焦坪礦區(qū)覆巖破壞規(guī)律及致災(zāi)研究

藍(lán) 航,婁金福

(1.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013)

礦壓與災(zāi)害控制

焦坪礦區(qū)覆巖破壞規(guī)律及致災(zāi)研究

藍(lán) 航1,2,婁金福1,2

(1.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013)

銅川焦坪礦區(qū) 4-2煤層上覆巖層中有厚達(dá) 300m的巨厚礫巖層,巨厚礫巖層在采動(dòng)影響下一旦失穩(wěn),將導(dǎo)致包括地表山體滑坡、采空區(qū)瓦斯急劇涌出和礦震或沖擊礦壓等一系列難以控制的災(zāi)害。銅川礦務(wù)局采用留設(shè)區(qū)段大煤柱的部分開采方法控制覆巖運(yùn)動(dòng),以確保巨厚礫巖層的穩(wěn)定。為此,對(duì)留設(shè)區(qū)段大煤柱條件下的覆巖破壞規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,結(jié)果表明留設(shè)區(qū)段大煤柱的部分開采方法能有效地控制覆巖運(yùn)動(dòng)的范圍和規(guī)模。在此基礎(chǔ)上分析了巨厚礫巖的穩(wěn)定性取決于區(qū)段大煤柱的穩(wěn)定性并提出了災(zāi)害防治的措施。

巨厚礫巖層;覆巖破壞;煤柱穩(wěn)定;災(zāi)害

焦坪礦區(qū) 4-2煤層平均埋深約 400～450m,平均厚度13m;上覆黃土層0～50m,直接頂厚3～5m,一般為粉砂巖或砂質(zhì)泥巖;基本頂為厚層狀中粗粒砂巖,平均厚度 15.5 m;底板為鋁質(zhì)泥巖團(tuán)塊狀根土巖,局部為花斑泥巖,厚為 6～24m,遇水膨脹。覆于 4-2煤層之上 150～200m分別為2層巨厚礫巖。其中一層為灰紫色礫巖,厚度為5.41～58.47m,平均厚度 28m;另一層為赭紅、棕黃色中～細(xì)粒砂巖,灰紫色礫巖,厚度為229.82～298.38m,平均為 275m。礫巖層總厚達(dá)到 300m,隨著各礦井采深的進(jìn)一步延伸,以及采動(dòng)范圍的不斷擴(kuò)大,煤層上覆巖層的活動(dòng)范圍及運(yùn)動(dòng)形式也在相應(yīng)的變化?？梢灶A(yù)見,上覆巨厚礫巖的大面積突然垮落將導(dǎo)致包括地表突然下沉,采空區(qū)瓦斯瞬間涌出和礦震或沖擊礦壓等一系列難以控制的災(zāi)害。

針對(duì)焦坪礦區(qū) 4-2煤層上覆巨厚礫巖層特殊賦存條件,銅川礦務(wù)局借用條帶開采的思想,從減小覆巖破壞范圍的角度,提出通過(guò)留設(shè)區(qū)段大煤柱(50m)控制覆巖大面積運(yùn)動(dòng)的方法來(lái)保證巨厚礫巖層的穩(wěn)定。目前銅川礦務(wù)局采用這種方法已安全開采了多個(gè)工作面,但目前對(duì)這種部分開采條件下覆巖破壞的全面觀測(cè)還缺乏有效手段,本文采用離散元軟件3DEC對(duì)覆巖破壞規(guī)律進(jìn)行研究。

1 覆巖破壞規(guī)律

1.1 模型建立

以下石節(jié)礦為例,選取圖 1中的黑框內(nèi)范圍建立 3DEC數(shù)值模擬模型,對(duì) 209工作面、211工作面、213工作面、215工作面和 217工作面開采進(jìn)行模擬,各工作面寬 150m。為了加快運(yùn)算速度,分別建立傾向和走向模型。傾向模型如圖 2。模型尺寸為 1200m (x) ×10m (y) ×700m (z)。走向模型如圖 3,模型尺寸為 1800m (x) ×10m (y) ×546m (z),覆巖分組同傾向。模型 x和 z方向分別在邊界上限制水平,y方向上固定底邊界,上邊界為自由面。模型選用莫爾 -庫(kù)侖本構(gòu)模型,煤巖層的物理、力學(xué)參數(shù)選取如表 1。

表1 煤巖物理、力學(xué)性質(zhì)

圖1 模擬范圍

圖2 傾向模型及網(wǎng)格劃分

圖3 走向模型及網(wǎng)格劃分

1.2 模擬結(jié)果分析

由圖 4和圖 5,4-2煤層開采傾向垮落帶高度約為 64m,裂縫帶高度約為 162m,裂縫帶已進(jìn)入礫巖層底部。217工作面走向“兩帶”高度達(dá)到177m,已進(jìn)入第 2層礫巖內(nèi),第 2層礫巖整體發(fā)生彎曲下沉,但整體性完好,沒有出現(xiàn)垮斷。

圖4 傾向覆巖破壞狀態(tài)

圖5 走向覆巖破壞狀態(tài)

在留設(shè)區(qū)段大煤柱的條件下,開采引起的地表沉陷并不明顯,說(shuō)明第 2層礫巖起到了控制其上巖層移動(dòng)的關(guān)鍵作用。由圖 4,在留設(shè)區(qū)段煤柱 50m的條件下,煤柱中央仍能保持彈性狀態(tài),煤柱邊緣呈剪切破壞狀態(tài)。

模擬結(jié)果表明,銅川礦務(wù)局目前采用的留設(shè)區(qū)段大煤柱的方法有效地控制了覆巖大面積活動(dòng)范圍,從而保證了巨厚礫巖層的整體穩(wěn)定。但巨厚礫巖層的穩(wěn)定不僅與覆巖破壞高度有關(guān),而且也與煤柱穩(wěn)定性有關(guān)。

2 煤柱穩(wěn)定性分析

A.H.W ilson[1]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出煤柱屈服區(qū)寬度 Y與采深H和采厚M之間的關(guān)系為:

煤柱屈服區(qū)及其彈性核區(qū)如圖 6。

圖6 煤柱塑性屈服區(qū)及彈性核區(qū)

根據(jù)三向應(yīng)力極限狀態(tài),可求得煤體的極限承載應(yīng)力為:

式中,c為煤體的黏聚力;<為煤體的內(nèi)摩擦角; γ為覆巖的平均密度。

W ilson煤柱兩區(qū)約束理論對(duì)式 (2)進(jìn)行了簡(jiǎn)化,忽略了煤體強(qiáng)度參數(shù)的影響,并根據(jù)英國(guó)煤體的平均內(nèi)摩擦角,將煤體極限承載應(yīng)力簡(jiǎn)化為:

則W ilson煤柱兩區(qū)約束理論的煤體極限強(qiáng)度為:

式中,L為條帶煤柱的長(zhǎng)度,m。

W ilson煤柱約束理論在煤柱設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性計(jì)算中獲得了廣泛的應(yīng)用,但該煤柱屈服區(qū)寬度是在英國(guó)通過(guò)試驗(yàn)得出,不一定適合其他地方。這里根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果取 Y=0.00256MH,則煤體的極限強(qiáng)度公式變?yōu)?

在計(jì)算煤柱實(shí)際承受的載荷σp時(shí), A.H.W ilson認(rèn)為采空區(qū)垂直應(yīng)力與距煤壁的距離成正比,當(dāng)該距離達(dá)到 0.3H時(shí),采空區(qū)垂直應(yīng)力恢復(fù)到原始荷載γH,如圖 7所示。

圖7 煤柱實(shí)際承載

煤柱上承受的實(shí)際載荷為:

式中,a為區(qū)段煤柱寬度,b為采寬。

煤柱的安全系數(shù)為:

根據(jù) 4-2煤層力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果,煤體黏聚力取8MPa;煤體內(nèi)摩擦角取 18°;煤柱寬度 50m;煤柱長(zhǎng)度 1250m;覆巖密度取 2500kg/m3。

依據(jù)公式 (5)～ (7),根據(jù)不同采深和不同煤柱寬度分別計(jì)算的區(qū)段煤柱安全系數(shù)如表 2。

表2 區(qū)段煤柱安全系數(shù)

由表 2,煤柱寬度和采深對(duì)煤柱安全系數(shù)的影響很大,安全系數(shù)隨著煤柱寬度增大而增大,隨著采深增大而減小。因此,建議在后續(xù)深部開采中增加煤柱寬度。

對(duì)于區(qū)段煤柱的穩(wěn)定,除了要考慮煤柱上的載荷 (靜載荷)和其所能承受的極限載荷 (靜載強(qiáng)度)外,還應(yīng)考慮另外 2個(gè)重要因素:一是煤柱長(zhǎng)期穩(wěn)定性;二是煤柱的動(dòng)力穩(wěn)定性。但目前對(duì)煤柱的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和動(dòng)力穩(wěn)定性的研究還很不夠[2]。

3 巨厚礫巖的失穩(wěn)條件及致災(zāi)性

由以上分析,在留設(shè)區(qū)段大煤柱的部分開采條件下,焦坪礦區(qū)巨厚礫巖層的穩(wěn)定將取決于區(qū)段大煤柱的穩(wěn)定。一旦煤柱發(fā)生整體失穩(wěn)而導(dǎo)致巨厚礫巖大面積垮落,巨厚礫巖大面積垮落將引起一系列災(zāi)害性后果:

(1)誘發(fā)地表山體滑坡 采空區(qū)上方巨厚礫巖的破壞對(duì)其上巖層和地表移動(dòng)變形起著十分重要的主導(dǎo)作用。巨厚礫巖距離地表較近,而且地表表土層很薄,因此,巨厚礫巖的破斷將導(dǎo)致上覆所有巖層的同步破斷和地表的快速下沉。焦坪礦區(qū)位于山區(qū),地表的突然大范圍沉陷極有可能引發(fā)山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。

(2)誘發(fā)瓦斯事故 焦坪礦區(qū)屬于高瓦斯礦區(qū),巨厚礫巖大面積垮落時(shí),采空區(qū)內(nèi)積聚的瓦斯將在瞬間被大量擠出到工作面及附近巷道,極有可能引發(fā)瓦斯爆炸事故。

(3)誘發(fā)礦震或沖擊礦壓 巨厚礫巖起著控制其上巖層移動(dòng)的關(guān)鍵作用,雖然在走向上屬于超充分采動(dòng)條件,但由于礫巖整體性強(qiáng),抗壓及抗拉強(qiáng)度均較大,采后不易冒落下沉,導(dǎo)致第 2層礫巖與其下方巖層產(chǎn)生離層空間,巨厚礫巖層形成板狀懸空巖梁,礫巖層原來(lái)的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變 (由受壓變?yōu)槭芾?,一旦拉應(yīng)力超過(guò)其抗拉極限強(qiáng)度,巨厚礫巖層將發(fā)生斷裂垮落,巨厚礫巖層斷裂能量巨大,沖擊性強(qiáng),不但容易誘發(fā)礦震,在工作空間形成沖擊波,而且容易對(duì)下部煤巖體產(chǎn)生沖擊載荷,從而構(gòu)成 4-2煤層發(fā)生沖擊礦壓的力源。

4 災(zāi)害防治措施

巨厚礫巖的失穩(wěn)條件,主要可從 3個(gè)方面入手,制定焦坪礦區(qū)動(dòng)力災(zāi)害的防治措施:一是提高區(qū)段煤柱的極限強(qiáng)度,保證煤柱的穩(wěn)定;二是提高煤柱自身抵抗流變能力,減小蠕變[3];三是防止大的沖擊礦壓對(duì)煤柱的破壞。具體措施如下:

(1)增大煤柱寬度以提高煤柱的極限強(qiáng)度。

(2)提高煤柱抵抗流變能力,可以提高煤體的黏滯系數(shù),控制煤體的軟化系數(shù),減小頂板剛度和增大煤柱寬度。

(3)改善圍巖應(yīng)力分布狀況和彈性能集中程度,可對(duì)堅(jiān)硬頂板進(jìn)行爆破或注水等預(yù)處理,防止采空區(qū)出現(xiàn)懸頂而積聚彈性能。

(4)預(yù)防巷道沖擊礦壓,防止沖擊礦壓對(duì)煤柱形成動(dòng)載破壞?？刹捎酶邚?qiáng)度錨桿加強(qiáng)巷道支護(hù),以提高巷道抵抗沖擊能力。

(5)開展大范圍覆巖活動(dòng)監(jiān)測(cè),對(duì)沖擊礦壓進(jìn)行預(yù)測(cè)和預(yù)防,如采用微震手段監(jiān)測(cè)巨厚礫巖的活動(dòng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

銅川礦務(wù)局在焦坪礦區(qū)目前采用的留設(shè)區(qū)段大煤柱的方法有效地控制了覆巖大面積活動(dòng)范圍,從而保證了巨厚礫巖層的整體穩(wěn)定。在留設(shè)區(qū)段大煤柱的部分開采條件下,焦坪礦區(qū)巨厚礫巖層的穩(wěn)定將取決于區(qū)段大煤柱的穩(wěn)定。對(duì)于災(zāi)害的防治措施要從提高煤柱穩(wěn)定性考慮。

[1]王旭春,黃福昌,張懷新,等 .A.H.威爾遜煤柱設(shè)計(jì)公式探討及改進(jìn) [J].煤炭學(xué)報(bào),2007,27(6):604-608.

[2]鄒友峰,柴華彬 .我國(guó)條帶煤柱穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀及存在問(wèn)題[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2006,23(2):141-144.

[3]徐金海,繆協(xié)興,張曉春 .煤柱穩(wěn)定性的時(shí)間相關(guān)性分析[J].煤炭學(xué)報(bào),2005,30(4):433-437.

[責(zé)任編輯:于海湧]

Overlying Strata Damage Rules and Analysis of D isaster in JiaopingM in ing Aera

LAN Hang1,2,LOU Jin-fu1,2

(1.CoalMining&DesigningBranch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 2.CoalMining&DesigningDepartment,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China)

Instability of 300m thick conglomerates over 4-2 Coal Seam in JiaopingMiningArea induced bymining 4-2 Coal Seam will result in a seriesof disasters including surface mountain slide,underground methane gushing instantly and rock-burst.TongchuanMiningBureau applied partminingmethodwith large coalpillar betweenmining district sublevels to controllingmovementof overlying strata and keep stability of the conglomerate strata.Thispaper researched rulesof overlying strata failure with numerical simulation.Simulation result showed thatpartminingmethod could effectively restrictmovement range and degree ofoverlying strata.Based on this,this paper obtained that stability of extremely thick conglomerate was dependant on coal pillar stability and put forward disaster prevention measures.

extremely thick conglomerate;failure of overlying strata;stability of coal pillar;disaster

TD325

A

1006-6225(2010)05-0078-04

2010-05-28

藍(lán) 航 (1978-),男,湖北利川人,博士,高級(jí)工程師,主要從事巖石力學(xué)及采礦安全方面的研究。