特厚煤層開采主亞關(guān)鍵層活動特征及其對覆巖移動的控制規(guī)律研究

吳洪勝 董立軍 張國紅 徐文達(dá) 胡鵬軍

（中海油新能源（準(zhǔn)格爾）煤基能源有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗，010300）

特厚煤層開采主亞關(guān)鍵層活動特征及其對覆巖移動的控制規(guī)律研究

吳洪勝 董立軍 張國紅 徐文達(dá) 胡鵬軍

（中海油新能源（準(zhǔn)格爾）煤基能源有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗，010300）

主亞關(guān)鍵層的活動特征及其對覆巖移動的控制規(guī)律是研究特厚煤層開采頂板控制的主要依據(jù)。本文依據(jù)老三溝井田地質(zhì)條件和賦存狀況，通過物理相似模擬試驗的方法，分析研究準(zhǔn)格爾中部礦區(qū)老三溝井田煤層開采中主亞關(guān)鍵層活動特征及其對覆巖移動的控制作用。研究表明，基本頂（亞關(guān)鍵層）初次來壓步距在45m左右，周期來壓步距在15～20 m之間；當(dāng)工作面向前推進(jìn)約130m，主關(guān)鍵層彎曲下沉量增大，且在兩端發(fā)育縱向裂紋，而采空區(qū)中部覆巖壓實，裂隙逐步閉合；由于關(guān)鍵層位結(jié)構(gòu)的存在，使得開采過程中覆巖的大范圍劇烈活動降低了對工作面的影響。

煤層開采 特厚煤層 關(guān)鍵層 覆巖移動 移動規(guī)律 老三溝井田

地下開采破壞了巖體內(nèi)部原有的力學(xué)平衡狀態(tài)，使上覆巖層不同程度地變形、移動和破壞。雖然在關(guān)鍵層理論和覆巖控制方面有不少研究成果，但針對準(zhǔn)格爾中部礦區(qū)的研究尚無系統(tǒng)性的闡述。為此，本文依據(jù)準(zhǔn)格爾中部礦區(qū)老三溝井田地質(zhì)條件和賦存狀況，通過物理相似模擬試驗的方法，分析研究特厚煤層開采主亞關(guān)鍵層的活動特征及其對覆巖移動的控制規(guī)律，為類似礦區(qū)井田煤層開采提供參考借鑒。

1 老三溝井田地質(zhì)條件概況

老三溝井田地處內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市境內(nèi)，屬準(zhǔn)格爾旗大路鄉(xiāng)管轄。井田內(nèi)大部被第四系黃土覆蓋，在溝谷及兩幫可見白堊系下統(tǒng)基巖零星出露。含煤地層為上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組。太原組巖層以灰黑、黑色為主體色，以濱海沼澤相、泥炭沼澤相的細(xì)碎屑巖、泥巖和煤為主體巖性；山西組巖層以灰－黑灰泥巖和砂質(zhì)泥巖、灰白色砂巖為主，以沖洪相、河漫相和沼澤相的粗碎屑巖為主體巖性。井田含可采和局部可采煤層3層，分別是6＃、9＃、9下＃煤層，其中主采煤層為6＃煤層和9＃煤層，平均厚度分別為9.45m和10.84 m，煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，賦存較穩(wěn)定，地質(zhì)構(gòu)造簡單。

2 物理模擬實驗設(shè)計

根據(jù)老三溝礦鉆孔綜合柱狀圖以及煤巖石力學(xué)參數(shù)，確定相似模擬材料配比。為清晰直觀地研究6＃煤層開采后上覆巖層變形狀況，模型采用1∶100的比例設(shè)計。試驗使用簡易立體模型架，模型架長2500mm，高1730mm，如圖1所示。老三溝井下開采作業(yè)為“四六制”，工作面年進(jìn)度為1584m，每天約推進(jìn)4.8m。據(jù)此確定，在模型回采中，開挖步距取為50mm，開挖時間間隔為20min，按此速度回采，一直到工作面的終采線。

圖1 物理模擬原始模型

左邊留設(shè)500mm邊界，右邊留設(shè)500mm邊界，工作面每步開采50mm，采高為35mm，開挖間隔按照時間相似比進(jìn)行。每開采一步記錄一次數(shù)據(jù)并拍照，同時當(dāng)有明顯現(xiàn)象時亦對模型進(jìn)行素描。

3 主亞關(guān)鍵層活動特征及覆巖垮落規(guī)律

由文獻(xiàn)［6］可知，基巖厚度大于60m，覆存兩層關(guān)鍵層（一個稱主關(guān)鍵層，一個稱亞關(guān)鍵層），主關(guān)鍵層位于垮落帶之上，基本頂為亞關(guān)鍵層。

至模型邊界500mm處開挖100mm（對應(yīng)原型值10m，圖中尺寸均為原型值）作為切眼，6＃煤層工作面直接頂初次垮落與周期垮落情況如圖2所示。

圖2 6＃煤層工作面直接頂垮落狀況

工作面推進(jìn)15m時直接頂初次垮落，垮落的巖塊較破碎，塊度較小。工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，直接頂隨采隨垮；工作面推進(jìn)40m后，直接頂發(fā)生多次垮落，并造成采空區(qū)基本頂懸空現(xiàn)象，此時采空區(qū)基本頂中部可隱約看到縱向裂隙，基本頂呈現(xiàn)出一定的承載特性。

圖3 6＃煤層工作面基本頂初次來壓及周期來壓狀況

6＃煤層工作面基本頂初次來壓及周期來壓狀況如圖3所示?；卷攽铱蘸螅蚯巴七M(jìn)至45m后，直接頂再次垮落，基本頂同時達(dá)到極限跨距，發(fā)生初次垮落，造成工作面初次來壓，見圖3（a）；基本頂初次來壓時，由于直接頂厚度較小，難以充滿采空區(qū)，因此，基本頂回轉(zhuǎn)空間較大，發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn)，頂板下沉量較大，來壓強(qiáng)烈，對工作面及下伏垮落巖層沖擊作用較大。當(dāng)工作面開挖65m后，基本頂下分層再次破斷，同時基本頂上覆巖開始出現(xiàn)離層現(xiàn)象，見圖3（b）。繼續(xù)開挖15m后，基本頂上分層垮落，上覆巖層出現(xiàn)較大離層，見圖3（c）。當(dāng)工作面開挖至85m處時，基本頂再次破斷來壓，其上覆巖離層裂隙變大，特別是在粗砂巖層組之下，其最大離層量達(dá)到4m左右，呈現(xiàn)出關(guān)鍵層承載特性，見圖3（d）。

隨著工作面向前推進(jìn)，關(guān)鍵層下方離層裂隙繼續(xù)向前發(fā)展，推進(jìn)距離達(dá)到105m時，基本頂再次來壓，基本頂破斷塊具有以實體煤壁為支點(diǎn)向采空區(qū)旋轉(zhuǎn)的趨勢，并在工作面推進(jìn)110m后，觸矸穩(wěn)定，此時仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)，又出現(xiàn)了以觸矸點(diǎn)為支點(diǎn)向工作面方向旋轉(zhuǎn)的趨勢。工作面繼續(xù)推進(jìn)，當(dāng)推進(jìn)至115m時，基本頂再次發(fā)生周期性破斷，基本頂破斷塊體出現(xiàn)了穩(wěn)定的鉸接結(jié)構(gòu)，此時上覆巖層中的關(guān)鍵層開始彎曲下沉，而關(guān)鍵層下方的離層開始逐漸壓實，只是在開切眼上方和工作面上方仍有較大離層裂隙，為“O”形圈的主要組成部分，即為覆巖離層注漿或瓦斯抽采所重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域，這也是粗砂巖覆巖關(guān)鍵層為主關(guān)鍵層的主要佐證之一，這一過程如圖4所示。這表明基本頂即為亞關(guān)鍵層。

圖4 關(guān)鍵層彎曲下沉過程示意

4 覆巖三帶發(fā)育特征及主亞關(guān)鍵層的控制作用

末采期間覆巖移動情況如圖5所示，從圖5（b）可以看出，開采6＃煤層后，其覆巖的破斷角約為65°左右，垮落帶高度約為45m，導(dǎo)水裂隙帶（即裂隙帶、垮落帶）約為130m，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至含礫粗砂巖層組中。在開切眼和停采線附近有縱向裂隙貫通區(qū)，有可能成為采空區(qū)和工作面的導(dǎo)水通道。采空區(qū)中部重新壓實，裂隙基本完全閉合。

從圖2～圖5中可以看出，6＃煤層開采過程中，基本頂初次來壓步距在45m左右，周期來壓步距在15～20m之間。在試驗中采空區(qū)頂板基巖總是自下而上周期性地產(chǎn)生離層裂隙。隨著工作面的不斷推進(jìn)，頂板離層裂隙及豎向破斷裂隙自下而上不斷發(fā)育、發(fā)展，但由于冒矸充填部分采空區(qū)阻礙了亞關(guān)鍵層破斷塊體的回轉(zhuǎn)，形成暫時的鉸接平衡。由于中部運(yùn)動受阻，在上覆載荷作用下，破斷巖塊朝反方向回轉(zhuǎn)而使靠采空區(qū)上方離層裂隙一定程度上被擠壓閉合。

圖5 末采期間覆巖移動狀況

隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，亞關(guān)鍵層繼續(xù)周期來壓，采空區(qū)中部部分導(dǎo)水裂隙在工作面后方1～2個周期來壓步距后逐漸壓實閉合。當(dāng)工作面向前推進(jìn)130m左右，主關(guān)鍵層彎曲下沉量增大，且在兩端發(fā)育縱向裂紋。而采空區(qū)中部覆巖壓實，裂隙逐步閉合。由于亞關(guān)鍵層巖層形成了穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，末采位置處裂隙發(fā)育相對滯后，隨著時間的推移，工作面端的裂隙場逐步與切眼端裂隙場趨于一致。工作面停采時，采空區(qū)中部斷裂帶內(nèi)導(dǎo)水裂隙已基本壓實閉合，導(dǎo)水貫通裂隙僅在工作面和開切眼附近較發(fā)育。整體來說，雖然開采過程中覆巖會產(chǎn)生大范圍的劇烈活動，乃至垮落，但由于各巖層結(jié)構(gòu)的存在，特別是關(guān)鍵層位結(jié)構(gòu)的存在，使得覆巖的大范圍劇烈活動對工作面的影響大大降低了。

5 觀測結(jié)果分析

圖6～圖7是開采6＃煤層時覆巖中監(jiān)測點(diǎn)的垂直位移變化曲線，從監(jiān)測點(diǎn)垂直位移曲線可知，隨著工作面不斷推進(jìn)，各個測點(diǎn)的垂直位移不斷增大，在工作面推進(jìn)到50m時，垂直位移開始變化，說明亞關(guān)鍵層破斷，覆巖開始受到采動影響，當(dāng)工作面推進(jìn)到110m左右時，垂直位移達(dá)到最大，說明主關(guān)鍵層受到采動影響產(chǎn)生破壞。

不同開挖距離時水平位移曲線呈中心對稱曲線，如圖8所示。從水平位移曲線圖可以看出，隨著工作面的推進(jìn)水平位移同時增大。當(dāng)工作面推進(jìn)到150m時，在采空區(qū)中部位置水平位移為0，說明工作面中部處在下沉盆地中部。

6 結(jié)論

（1）當(dāng)工作面開挖至85m處時，基本頂再次破斷來壓，其上覆巖離層裂隙變大，呈現(xiàn)出關(guān)鍵層承載特性；當(dāng)推進(jìn)至115m時，基本頂再次發(fā)生周期性破斷，基本頂破斷塊體出現(xiàn)了穩(wěn)定的鉸接結(jié)構(gòu)，此時上覆巖層中的主關(guān)鍵層開始彎曲下沉，而主關(guān)鍵層下方的離層開始逐漸壓實，只是在開切眼上方和工作面上方仍有較大離層裂隙，這也是粗砂巖覆巖關(guān)鍵層為主關(guān)鍵層的主要佐證之一。而基本頂即為亞關(guān)鍵層。

（2）基本頂（亞關(guān)鍵層）初次來壓步距在45m左右，周期來壓步距在15～20m之間；當(dāng)工作面向前推進(jìn)130m左右，主關(guān)鍵層彎曲下沉量增大，且在兩端發(fā)育縱向裂紋，而采空區(qū)中部覆巖壓實，裂隙逐步閉合。

（3）在工作面推進(jìn)到50m時，垂直位移開始變化，說明亞關(guān)鍵層破斷，覆巖開始受到采動影響，當(dāng)工作面推進(jìn)到110m左右時，垂直位移達(dá)到最大，說明主關(guān)鍵層受到采動影響產(chǎn)生破壞。整體來說，由于關(guān)鍵層位結(jié)構(gòu)的存在，使得開采過程中覆巖的大范圍劇烈活動降低了對工作面的影響。

［1］ 杜計平，汪理全.煤礦特殊開采方法［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003

［2］ 錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003

［3］ 張東升，馬立強(qiáng)，劉玉德.厚硬頂板硬頂煤壓縮性分析與綜放開采方案選擇［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2006（9）

［4］ 錢鳴高，繆協(xié)興，許家林.巖層控制的關(guān)鍵層理論［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003

［5］ 范鋼偉，張東升，馬立強(qiáng).神東礦區(qū)淺埋煤層開采覆巖移動與裂隙分布特征［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011（1）

［6］ 張羽強(qiáng).一種新型物理相似模擬實驗架結(jié)構(gòu)設(shè)計［D］.西安：西安科技大學(xué)，2008

［7］ 王樹忠，王繼林，于洋等.厚煤層開采覆巖移動規(guī)律的現(xiàn)場監(jiān)測研究［J］.中國煤炭，2011（11）

Main and sub－key strata activities characteristics and their control laws on movements of overburden stratum in mining of especially－thick coal seam

Wu Hongsheng，Dong Lijun，Zhang Guohong，Xu Wenda，Hu Pengjun
（CNOOC New Energy（Zhungeer）Coal－based Energy Co.，Ltd.，Zhungeer，Inner Mongolia 010300，China）

Main and sub－key strata activities characteristics and their control laws on movements of overburden stratum are the main basis of studying the roof control in mining of especially－thick coal seam.According to the geological and the occurrence conditions of Laosangou mine field，with method of physical simulation experiment，the paper analyzes the main and sub－key strata activities characteristics and their control laws on movements of overburden stratum in coal mining of Laosangou mine field in central part of Zhungeer.The result shows that the first weighting interval of basic roof（sub－key stratum）is 45mor so，and the periodic weighting interval is between 15～20m；when the working face advances about 130m，the bending subsidence of the main key stratum will increase，and the longitudinal cracks will happen at its two ends，while the overburden stratum in the central part of the gob is compact，and cracks are gradually closed；the existence of the key strata structure decreases the impact of wide ranging severe activities of overburden stratum in the mining process on the working face.

coal mining，especially－thick coal seam，key stratum，movement of overburden stratum，movement law，Laosangou mine field

TD323

A

吳洪勝（1968－），男，經(jīng)濟(jì)師，現(xiàn)為中海油新能源（準(zhǔn)格爾）煤基能源有限公司總經(jīng)理。

（責(zé)任編輯 張毅玲）