裂带的高度可能要稍大于探测结果。 表 4 “两带”高度探测结果 Table 4 Exploration results of two zones the height 测线序号垮落带高度/ m断裂带高度/ m 18070 210070 4 覆岩破坏高度数值的模拟分析 4． 1 数值计算模型的建立 为研究 8100 工作面采后上覆岩层破坏分布规 律,建立 FLAC3D数值计算模型。 模型采用摩尔-库 伦准则,模型尺寸为 400 m200 m250 m长宽 高,共建立 303 000 个单元,468 180 个节点,煤层厚 15． 3 m, 模拟工作面长度为 193 m, 推进长度为 200 m,模型共计28 层。 在模型 x 轴方向施加21． 2 16． 5 MPa 的梯度应力;模型 y 轴方向施加 6． 5 5． 1 MPa 的梯度应力;模型上部施加 11． 3 MPa 的等 效载荷,z 轴方向设定自重载荷。 4． 2 数值计算结果分析 图 5 为工作面充分采动时塑性区分布。 由图 5 可知,自煤层顶板由下自上为拉伸破坏、拉伸裂隙、剪 切破坏和未破坏区。 采空区中间覆岩破坏高度低于 两侧的“马鞍型”破坏形态分布。 在顶板的 65 m 范 围内,覆岩同时发生剪切和拉伸破坏,认为此区域为 “三带”中的垮落带;在顶板之上 65 172 m 范围内, 覆岩进入剪切破坏区域,认为此区域是覆岩破坏“三 带”中的断裂带。 因此,可以确定 8100 工作面覆岩 破坏高度约为 172 m,该结果与 EH-4 大地电磁法探 测结果相吻合。 图 5 工作面充分采动时塑性区分布范围 Fig． 5 Range of plastic zone under full mining 5 覆岩破坏高度综合分析 对开采石炭二叠系煤层的同忻煤矿 8100 工作面 进行物理探测和数值模拟,确定了 8100 工作面覆岩 破坏发育高度为 150 172 m,与理论计算结果相一 致。 3 5 号煤层平均采厚为 15 m,覆岩破坏发育高 度为采厚的 10． 0 11． 5 倍。 8100 工作面与侏罗系煤层相距 175 194 m,大 于确定的覆岩破坏高度,未出现采空区裂隙联通现 象。 而 8106 工作面与侏罗系煤层相距 125 140 m, 小于确定的覆岩破坏高度,出现了采空区裂隙联通现 象,进一步验证了该结果的正确性。 在两系间距小于 180 m 的区域可通过控制有效采高、充填开采等方法 减小覆岩破坏发育高度,防止侏罗系煤层采空区有毒 有害气体涌入石炭二叠系煤层工作面而引起安全事 故。 6 结 论 1采用关键层理论和材料力学相关理论,确定 综放工作面开采的覆岩破坏高度为 174． 6 m。 各亚 关键层控制着覆岩破坏的发育,主关键层抑制覆岩破 坏。 2采用 EH-4 大地电磁法和数值模拟方法,综 合确定同忻煤矿 8100 工作面综放开采后覆岩破坏高 度为 150 170 m,验证了理论计算结果的正确性,采 用该理论计算方法可对覆岩破坏高度进行有效预计。 3通过分析同忻煤矿各工作面与上部侏罗系 煤层采空区相互联通情况,进一步对覆岩破坏高度进 行验证,与采空区裂隙联通情况相互吻合。 参考文献 [1] 杜 锋,白海波. 厚松散层薄基岩综放开采覆岩破断机理研究 [J]. 煤炭学报,2012,3771105-1110. 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