岩层采动裂隙分布在绿色开采中的应用.pdf

收稿日期 20031020 基金项目煤炭科学基金项目 97 采10102;国家自然科学基金项目59674011, 50374066 作者简介许家林19662 , 男,江苏省镇江市人,中国矿业大学副教授,工学博士,从事岩层控制和煤矿绿色开采方面的研究. 第33卷 第2期 中国矿业大学学报 Vol . 33 No. 2 2004年3月 Journalof China U niversity ofM ining 采动裂隙;离层区充填;卸压煤层气开采;绿色开采 中图分类号 TD 325; TD 713 文献标识码 A Study and Application ofM ining2Induced Fracture Distribution in GreenM ining XU Jia2lin, Q I AN M ing2gao SchoolofM ineral and Energy Resources, CUM T, Xuzhou, Jiangsu 221008, China AbstractThe study of m ining2induced fracture distributions is closely related to some m ining engineering problem s such as m ining under or above water bodies, relieved coalbed methane drainage, overburden bed separation grouting and m ining subsidence control etc .By means of experi ments and theoretical analysis,the dynam ic distributions and its influence factors of the m ining2induced fractureswere studied. The results show that the key strata control the emergence, development and space2ti me distribution of the overburden bed separations and fractures . Based on the dynam ic distribution characteristics of the m ining2induced fractures, the of isolated section grouting for the overburden bed separation space to reduce subsidence and the O2shaped circle theory for relieved2methane drainage were proposed, and they have been applied respectively in some coalm ines in China to reducem ining subsidence and to drain relieved methane . Key wordskey stratum theory in ground control; m ining2induced fractures; overburden bed separation grouting; relieved methane drainage; green m ining 1 岩层采动裂隙与绿色开采的关系 煤层开采后将引起岩层移动与破断,并在岩层 中形成采动裂隙.按岩层采动裂隙出现的位置可以 分为顶板岩层采动裂隙、 煤层采动裂隙、 底板岩层 采动裂隙、 地表采动裂隙.按采动裂隙的性质可以 分为竖向破断裂隙、 岩层层间的离层裂隙和断层 面的活化.贯通的竖向破断裂隙是地下水与瓦斯穿 层流向回采工作面与采空区的通道;离层裂隙是覆 岩软硬岩层间不同步下沉引起的,可以利用它减缓 地表下沉;采动断层活化会加剧地表沉陷的危害, 引发井下水与瓦斯突出事故.岩层采动裂隙的重新 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 压实与闭合程度还将影响地表下沉,尤其是冒落带 与裂隙带岩层采动裂隙与碎胀压实特性将直接影 响地表下沉系数.显然,岩层采动裂隙分布的研究 不仅与煤矿地下水资源的破坏与保护及井下突水 事故有关,也与煤层采动瓦斯卸压流动与煤矿瓦斯 事故及煤层气资源的高效开采有关.采动覆岩离层 动态分布规律的研究将为离层区充填减沉提供理 论指导.因此,岩层采动裂隙分布的研究具有重要 的理论与实践意义[1]. 岩层采动裂隙分布理论与应用研究应包含的 主要内容及相互关系如图1所示.本文就图1所示 的部分内容开展了研究. 图1 采动裂隙分布与应用研究内容框图 Fig. 1 Sketch of contents about study and application of m ining- induced fracture distribution 2 覆岩采动裂隙动态分布规律 刘天泉院士等对我国煤矿开采覆岩破坏与导 水裂隙分布作了大量的实测和理论研究[225],对采 场上覆岩层移动破断与采动裂隙分布规律提出了 “横三区” 、 “竖三带” 的总体认识,即沿工作面推进 方向覆岩将分别经历煤壁支承影响区、 离层区、 重 新压实区,由下往上岩层移动分为垮落带、 断裂带、 整体弯曲下沉带;得出计算导水裂隙带高度的经验 公式,并指导了许多煤矿的水体下采煤试验.随着 覆岩离层区充填减沉技术在我国煤矿的应用,国内 许多学者对覆岩离层进行了多方面的研究[6211]. 由于对岩层内部移动的动态过程难以清楚地 了解,因而难以掌握岩层采动裂隙动态发育规律, 这显然不能更好地适应煤矿绿色开采实践的需求. 为了解决岩层控制中更为广泛的问题,于1996年 提出了岩层控制的关键层理论[12214],它为深入研究 岩层内部移动的动态过程和岩层采动裂隙动态分 布规律提供了强有力的理论工具.关键层理论的基 本学术思想为由于成岩时间及矿物成分不同,煤 系地层形成了厚度不等、 强度不同的多层岩层,其 中一层至数层厚硬岩层在岩层移动中起主要的控 制作用,将对岩体活动全部或局部起控制作用的岩 层称为关键层.关键层判别的主要依据是其变形和 破断特征,即在关键层破断时,其上部全部岩层或 局部岩层的下沉变形是相互协调一致的,前者称为 岩层活动的主关键层,后者称为亚关键层.也就是 说,关键层的断裂将导致全部或相当部分的上覆岩 层产生整体运动.覆岩中的亚关键层可能不止一 层,而主关键层只有一层.为了弄清开采时由下往 上传递的岩层移动动态过程,并对岩层移动过程中 形成的采场矿压显现、 煤岩体中水与瓦斯的流动和 地表沉陷等状态的变化进行有效监测与控制,关键 在于弄清关键层的变形破断及其运动规律以及在 运动过程中与软岩层间的相互耦合作用关系. 基于关键层理论,对覆岩采动裂隙的动态分布 规律开展了深入的研究[13217],有关研究成果归纳 总结如下 1 岩层移动过程中的离层主要出现在各关键 层下,覆岩离层最大发育高度止于覆岩主关键层. 当相邻两关键层复合破断时,尽管上部关键层的厚 度与硬度比下部关键层大,其下部也不会出现离 层. 2 沿工作面推进方向,关键层下离层动态分 布呈现两阶段发展规律即关键层初次破断前,随 着工作面推进,离层量不断增大,最大离层位于采 空区中部.关键层初次破断后,关键层在采空区中 部离层趋于压实,而在采空区两侧仍各自保持一个 离层区.工作面侧的离层区是随着工作面开采而不 断前移的,工作面侧离层区最大宽度及高度仅为关 键层初次破断前的13～14.从平面看,在采空区 四周存在一沿层面横向连通的离层发育区,称之为 采动裂隙 “O” 形圈.沿顶板高度方向,随工作面推 进离层呈跳跃式由下往上发展. 3 贯通的竖向破断裂隙是水与瓦斯涌入工作 面的通道,故也称其为 “导水、 导气” 裂隙.“导水、 导 气” 裂隙仅在覆岩一定高度范围内发育,其最大发 育高度与采高及岩性有关.对 “导气” 裂隙发育动态 过程的研究表明,在开采初期,下位关键层的破断 运动对 “导气” 裂隙从下往上发展的动态过程起控 制作用,导气裂隙高度由下往上发展是非均速的, 随关键层的破断而突变.当采空区面积达一定值 后,“导气” 裂隙的分布也同样呈 “O” 形圈特征,它 是正常回采期间邻近层卸压瓦斯流向采空区的主 要通道. 241 中国矿业大学学报 第33卷 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 3 在覆岩离层区充填减沉试验中的应用研 究 3. 1 基于关键层理论的开采沉陷控制原则 实测和模拟研究结果证明[18],主关键层对地 表移动的动态过程起控制作用,主关键层的破断将 导致地表快速下沉.由于覆岩主关键层的破断将导 致地表下沉的明显增大,因此,可将保证覆岩主关 键层不破断失稳作为建筑物下采煤设计的原则.为 了保证建筑物下采煤既具有较好的经济效益,同时 又确保地面建筑物不受到损害,关键在于根据具体 条件下覆岩结构与主关键层特征来研究确定合理 的减沉开采技术及参数.其原则为判别覆岩层中 的主关键层位置,在对主关键层破断特征进行研究 的基础上,通过合理设计条带开采、 覆岩离层区充 填、 采空区部分充填等技术手段来保证覆岩主关键 层不破断并保持长期稳定.形成基于上述原则的建 筑物下采煤定量化设计方法,将是煤矿绿色开采技 术进一步研究的重点之一. 3. 2 覆岩离层分区隔离充填减沉原理 充填开采技术是煤矿绿色开采技术的重要组 成部分.如何降低充填成本,是煤矿充填采矿技术 研究的关键问题.按充填位置,充填方法包括离层 区充填和采空区充填.覆岩离层区充填减沉的基本 原理是利用岩移过程中覆岩内形成的离层空洞,从 钻孔向离层空洞充填外来材料来支撑覆岩,从而减 缓覆岩移动往地表的传播.覆岩离层区充填与采空 区充填的不同在于其充填区不在采空区而在上部 岩层,充填工作不会干扰井下工作面的生产. 离层区充填是20世纪80年代从波兰首先发 展起来的,自80年代后期抚顺矿务局在我国首次 采用离层区充填减缓地表下沉的试验取得成功之 后,此项技术引起了我国从事开采沉陷及 “三下” 采 煤的专家和工程技术人员的重视,先后在新汶华丰 煤矿、 兖州东滩煤矿、 开滦唐山等多个煤矿进行了 离层注浆减缓地表沉降现场试验,取得了一定的成 效[19225]. 关键层理论研究表明,关键层初次破断前的离 层区发育、 离层量大,易于充填;而一旦关键层初次 破断后,关键层下离层量明显变小,充填难度增加. 因此,离层充填必须在关键层初次破断前进行.钻 孔布置及最佳的充填减沉效果应保证关键层始终 不发生初次破断,文献[16]提出了阻止关键层初次 破断的充填钻孔布置原则.但由于离层区充填为非 固结充填材料,浆液浓度稀,关键层下离层随采面 推进不断扩展,浆液随之向前流动,关键层初次破 断前其下离层空间很难被充填满.因而,充填浆液 不能对初次破断前的关键层进行支撑,不能阻止关 键层的初次破断,文献[16]提出的钻孔布置原则实 际上难以实现阻止关键层不发生初次破断,从而影 响后续离层注浆和注浆减沉效果.这是我国一些矿 井离层注浆减沉试验未达到预想效果的主要原因 之一. 针对现有离层充填工艺不能阻止关键层的初 次破断问题,作者提出了 “覆岩离层分区隔离充填 减沉法”,其基本原理是见图2按关键层初次破 断所允许的极限跨距对采面进行分区,分区间采用 跳采的方式,使关键层下离层区在关键层初次破断 前被分区隔离煤柱隔离成各自封闭的空间,确保各 个分区隔离的离层区可以充满浆体,从而起到对关 键层有效支撑作用.目前离层充填材料中水的比重 过大,浆体中的水仅起输灰作用,随着煤层不断开 采和时间的推移,浆体中的水最终将大部分流失, 最终对关键层起支撑作用的是灰体而非浆体.鉴于 上述原因,进一步提出了 “覆岩离层分区隔离充填 减沉法” 的主动滤水技术思路与其让浆体中的水 缓慢被动漏失,不如采取主动滤水措施,增加注灰 量,提高对关键层的支撑能力. 图2 覆岩离层分区隔离充填减沉原理示意图 Fig. 2 Theoretical sketch of isolated section2grouting for overburden bed separation space to reduce subsidence 当分区隔离煤柱被采出,分区内关键层下部岩 层一般将会继续下沉,导致原已对关键层起支撑作 用的充填体脱离关键层,关键层下再次出现离层, 从而导致关键层悬跨面积超出其初次破断的极限 悬跨面积而发生破断.因此,必须在两分区间留设 永久煤柱,实际上形成了离层区充填与条带开采两 种方法相结合的综合减沉方案.此时,“离层区充填 体关键层永久分区隔离煤柱” 形成共同承载 体,离层区充填体分担部分覆岩载荷,减少了分区 隔离煤柱上载荷,其载荷小于条带开采留设煤柱承 受载荷.因而永久分区隔离煤柱宽度小于单纯条带 开采留设煤柱宽度.离层区干灰充填量越多,充填 体承担载荷越多,永久分区隔离煤柱宽度相对越 小. 上述的 “覆岩离层分区隔离充填减沉法”,目前 341第2期 许家林等岩层采动裂隙分布在绿色开采中的应用 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 正应用于淮北海孜煤矿巨厚火成岩条件下不迁村 绿色开采试验. 4 在 “煤与煤层气共采” 技术中的应用研究 煤层瓦斯即煤层气,它既是一种有害气体,同 时又是一种洁净、 高效燃料和优质的化工原料.瓦 斯爆炸、 煤与瓦斯突出,一直是我国煤矿所面临的 重大灾害.同时,因煤炭开采而排放到大气中的瓦 斯还加剧了温室效应,造成了环境污染.将煤层气 作为一种资源加以开采利用,是解决上述问题的极 好出路. 由于我国煤储层的渗透率普遍较低,这对在煤 层开采前进行煤层气开采是不利的.当煤层开采 后,由于岩层移动导致岩层应力场与裂隙场的改 变,即使是渗透率很低的煤层,其渗透率也将增大 数十倍至数百倍,为煤层气卸压运移和开采创造了 条件.因而,我国应重视对卸压煤层气开采的研究, 走 “煤与煤层气共采” 之路.即将煤层气作为一种资 源,充分利用采煤过程中岩层移动对瓦斯卸压作用 并根据岩层采动裂隙分布来优化抽放方案、 提高采 出率,在煤层开采时形成采煤和采煤层气两个完整 的开采系统,即形成 “煤与煤层气共采” 技术,煤矿 从采掘部署上把卸压煤层气开采当作正规的开采 工艺流程,从时间、 空间与资金上给于保证,对开采 煤层气进行利用. 将关键层理论及采动裂隙场分布规律应用于 卸压瓦斯抽放研究,建立卸压瓦斯抽放的 “O” 形圈 理论如下[26]采动裂隙 “O” 形圈相当于一条 “瓦斯 河”,周围煤岩体中的瓦斯解析后通过渗流不断地 汇集到这条 “瓦斯河” 中.因此,卸压瓦斯抽放钻孔 应打到采动裂隙 “O” 形圈内,以保证钻孔有较长的 抽放时间、 较大的抽放范围、 较高的瓦斯抽放率.卸 压瓦斯抽放 “O” 形圈理论是指导卸压瓦斯抽放孔 巷布置的基本原则,已在淮北、 阳泉、 淮南等矿区 的上覆远距离煤层卸压煤层气开采、 邻近层卸压煤 层气开采、 本煤层采空区卸压煤层气开采中进行了 成功试验与应用[26229 ]. 5 结 语 岩层采动裂隙分布的研究是煤矿绿色开采的 重要理论基础之一,基于岩层控制的关键层理论和 煤矿绿色开采的思想,重点研究了岩层移动过程中 覆岩离层与竖向破断裂隙的动态分布规律,并将有 关研究成果应用于我国 “煤与煤层气共采” 技术研 究和实践、 覆岩离层区充填减沉试验.有关瓦斯与 水在裂隙场中的运移机理、 卸压瓦斯抽放钻孔采动 破坏与防护、 覆岩离层分区隔离充填减沉法的适用 条件与减沉效果、 保水采煤、 岩层采动裂隙分布对 开采沉陷的影响等方面还有待深入研究. 参考文献 [1] 钱鸣高,许家林,缪协兴.煤矿绿色开采技术[J ].中 国矿业大学学报, 2003, 324 3432348. 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