雙系煤層開采相互影響下的覆巖運(yùn)動(dòng)與破壞規(guī)律分析

陳 鎣，張宏偉，朱志潔，于斌，霍利杰

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧阜新 123000;2.中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州221116;3.大同煤礦有限責(zé)任公司，山西大同 037003;4.同煤國電同忻煤礦有限公司，山西大同 037003)

0 引言

我國主要的含煤地層有侏羅系和石炭-二疊系，一般情況下，一個(gè)礦區(qū)只進(jìn)行一個(gè)含煤地層的開采工作。一個(gè)礦區(qū)雙系煤層共存同采的情況并不多見，其中大同礦區(qū)最為典型，賦存的煤層具有“雙系、多煤層、堅(jiān)硬頂板”的特點(diǎn)［1-2］，在雙系開采的共同擾動(dòng)下，雙系煤層采空區(qū)通過采動(dòng)裂隙聯(lián)通，有害氣體下泄;石炭系煤層受侏羅系開采影響礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，影響工作面的安全生產(chǎn)，給礦井安全高效生產(chǎn)帶來了諸多難題。為此雙系開采相互影響關(guān)系及影響方式成為目前大同礦區(qū)亟待解決的問題。

關(guān)于雙系同采引起的覆巖運(yùn)動(dòng)與礦壓顯現(xiàn)的相關(guān)研究較少。以同忻煤礦地質(zhì)與開采條件為研究背景，利用關(guān)鍵層理論、物理探測(cè)及數(shù)值模擬技術(shù)，分析石炭二疊系開采形成的覆巖運(yùn)動(dòng)與破壞規(guī)律，結(jié)合雙系覆巖巖性分布特點(diǎn)、工作面底板破壞深度等研究，解釋雙系采空區(qū)聯(lián)通原因，并確定不同工況條件下石炭二疊系開采礦壓受侏羅系開采的影響關(guān)系。

1 工程概況

大同礦區(qū)為典型的雙系煤層(侏羅系與石炭二疊系)共采礦區(qū)。同忻煤礦是大同礦區(qū)開采石炭二疊系煤層的千萬噸礦井之一。主采煤層為3-5#煤層，平均煤厚15.0 m，平均埋深450m，煤層傾角3°～10°。井田范圍內(nèi)雙系煤層重疊率近100%，井田范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的開采侏羅系煤層的礦井由南到北依此有:同家梁煤礦、大斗溝煤礦、永定莊煤礦、煤峪口煤礦、忻州窯煤礦，侏羅系主采煤層有 9#、11#、12#、14#煤層。石炭系3-5#煤層距其最近的侏羅系14#煤層平均間距200 m，局部區(qū)域間距約140 m。

2 關(guān)鍵層斷裂分析

2.1 雙系間覆巖巖性統(tǒng)計(jì)分析

井田范圍的大量鉆孔數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析表明:雙系間覆巖層狀分布，起伏變化小，賦存穩(wěn)定;雙系間分布著細(xì)粒砂巖、中粒砂巖、粉砂巖、礫巖、砂質(zhì)泥巖、煤層，其中砂巖類巖層占 75.16%，礫巖占17.29%，泥巖及煤層占7.55% 。巖層以厚而堅(jiān)硬巖石為主，軟弱夾層缺失，導(dǎo)致堅(jiān)硬巖層破斷后，采動(dòng)裂隙空間不能及時(shí)得到軟弱層的充填密實(shí)，不利于形成隔水、隔氣關(guān)鍵層，使采動(dòng)裂隙成為導(dǎo)水、導(dǎo)氣的通道。

2.2 關(guān)鍵層判定及斷裂分析

在采場上覆巖層中存在著多層堅(jiān)硬巖層時(shí)，對(duì)巖體活動(dòng)全部或局部起決定作用的巖層稱為關(guān)鍵層，前者可稱為巖層運(yùn)動(dòng)的主關(guān)鍵層，后者可稱為亞關(guān)鍵層。確定關(guān)鍵層的位置對(duì)于研究覆巖運(yùn)動(dòng)與破壞具有重要意義。同忻礦3-5#煤層工作面上方約200 m處為侏羅系采空區(qū)，因此關(guān)鍵層計(jì)算邊界至侏羅系采空區(qū)為止。綜合同忻礦北一盤區(qū)的鉆孔數(shù)據(jù)，根據(jù)關(guān)鍵層的判別條件［3］，確定了3-5#煤上覆巖層各個(gè)關(guān)鍵層，計(jì)算結(jié)果見表1，共確定了3層亞關(guān)鍵層和1層主關(guān)鍵層。結(jié)合關(guān)鍵層判定結(jié)果，根據(jù)參考文獻(xiàn)［4］、［5］中的相關(guān)判定公式，可確定工作面推進(jìn)不同位置時(shí)覆巖破壞的發(fā)育情況(表2)。

表1 關(guān)鍵層判定結(jié)果Table 1 Determination result of KS

表2 各關(guān)鍵層隨工作面推進(jìn)初次破斷情況Table 2 Each KS first breaking with working face moving

由表2可知，工作面推進(jìn)至55 m和109 m時(shí)，亞關(guān)鍵層Ⅰ和亞關(guān)鍵層Ⅱ發(fā)生破斷，其所控制的巖層也隨之發(fā)生破壞，裂隙帶發(fā)育高度為32.4 m和143.5 m;當(dāng)工作面推進(jìn)至193 m時(shí)，亞關(guān)鍵層Ⅲ發(fā)生破斷，覆巖裂隙發(fā)育至主關(guān)鍵層底部，裂隙帶發(fā)育高度為174.7 m。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，由于主關(guān)鍵層的傾向懸露距離小于其極限跨距，裂隙帶發(fā)育至主關(guān)鍵層下部停止。

2.3 覆巖垮裂帶高度探測(cè)

根據(jù)不同賦存狀態(tài)的巖層、地質(zhì)構(gòu)造或是地下空間結(jié)構(gòu)具有不同的地電特征的原理，利用EH-4大地電磁測(cè)深系統(tǒng)對(duì)3-5#煤層工作面開采后覆巖運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行探測(cè)，確定工作面上覆巖層垮落帶與裂隙帶范圍。選取8100工作面對(duì)應(yīng)的地表布置測(cè)線，進(jìn)行分階段的探測(cè)，具體測(cè)線布置見圖1。第一階段為2011年5月，工作面已推過此位置約1個(gè)月;第二階段為2011年9月，工作面采過此位置5個(gè)月;第三階段為2012年5月，工作面已推過此位置約12個(gè)月。

圖1 EH－4測(cè)線布置Fig.1 Arrangement of EH－4 measuring-line

圖2 2#測(cè)線大地電阻率二維反演圖Fig.2 EH－4 two-dimensional inversion profile of 2#survey line

將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行地形矯正后生成出反映真實(shí)標(biāo)高的電阻率二維反演圖(圖中雙黑虛線為煤層位置)見圖2。從圖2(a)中不難發(fā)現(xiàn)，在水平方向80～300 m之間，標(biāo)高在+800～+900 m之間有一高阻閉合圈(圖2(a)中黑色實(shí)線所示)，其上部電阻率等值線平穩(wěn)、連續(xù)，層狀分布，推斷此高阻異常區(qū)為8100綜放面開采后形成的垮落帶，影響高度約100 m，此時(shí)高阻異常區(qū)內(nèi)等值線稀疏，范圍較大，說明由開采形成的采空區(qū)還未充分冒落，覆巖運(yùn)動(dòng)還在持續(xù);圖中黑色點(diǎn)劃線為工作面開采后裂隙帶發(fā)育高度的邊界，影響高度約170 m。圖2(b)中形成的高阻異常帶的形態(tài)與范圍與第一階段形成的圖2(a)中的基本一致，此時(shí)高阻區(qū)域內(nèi)等值線較為密集，開采形成的空洞范圍較第一階段大大減小，說明覆巖充分垮落，采空區(qū)已基本充實(shí)。在圖2(c)中電阻率等值線平穩(wěn)、連續(xù)，層狀分布，說明工作面上覆巖層經(jīng)過1年的運(yùn)動(dòng)已達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，并重新恢復(fù)了層狀分布。

將理論計(jì)算結(jié)果與物理探測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，確定3-5#煤層開采后形成的垮裂帶高度為175～180 m，取3-5#煤層平均煤厚為15.0 m，則垮裂帶高度與采厚之比為11.7～12。因此在局部區(qū)域，當(dāng)雙系煤層間距小于180m時(shí)，雙系煤層采空區(qū)可通過采動(dòng)裂隙聯(lián)通，造成雙系開采之間的相互影響。

3 侏羅系煤層開采底板破壞深度分析

工作面推進(jìn)過程中，支承壓力在工作面前后方的分布如圖3所示?；夭晒ぷ髅娴囊苿?dòng)性支承壓力不僅會(huì)在前方煤體上產(chǎn)生應(yīng)力集中，而且還會(huì)通過煤體傳遞至底板深部，造成底板巖層在一定深度內(nèi)應(yīng)力重新分布，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到底板巖石的極限強(qiáng)度時(shí)底板巖層發(fā)生破壞。底板應(yīng)力分布取決于工作面前方集中應(yīng)力向煤層底板下部巖層的傳遞［6-8］。假設(shè)前方處于原巖應(yīng)力狀態(tài)的煤巖對(duì)底板應(yīng)力的重新分布沒有影響，則工作面前方支承壓力可看成煤壁至應(yīng)力峰值的三角形帶狀載荷與應(yīng)力峰值前方的梯形帶狀荷載，工作面前方底板任一點(diǎn)的應(yīng)力則看成這兩個(gè)帶狀載荷在半無限彈性體下的傳遞。力學(xué)模型如圖4所示，圖中S1為工作面煤壁至支承壓力峰值距離;S2為超前支承壓力峰值與回落至原巖應(yīng)力區(qū)之間的距離;L1為采空區(qū)內(nèi)殘余支承壓力直至恢復(fù)至原巖應(yīng)力的距離;L2為原巖應(yīng)力為零的采空區(qū)長度。

圖3 工作面前后支承壓力分布圖Fig.3 Abutment pressure distribution front and back of the working face

圖4 底板應(yīng)力分布計(jì)算Fig.4 Calculation of floor stress distribution

取微分線段dξ，qdξ可視為微小集中應(yīng)力，M點(diǎn)與微小集中應(yīng)力的鉛直距離和水平距離分別為y和x-ξ，則整個(gè)分布荷載對(duì)底板任一點(diǎn)M(x，y)所產(chǎn)生的應(yīng)力為［9-11］:

運(yùn)用工程中常用的莫爾-庫侖準(zhǔn)則，底板內(nèi)某點(diǎn)的最大剪應(yīng)力為［12-13］:

底板任意點(diǎn)的破壞判據(jù)為:

以同忻煤礦8100工作面為計(jì)算對(duì)象，該工作面對(duì)應(yīng)著淺部永定莊礦開采的14#煤層采空區(qū)，14#煤平均厚度為4.3 m，工作面超前支承壓力分布在工作面前方0 m～20 m，集中應(yīng)力最大值在煤壁前方7 m處，最大集中應(yīng)力系數(shù)為1.6。將 a=13，b=7，k=1.6，φ =30°和 c=15.1 代入式(1)～(3)，利用MathCAD進(jìn)行計(jì)算，令

由式(6)繪制同忻煤礦8100工作面底板破壞極限曲線F(x，y)，如圖5所示。若F(x，y)＜0，則巖石破壞，分析得出侏羅系煤層開采過程中造成底板破壞深度約20 m。

圖5 底板巖層破壞分析Fig.5 Failure analysis of floor strata

當(dāng)只進(jìn)行侏羅系煤層開采時(shí)，底板巖層破壞形成裂隙，經(jīng)采空區(qū)冒落矸石的擠壓，巖層中的裂隙重新閉合。當(dāng)受到石炭二疊系煤層開采擾動(dòng)影響時(shí)，侏羅系底板巖層的裂隙被活化，成為導(dǎo)水、導(dǎo)氣的通道，甚至是成為石炭二疊系煤層開采形成的垮落帶的一部分。侏羅系煤層開采引起的底板巖層的破壞使雙系煤層之間穩(wěn)定巖層的有效高度減小，使石炭二疊系煤層采動(dòng)覆巖的運(yùn)動(dòng)與破壞規(guī)律趨于復(fù)雜。

4 工作面采動(dòng)應(yīng)力分析

4.1 數(shù)值計(jì)算模型建立及參數(shù)確定

同忻井田范圍內(nèi)雙系煤層相互重疊，井田上部對(duì)應(yīng)著侏羅系各個(gè)煤層的采空區(qū)，以8100工作面為例，分析侏羅系煤層采空區(qū)是否對(duì)石炭二疊系煤層開采礦壓產(chǎn)生影響。8100工作面煤層頂板上部對(duì)應(yīng)上覆永定莊礦侏羅紀(jì) 9#、11#、12#、14#煤層，大部分為采空區(qū)，侏羅系14#煤層與3-5#煤層平均間距為142 m。

依據(jù)8100工作面與上部永定莊各煤層采空區(qū)的相互位置關(guān)系，利用FLAC2D軟件建立數(shù)值計(jì)算模型，模擬侏羅系煤層開采前后8100工作面垂直超前支承壓力分布規(guī)律。模型長×高=600 m×354 m，共建立43500個(gè)單元，43946個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算模擬工作面推進(jìn)420m，分21步推進(jìn)，每步20 m。各煤巖物理力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 煤巖物理力學(xué)參數(shù)Table 3 Physical and mechanical parameters of coal and rocks

4.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)研究目的，提取8100工作面在不同推進(jìn)距離時(shí)超前支承壓力峰值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。侏羅系煤層未開采時(shí)8100工作面超前支承壓力峰值分布情況見圖6，曲線圖表明:隨著工作面的不斷推進(jìn)，工作面超前支承壓力峰值逐漸升高，工作面達(dá)到充分采動(dòng)后(工作面推進(jìn)至約200m)，應(yīng)力峰值趨于穩(wěn)定，為27.4MPa。

雙系同采時(shí)，8100工作面在不同推進(jìn)距離時(shí)超前支承壓力峰值變化情況(圖9)。根據(jù)8100工作面推進(jìn)過程中所處的不同工況條件將曲線劃分為A、B、C、D四個(gè)部分(圖7)。A部分工況條件為工作面推進(jìn)0～180 m，上覆僅侏羅系9#、11#煤層開采，工作面超前支承壓力峰值隨工作面開采距離增加而緩慢升高，其原因是隨著工作面推進(jìn)距離的增加，工作面逐漸達(dá)到充分開采，應(yīng)力峰值達(dá)到最大并趨于穩(wěn)定，支承壓力峰值最大達(dá)26.7 MPa;B部分工況條件為工作面推進(jìn)180 ～240 m，侏羅系 9#、11#、12#、14#煤層均被開采，由于上部煤層開采具有卸壓作用，工作面超前支承壓力峰值降低，較無采空區(qū)時(shí)降低了10.2%;C部分工況條件為工作面推進(jìn)240～320 m，8100工作面位于9#、11#煤層的煤柱下方影響區(qū)域內(nèi)，距11#煤層的煤柱垂直距離為191.5 m，受上方煤柱應(yīng)力集中影響，支承壓力峰值升高，最大達(dá)30.8 MPa，較無采空區(qū)時(shí)升高了12.4%;D部分工況條件為工作面推進(jìn)320～420 m，8100 工作面位于侏羅系 9#、11#、12#、14#煤層采空區(qū)下方，支承應(yīng)力峰值降低，與B部分應(yīng)力值相同。

圖6 8100工作面超前支承壓力分布Fig.6 Distribution of lead abutment pressure mining position of 8100 working face

圖7 8100工作面開采位置Fig.7 Mining position of 8100 working face

模擬結(jié)果表明:石炭系3-5#煤層開采礦壓受侏羅系煤層開采影響，不同的工況條件下，石炭系煤層超前支承壓力峰值波動(dòng)較大，處于侏羅系煤層采空區(qū)下方時(shí)，應(yīng)力峰值降低，處于侏羅系煤層煤柱下方時(shí)，應(yīng)力峰值升高。雙系間最大間距為220 m，最小間距為140 m，在此條件下，雙系開采存在相互影響，其因有二:(1)雙系間覆巖多以堅(jiān)硬巖層為主，有助于應(yīng)力的傳遞，使侏羅系的采動(dòng)應(yīng)力影響范圍增加;(2)3-5#特厚煤層綜放開采強(qiáng)度大，引起的覆巖運(yùn)動(dòng)范圍大，發(fā)生斷裂的關(guān)鍵層層位較高。

5 結(jié)論

(1)利用關(guān)鍵層理論，計(jì)算得到石炭二疊系煤層開采覆巖共有4層關(guān)鍵層，充分采動(dòng)下，覆巖裂隙帶發(fā)育高度止于亞關(guān)鍵層Ⅲ，裂隙帶發(fā)育高度最大為174.7 m;物理探測(cè)結(jié)果表明3-5#開采覆巖裂隙帶高度約為180 m，綜合理論計(jì)算與現(xiàn)場實(shí)測(cè)結(jié)果，石炭二疊系煤層開采形成的裂隙帶高度為175～180 m，裂隙帶高度與采厚之比為11.7～12.0。

(2)侏羅系煤層開采引起底板破壞，其破壞深度約20 m，雙系間軟弱夾層的缺失及石炭二疊系煤層開采引起的大范圍覆巖破壞，造成了雙系煤層采空區(qū)通過采動(dòng)裂隙相互聯(lián)通。

(3)侏羅系煤層的開采引起石炭二疊系煤層工作面超前支承壓力峰值變化，變化規(guī)律受石炭二疊系煤層工作面與侏羅系采空區(qū)相對(duì)位置、侏羅系開采狀態(tài)等因素控制，并且雙系之間的堅(jiān)硬覆巖增加了雙系開采相互影響程度。

(4)針對(duì)雙系開采的相互影響，建議提高石炭二疊系煤層開采時(shí)的工作面與回采巷道支護(hù)強(qiáng)度，防止侏羅系采空區(qū)及殘留煤柱引起的應(yīng)力集中造成圍巖失穩(wěn);在兩系間距小于180m的區(qū)域可通過控制有效采高減小覆巖垮裂帶發(fā)育高度;為更好防治侏羅系煤層有毒有害氣體下泄，建議石炭二疊系煤層應(yīng)配備通風(fēng)均壓設(shè)備，隨時(shí)啟動(dòng)均壓系統(tǒng)。

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