浅埋煤层覆岩关键层结构分类.pdf

第 3 4卷第 7期 2 0 0 9年 7月 煤 炭 学 报 J 0URN AL 0F C HI NA C 0A L S OC I E T Y Vo1 ． 3 4 No． 7 J u l y 2 0 0 9 文章 编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 0 9 0 70 8 6 5 0 6 浅埋煤层 覆岩 关键层结构 分类 许家林 ，朱卫兵 ，王晓 振 ，伊茂森 1 ．中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室 ，江苏 徐州2 2 1 0 0 8；2 ．中国神华能源股份有限公 司 神东煤炭分公 司 ，陕西 神木 7 1 9 3 1 5 摘要 以神 东矿 区浅埋煤层开采为工程背景 ，对浅埋煤层覆岩关键层结构的类型及其破 断失稳 特征进行 了研究．结果表明，浅埋煤层覆岩 关键层结构类型可分为单一关键层和 多层关键层 结 构 ；单一关键层结构又分为厚硬单一关键层结构 、复合单一关键层结构、上煤层 已采单一关键层 结构 3种类型．单一关键层结构是导致浅埋煤层特殊采动损 害现象的地质根 源，浅埋煤层单一关 键层结构采动破断运动不仅对工作面矿压产生影响，同时会影响顶板 涌水溃沙和地表沉陷．关键 层破断块体结构承担 的载荷层厚度大而不能满足砌体梁结构不发生滑落失稳的条件 ，从而导致关 键层破断块体滑落失稳 ，这是导致神 东矿 区浅埋煤层单一关键层结构工作面 易出现 台阶下沉和压 架出水等采动损 害问题的力学机理．确定了神 东矿 区浅埋煤层覆岩关键层结构类型的判别方法． 关键词 浅埋煤层 ；关键层 ；涌水溃沙；采动裂隙；压架事故；绿色开采 中图分类号 T D 3 1 文献标识码 A Cl a s s i fic a t i o n o f ke y s t r a t a s t r uc t ur e o f o v e r l y i n g s t r a t a i n s h a l l o w c o a l s e a m XU J i a l i n ，Z HU We i b i n g ，WANG Xi a o ． z h e n ，YI Ma o ． s e n 1 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f C o a f R e s o u r c e a n d Mi n e S a f e t y ， C h i n a U n i v e r s i t y o yMi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 0 0 8；2 ． S h e n d o n g C o a f C o m p a n y ， C h i n a S h e n h u a E n e r g y C o m p a n y L i m i t e d，S h e n mu 7 1 9 3 1 5 ，C h i n a Abs t r ac t Ba s e d o n t h e e n g i n e e r ba c k g r o u n d o f s ha l l o w c o a l s e a m e x t r a c t e d i n S h e n d o n g c o a l fie l d i n Ch i n a，b o t h t h e s t r u c t u r e t y p e a n d t h e b r e a k a g e a n d u n b a l a n c e c h a r a c t e r o f o v e r b u r d e n k e y s t r a t u m K S w e r e s t u d i e d a s t h e c o n d i t i o n o f s h a l l o w c o a l s e a m．Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e s t ru c t u r e t y p e o f o v e r b u r d e n KS c a n b e c l a s s i fie d i n t o f o u r g r o u p s wi t h i n t wo t y p e s ，s i n g l e KS s t ru c t ur e a n d mu l t i KS s t ruc t u r e ． S i n g l e KS s t ruc t u r e i s d i v i d e d i n t o t h i c k r i g i d g r o u p，c o mp o u n d g r o u p a n d o v e r s e a m e x t r a c t e d g r o u p．Th e un b a l a n c e o f s i n g l e KS s t ru c t u r e i s t h e g e o l o g i c s e a s o n t o t h e u n u s u a l mi n i n g s u b s i d e n c e ph e n o me n o n a s i n s ha l l o w c o a l s e a m ，a n d i t s b r e a k a g e pr o c e s s n o t o n l y e n g e n d e r s h ug e e f f e c t t o u n d e r g r o un d p r e s s u r e a r o u n d wo r k f a c e bu t a l s o c a us e s t he wa t e r o r s a n d ru s h f r o m t h e r o o f a n d t h e s u r f a c e s ub s i d e n c e ．Th e b l o c k s t r u c t u r e f o r me d b y t h e br e a k a g e o f KS b e a r s t o o mu c h s e l f - l o a d t o c o me t o t h e s l i d i n g c r i t e r i a o f v o u s s o i r b e a m ，S O t h a t t h e b l o c k s s l i de d o wn a nd t he s t ruc t ur e i s u n b a l a n c e d，wh i c h i s t h e d y n a mi c me c h a n i s m o f f r e qu e n t s i d e s t e p s u bs i d e n c e，wa t e r a n d s a n d ru s h，a n d me c h a n i z e d s u p p o s c ru s h i n g h a p p e ne d a r o u n d wo r k f a e e c o v e r e d b y s i n g l e KS i n s h a l l o w c o a l s e a m e x t r a c t e d i n S he n d o n g c o a l fie l d ． T he d i s t i ng u i s h i n g me t h o d o f o v e r b u r d e n KS t y pe s i n s ha l l o w c o a l s e a m e x t r a c t e d i n S h e n d o n g c o a l fie l d wa s d e fin e d． Ke y wo r d s s h a l l o w c o a l s e a m ；k e y s t r a t u m ；wa t e r a n d s a n d i n ru s h；mi n i n g c r a c k；f u l l y me c h a n i z e d s up p o s c rus h i n g a c c i d e n t ；g r e e n mi n i n g 收稿 日期 2 0 0 8 0 7 3 0 责任编辑 柴海涛 基金项 目国家重点基础研究发展计划 9 7 3基金 资助项 目 2 0 0 7 C B 2 0 9 4 0 0 ；教育部新世 纪优 秀人才 支持计划资 助项 目 N C E T O 50 4 7 81 作者简介 许家林 1 9 6 6 一 ，男 ，江苏句 容人 ，教授 ，博 士生导师．T e l 0 5 1 68 3 8 8 5 5 8 1 ，Ema i l c u m t x j l c u m t ． e d u ． a n 煤 炭 学 报 2 0 0 9 年第3 4 卷 神东矿区浅埋煤层开采中遇到了一系列影响安全高效生产的采动损害问题 ，如工作 面压架 和冒顶事 故 、涌水溃沙事故 、地表大面积塌陷且裂缝发育等 ，需对此进行深入研究 ，以揭示其发生机理与产生 条件，提出防范对策．神东矿区浅埋煤层开采中遇到的上述采动损害问题都是 由采动覆岩破断运动所致 ， 掌握浅埋煤层采动覆岩破断运动规律是解决上述问题的基础．岩层控制的关键层理论为浅埋煤层采动覆岩 破断运动规律的研究提供了有力的理论工具．事实上 ，已有学者应用关键层理论对浅埋煤层采场矿压问题 开展了卓有成效的研究工作 ，侯忠杰等应用岩层控制的关键层理论对神东矿区浅埋煤层上覆基岩全厚切落 的机理进行了合理 的解释，提出了浅埋煤层复合关键层的概念 ，并基于关键层理论建立了判别浅埋煤层覆 岩是否为复合关键层及是否全厚切落的条件_ 6 J ．事实上 ，同样是浅埋煤层 ，由于其覆岩岩性结构组合关 系的不同，工作面矿压显现呈现不同的特点 ，即使矿压显现都强烈，其产生的机理也不一定相同，如印度 浅埋煤层与神东矿区浅埋煤层压架事故的机理是有差异的 。 。 ．因此 ，有必要对浅埋煤层覆岩关键层结 构类型进行分类，并提出具体条件下覆岩关键层结构类型的判别方法． 1 浅埋煤层覆岩关键层结构分类 根据不同矿区浅埋煤层覆岩赋存结构特征 ，将浅 埋煤层覆岩关键层结构分为如 图 1所示的 2类 4种 第 1类为单一关键层结 构，包 括厚硬单 一关键层结 构、复合单一关键层结构和上煤层 已采单一关键层结 构等 3种；第 2类为多层关键层结构 1 种． 1 ． 1 厚硬单一关键层结构 图 1 浅埋 煤层 覆岩关键层结构分类 F i g ．1 St r u c t u r e c l a s s i fic a t i o n o f k e y s tr a t a o f 厚硬单一关键层结构 图 2 a 指浅埋煤层基 o v e r l y i n g s t r a t a i h s h a l l o w c o a l s e a m 岩仅有一层硬岩层 ，其厚度和强度很大，距 离煤层较近．该层硬岩层为覆岩中惟一关键层 ，即为主关键 层，该主关键层的破断失稳对工作面矿压显现与地表沉陷都有直接的显著影响，尤其是对工作面矿压会造 成严重的影响． 硬岩层 厚硬 一关键 结构 硬岩 层2 硬 岩层 l a 煤层 已采单一关键层结构 硬岩层2 主关键层 硬岩层1 煤层 主关 键层 煤 层 1 亚关键层 煤 层2 硬者 层2 硬 岩层 1 b 浅埋煤层多层关键层结构 d 主关键层 煤层 主关键层 亚关键层 煤 层 图 2 浅埋煤层覆岩关键层结构 Fi g ． 2 The k e y s t r a t a s t r u c t u r e o f o v e r l y i ng s t r a t a i n s h a l l o w 神东矿区浅埋煤层覆岩不存在厚硬单一关键层结构 ，在我国的大同矿区浅埋煤层 、印度部分浅埋煤层 存在着此种厚硬单一关键层结构．图3为大同矿区马脊梁矿 4 0 2盘区浅埋煤层覆岩关键层位置判别结果 ， 可见，距主采煤层 2 ． 0 6 m处厚 4 5 ． 6 5 m的粗砂岩为覆岩中的惟一硬岩层 ，也是仅有 的 1 层关键层 ，即主 关键层．因此，覆岩关键层结构类型属于厚硬单一关键层结构． 第 7期 许家林等浅埋煤层覆岩关键层结构分类 8 6 7 层号 厚度／ m 埋深／ m 岩性 关键层位置 备注 柱状 4 2 3 ．4 3 2 3 4 3 表土层 ／ 3 4 5 6 5 6 9 ．0 8 粗砂岩 主关键层 硬岩层1 2 2 ．O 6 7 1 ．1 4 砂 砾 岩 | 1 6 - 3 2 7 7 ．4 6 煤 图 3 马脊梁矿3 8 3 5 4号钻孔柱状及覆岩关键层判别结果 F i g ． 3 Hi s t o g r a m o f No ． 3 8 3 5 4 d r i l l i n g a n d k e y s t r a t a k e y d i s t i n g u i s h r e s u l t s o f Ma j i l i a n g Mi n e 1 ． 2复合单一关键层结构 复合单一关键层结构 图 2 b 是指浅 埋煤层基岩 中存在 2层或 2层 以上 的硬岩层 ， 但硬岩层 间产生复合效应并 同步破 断，使得靠 近煤层的第 1层硬岩层成为基岩 中的惟一关键 层 ，即主关键层．此类关键层结构 中的硬岩层 厚度与强度都不大 ，然而 由于主关键层 与其上 方多层硬岩层处 于整体复合破断关系 ，导致其 破断失稳对工作面矿压显现与地表沉陷同样有显著影响． 复合单一关键层结构类型在神东矿区浅埋煤层中普遍存在．图4 a 为大柳塔煤矿 1 2 0 3工作面典型 柱状进行关键层判别结果 ，基岩内存在 2层硬岩层 ，由下往上分别为厚 2 ． 2 i n的粉砂岩、厚 3 ． 9 m的中砂 岩，但关键层仅有 1 层 ，即厚 2 ． 2 IT I 的粉砂岩为主关键层 ，硬岩层 1与硬岩层 2之间产生复合效应并同步 破断 ，形成 了复合单一关键层结构． 大柳塔煤矿1 2 0 3 7 2 作 面 关键层 层 号 厚度／ m 埋深／ m 岩性 备注 柱状 位 置 1 】 2 7 ． O 2 7 ． O 风积沙 1 O 3 ． O 3 0 ． O 风化砂岩 ＼ 9 2 ． O 3 2 ． O 粉 砂岩 ＼ 8 2 ．4 3 4 ．4 砂 岩 | 7 3 ． 9 3 8 - 3 中砂岩 硬岩层2＼ 6 2 ． 9 4 1 ．2 砂质泥岩 | 5 2 ． O 4 3 ．2 粉砂岩 t 主关 4 2 ．2 4 5 ．4 粉砂岩 硬岩层1 键层 3 2 ． O 4 7 ． 4 砂质泥岩 ， 2 2 ． 6 5 0 ． O 砂质泥岩 } 1 6 3 5 6 3 1 煤 活鸡兔井2 1 3 0 4 ] i 作面 层号 厚度／ m 埋深／ m 岩性 关键层 备注 住状 位置 1 4 2 1 ． 4 0 2 1 ． 4 0 粉砂岩 l 3 2 6 ． 5 8 4 7 ． 9 8 粉 砂质 泥岩 硬 岩层 5 ＼ 1 2 1 2 ． 4 3 6 0 ． 4 1 细粒砂岩 主关 键层 硬岩层4 l 1 3 ． 1 9 6 3 ． 6 O 粉砂质泥岩 1 l O 3 O O 6 6 ． 6 O 细粒砂岩 9 7 ．8 4 7 4 ．4 4 砂 泥 岩 互 层 硬 岩 层 3 ＼l ’ 8 n’ ’ 7 4 ． 6 6 泥 岩 7 3 2 6 7 7 ．9 2 1 煤 6 O ． 61 7 8 ． 5 3 泥 岩 、 5 6 - 3 7 8 4 ． 9 0 细粒砂岩 硬岩层2 4 5．64 90．54 叶1粒砂岩 亚关 硬岩层1 i 键层 ＼■ 3 3．27 93盘l 砂泥岩瓦层 ＼ _ 2 O．53 94．34 粉砂质泥岩 _ l 4．84 99 ．1 8 1 煤 、_ b 图4 大柳塔煤矿 1 2 0 3工作面和活鸡兔井 2 1 3 0 4工作面钻孔柱状及覆岩关键层判别结果 F i g ． 4 H i s t o gra m d r i l l i n g a n d k e y s t r a t a d i s t i n gui s h r e s u l t o f N o ． 1 2 0 3 w o r k i n g f a c e D a l i u t a Mi n e a n d 2 1 3 04 w o r k i n g f a c e Hu o j i t u Mi n e 1 ． 3上煤层已采单一关键层结构 上煤层 已采单一关键层结构 图2 c 是指浅埋深两近距离煤层问的岩层中存在 1层关键层 ，在上 部煤层开采后 ，上部煤层覆岩关键层 已经破断 ，开采下部煤层时两近距离煤层问的那层关键层成为覆岩主 关键层 ，从而形成上煤层已采单一关键层结构． 上煤层已采单一关键层结构破断时会 同时影响到矿压显现和地表沉陷 ，对矿压显现影响的强烈程度受 上煤层关键层破断后是否形成稳定结构影响．图4 b 为神东矿 区大柳塔煤矿活鸡兔井三盘区北翼 3 7号 钻孑 L 柱状及覆岩关键层判别结果 ，当 1 I 2 上 煤开采后 ，其上部关键层破断后，采 1 I 2 煤时 1 I 2 上 煤与 1 煤之 间厚 5 ． 6 4 I n的关键层便成为主关键层 ，形成上煤层 已采单一关键层结构． 1 ． 4多层关键层结构 多层关键层结构 图 2 d 是指开采煤层上方有多层关键层 ，有亚关 键层和主关 键层．对 于采深 较大，基岩较厚的煤层，覆岩关键层结构一般为多层关键层结构．对如图4 a 所示神东矿区大柳塔煤 矿 1 2 0 3工作面的柱状 ，在岩层破断角与松散层载荷传递系数保持不变 的条件下 ，将风积沙厚度由2 7 i n减 小至 2 3 1T I 时 ，覆岩关键层判别结果如图 5所示 ，2层硬岩层 中厚 3 ． 9 I n的中砂岩为主关键层 ，而厚 2 ． 2 i n 煤 炭 学 报 2 0 0 9 年 第3 4 卷 号 厚度／ m 埋深／ m 岩性 关键层 备注 柱状 位置 1 1 2 3 ． O 2 3 ． 0 风积沙 1 0 3 0 2 6 ．0 风 化 砂 岩 | 9 2 ． O 2 8 ． O 粉砂岩 8 2 ．4 3 0 ．4 砂 岩 | 7 3 ． 9 3 4 3 中砂岩 主关 、 1 键层 硬岩层2＼ 6 2 9 3 7 ．2 砂质 泥岩 t 5 2 O 3 9 2 粉砂岩 l 4 2 ．2 4 1 4 粉砂岩 关 硬岩 1、 键层 3 2 ．O 4 3 ． 4 砂质泥岩 ／ 2 2 ．6 4 6 ． 0 砂质泥岩 ， 1 6 _3 5 2 ． 3 1 煤 图5 风积沙厚度对关键层判别结果的影响 Fi g ． 5 Ef f e c t o f t h e d e p t h o f a e o l i a n s a nd O i l ke y s t r a t a di s t i n g u i s h 的粉砂岩转变为亚关键层 ，表明这 2层硬岩层之 问的破断顺序是逐层破 断的，整个覆岩关 键层结 构转由复合单一关键层结构转变为多层关键层结 构．由此可见 ，在基岩条件不变 的情况下 ，风积 沙厚度是影响神东矿 区浅埋煤层关键层结构类型 的重要因素． 2 浅埋煤层单一关键层 结构破断失稳特征 利用砌体梁结构 的 “ SR”稳定理论可以对 神东矿区浅埋煤层开采覆岩单一关 键层结构破 断 失稳为何易引起工作面台阶下沉和压架作 出解释． 关键层破断块体形成 的砌体梁结构不发生滑落失 稳的条件 为 ， 1- l ≤ ta n in O 1 ， 式中，h 为承载层厚度；h 为承载层所负载荷岩层厚度； 为承载层的抗压强度； P g为岩体的体积力； 0 为砌体梁中悬露岩块断裂后的回转角； ta n 为岩块间的摩擦因数． 由式 1 可知 ，要想关键层稳定 、不发生滑落失稳 ，关键层和基岩层的厚度之和必须满足此公式． 当模型中关键层的厚度 、关键层的抗压强度 、岩体的体积力 、岩体间的摩擦因数和砌体梁中悬露岩块断裂 后的回转角都是定值时 ，此公式相当于关键层和关键层所负载岩层厚度之和小于或等于一个常数．当覆岩 呈复合单一关键层结构时，关键层所负载岩层厚度之和增加 ，不再满足式 1 ，导致关键层滑落失稳 ， 关键层和上部的基岩整体垮落．工作面顶板岩层出现复合单一关键结构破断时 ，开采工作面将形成一定范 围内的岩层 “ 全厚切落式”垮落 ，顶板出现台阶下沉，同时伴随着来压强度大，速度快 ，具有较强的冲 击力等特点 ，如果支架的强度不够大，易出现支架压死现象 ，造成工作面压架 冒顶事故． 对于上煤层 已采单一关键层结构 ，其破断失稳特征与上部煤层开采后其覆岩关键层破断块体结构是否 失稳关系很大．如果上部煤层开采后其覆岩关键层破断块体结构是稳定的，即上煤层开采后关键层破断后 的块体在下煤层开采时能相互咬合 ，则下部煤层开采时其覆岩单一关键层结构破断后的砌体梁结构一般是 稳定的，工作面矿压显现一般不会出现复合单一关键层结构条件下的压架事故．如果上部煤层开采后其覆 岩关键层破断块体结构是失稳的，即上煤层开采后关键层破断后的块体在下煤层开采时不能相互咬合 ，则 下部煤层开采时其覆岩单一关键层结构破断后的砌体梁结构易出现滑落失稳 ，工作面矿压显现异常强烈， 易出现类似于复合单一关键层结构条件下的压架事故．其原因是上部煤层失稳 的块体结构不能承担载荷 ， 而将所有岩层载荷作用于下部煤层的单一关键层上 ，即 过大使得单一关键层破断后的砌体梁结构不能 满足式 1 砌体梁结构的滑落失稳条件．如活鸡兔井 2 1 3 0 4工作面开采 1 煤层 ，其上部的 1 上 煤层已 开采 ，工作面覆岩关键层结构类型属于上煤层已采单一关键层结构 图 4 b ．2 1 3 0 4工作面开采过程 中曾发生了3次强烈的矿压显现，在 3 0～ 7 8号支架间发生了端面冒顶和台阶下沉．对应于井下工作面冒 顶位置的地面在 2 1 3 0 4工作面采到 以前存在较明显的台阶下沉 ，说明上部 1 煤层开采后其上覆关键层破 断块体结构是处于滑落失稳状态的，从而造成了 2 1 3 0 4工作面的动载矿压灾害．对于上分层已采单一关键 层结构 ，如何判别上部煤层开采后其上覆关键层破断块体结构的稳定状态及其影响条件 ，如地表沟壑的影 响等，是有待深入研究的问题． 3 神东矿区浅埋煤层覆岩关键层结构类型的判别方法 在对神东矿区浅埋煤层覆岩关键层结构分类 的基础上 ，可以采用 已有的关键层判别软件 K S P B进 第 7期 许家林等浅埋煤层覆岩关键层结构分类 8 6 9 行具体条件下覆岩关键层结构类型的判别 ” ．在用关键层判别软件 K S P B进行判别的时候 ，需要输 入一系列判别参数 岩层厚度 、密度 、抗拉强度 、弹性模 量、岩性、岩层破断角、松散层载荷传递系数． 其 中岩层厚度 、岩性可以通过矿区钻孔柱状图获得 ；密度 、抗拉强度、弹性模量可以通过制作标准岩样进 行岩石物理参数测试试验获得 ；但对判别结果起直接影响作用的岩层破断角 、松散层载荷传递系数并不能 直接获得．对于岩层破断角 ，可以通过现场地表沉陷实测结果 ，得出开采对地表影响的充分采动角，所得 角度与判别软件 中岩层破断角相近．对 于松散层 载荷传递 系数的选取 ，要 以表土层厚度 、颗粒黏结程度、 土质性质等相关土力学参数为参考． 通过大量的判别和开采实际的对比，同时通过钻孔原位观测的工程验证 ，确定的神东矿区浅埋煤层覆 岩关键层判别软件 中岩层破断角取值范 围为 7 5～ 8 5 。 ，载荷传递系数取值范围为 0 ． 6～0 ． 8 ．上述岩层破断 角和载荷传递系数在煤层埋深越小 ，则取值越往上 限．如埋深 6 0 m时 ，岩层破断角可取 8 5 。 ，载荷 传递 系数可取 0 ． 8 ．实际应用证明，上述关键层判别软件中的岩层破断角和载荷传递系数的取值基本符合神东 矿区浅埋煤层实际． 4 结 论 1 将浅埋煤层覆岩关键层结构分为 2类 4种 ，即单一关键层结构和多层关键层结构 ，单一关 键层 结构包括厚硬单一关键层 、复合单一关键层 、上煤层 已采单一关键层结构等类型． 2 可 以采用关键层判别软件 K S P B对具体条件浅埋煤层覆岩关键层结构类型进行判别 ，对于神东矿 区浅埋煤层 ，关键层判别软件中的岩层破断角可取 7 5～ 8 5 。 ，载荷传递系数可取 0 ． 6～ 0 ． 8 ． 3 对于浅埋煤层单一关键层结构，关键层破断块体结构不能满足砌体梁结构不发生滑落失稳的条 件 ，从而导致工作面易出现台阶下沉和压架等强烈 的矿压显现．对于上分层 已采单一关键层结构 ，上部煤 层开采后其覆岩关键层破断块体结构的稳定状态是影响下部煤层开采时工作面矿压显现强烈程度的重要 因 素． 参考文献 [ 1 ] 张俊云，侯忠杰，田瑞云，等．浅埋采场矿压及覆岩破断规律 [ J ] ．矿山压力与顶板管理，1 9 9 8 3 91 1 ． Z h a n g J u n y u n ，H o u Z h o n i e ， T i a n R u i y u n ， e t a 1 ．S u p e r f i c i a l u n d e r g r o u n d p r e s s u r e a n d r u p t u r e r u l e o f o v e r l y i n g s t r a t a[ J ] ． G r o u n d P r e s s u r e a n d S t r a t a C o n t r o l ，1 9 9 8 3 91 1 ． [ 2 ] 黄庆享．浅埋煤层长壁开采顶板结构及岩层控制研究 [ M] ．徐州中国矿业大学出版社，2 0 0 0 ． Hu a n g Q i n g x i a n g ．S t u 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