巨厚礫巖層對地表沉降及沖擊地壓的影響分析

李興國文廣超

(1.義馬煤業(yè)集團股份有限公司,河南省義馬市,472300; 2.河南理工大學資源環(huán)境學院,河南省焦作市,454003)

巨厚礫巖層對地表沉降及沖擊地壓的影響分析

李興國1文廣超2

(1.義馬煤業(yè)集團股份有限公司,河南省義馬市,472300; 2.河南理工大學資源環(huán)境學院,河南省焦作市,454003)

針對義馬煤田各礦開采深度大(最大深度達1000 m)、煤層上覆巨厚礫巖層、礦井沖擊地壓事件發(fā)生日益頻繁的問題,在義馬煤田各礦開展了地表沉降觀測項目。借助地表沉降觀測資料,采用數(shù)理統(tǒng)計方法,分析了不同地質(zhì)采礦條件下地表移動規(guī)律,分析了巨厚礫巖層對地表沉降及沖擊地壓的影響,為沖擊地壓研究和防治提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

地表沉降 沖擊地壓 巨厚礫巖 下沉系數(shù) 等值線 義馬煤田

1 工作區(qū)概況

義煤集團義馬煤田自西向東轄楊村礦、耿村礦、千秋礦、躍進礦、常村礦,開采侏羅系煤層各礦位置關(guān)系如圖1所示,主要含煤巖系屬中侏羅世義馬組,分2組5層煤層,自上而下為1－1、1－2、2－1、2－2、2－3煤層,煤層埋深0～1200 m,煤層賦存比較穩(wěn)定,平均厚度13.5 m。經(jīng)過多年勘查與開發(fā),保有資源量已所剩不多,礦井逐漸轉(zhuǎn)入深部開采,最大采深超1000 m,地質(zhì)采礦條件非常復(fù)雜,沖擊地壓事件發(fā)生日益頻繁,成為制約義馬煤田各礦安全生產(chǎn)的首要難題。

義馬煤田煤層直接頂板一般為厚度約20 m的泥巖,之上為幾十米到百余米的砂礫巖互層,再向上為數(shù)百米的巨厚礫巖層,巖石非常堅硬。受不同采煤方法、開采深度和上覆礫巖影響,煤層開采后,地表沉降情況及沖擊地壓威脅的程度有明顯差異。其中,煤田西部礦井楊村礦煤層上覆礫巖厚度小,局部缺失,在大采高、多煤層開采條件下,采后頂板直接垮落,地表沉降充分,沖擊危險性較小;煤田中部及東部耿村礦、千秋礦、躍進礦、常村礦礫巖厚度大,最厚達700 m,開采后堅硬礫巖層不易垮落,導(dǎo)致大面積懸頂,礦井沖擊地壓發(fā)生頻次較多,且破壞性很大,威脅礦井安全。

圖1 義馬煤田各礦位置關(guān)系示意圖

2 觀測方案

(1)根據(jù)義馬煤田地質(zhì)采礦條件,結(jié)合相關(guān)規(guī)程規(guī)范和開采狀況,在所轄楊村礦、耿村礦、千秋礦、躍進礦、常村礦沿煤層走向和傾向設(shè)計地表觀測線。

(2)按照設(shè)計測線實測地表位置和高程。

(3)將實測資料展繪在1987年航測圖上,與航測地形圖進行高程對照,計算出工作面地表下沉量。

(4)根據(jù)地表下沉量繪制觀測線下沉曲線圖;收集開采煤厚資料計算地表下沉系數(shù),繪制地表下沉系數(shù)等值線圖;收集巨厚礫巖、采深資料及沖擊地壓發(fā)生情況,繪制下沉量、巨厚礫巖開采深度與沖擊地壓事件分布圖。

(5)結(jié)合以上成果,綜合分析中部礦井在復(fù)雜地質(zhì)采礦條件下,巨厚礫巖層對地表沉降及沖擊地壓的影響,為沖擊地壓研究與防治提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 項目實施

3.1 布置測線

依據(jù)相關(guān)規(guī)程,工作面地表移動觀測站走向和傾斜觀測線布設(shè)在義馬煤田楊村礦、耿村礦、千秋礦、躍進礦、常村礦移動盆地的主斷面位置。傾斜觀測線距開切眼或停采線0.7H0(H0為工作面平均開采深度)以上。義馬煤田煤層上覆巖性多為中硬覆巖,按照《煤礦測量規(guī)程》巖石硬度系數(shù)κ取0.7,煤層傾角取10°,最大下沉角經(jīng)計算取83°,采用移動角法設(shè)計觀測線長度。

按工程設(shè)計路線,沿工作面走向和傾向,實測地表坐標和高程。外業(yè)共測量觀測剖面線54條,長度160.5 km,測點6154個,覆蓋面積51 km2。

3.2 繪制測線實測剖面圖及下沉曲線圖

將測線實地測量數(shù)據(jù),展繪于礦區(qū)1987年航測地形圖之上,以測線為單位,分別計算各點下沉量,制作下沉量數(shù)據(jù)統(tǒng)計表,測點下沉量計算:

式中:ΔH——測點下沉量;

H——實測高程;

H1——對應(yīng)位置的原航測圖圖解高程。

以礦井為單位,根據(jù)各條測線下沉情況,分別繪制各礦測線實測剖面圖,圖2為義馬煤田西部楊村礦走向上YL1測線下沉曲線圖。YL1測線位于楊村礦淺部開采區(qū)域,由于楊村礦沒有巨厚礫巖層,地表沉降符合一般規(guī)律,下沉量主要與煤層開采厚度有關(guān),煤層開采后,頂板垮落比較充分,沒有形成應(yīng)力集中,楊村礦沒有發(fā)生過嚴重的沖擊地壓事件。

圖2 義馬煤田楊村礦YL1觀測線下沉曲線圖

3.3 計算地表下沉系數(shù),繪制下沉系數(shù)等值線圖

根據(jù)采煤厚度和地表下沉量,計算各個工作面地表下沉系數(shù),下沉系數(shù)能夠反映不同地質(zhì)條件下,地表的下沉程度。地表下沉系數(shù)計算:

式中:q——地表下沉系數(shù);

W0——充分采動條件下地表最大下沉值,m;

α——煤層傾角,(°);

M——煤層開采厚度,m。

根據(jù)下沉系數(shù)計算數(shù)據(jù),結(jié)合各礦煤層上覆礫巖層分布情況,繪制了義馬煤田地表下沉系數(shù)等值線圖,該圖圖幅較大,受文章篇幅所限,該圖未附在文章中。利用該圖可以看出煤層上覆巨厚礫巖層對地表沉降的影響,礫巖層厚度分布不同,地表的下沉程度也明顯不同。礫巖層厚度較小的區(qū)域(礫巖層厚度300 m以下),工作面地表下沉系數(shù)一般在0.5～0.9,說明地表下沉比較充分,該區(qū)域沖擊地壓危險性很小;礫巖層厚度較大的區(qū)域(礫巖層厚度300 m以上),地表下沉系數(shù)一般在0.3以下,地表下沉很不充分,說明煤層開采后,頂板垮落不充分,堅硬的巨厚礫巖層形成了大面積懸頂,造成應(yīng)力集中,該區(qū)域沖擊地壓危險性很大。

3.4 繪制各礦地表下沉量等值線圖

根據(jù)各礦沉降觀測資料,結(jié)合巨厚礫巖分布、沖擊地壓事件發(fā)生情況,以礦井為單位繪制下沉量等值線、巨厚礫巖等厚線與沖擊地壓事件分布圖,圖3為千秋礦21采區(qū)地表下沉量等值線、巨厚礫巖等厚線與沖擊地壓事件分布圖。

圖3 千秋礦21采區(qū)地表下沉量等值線、巨厚礫巖等厚線與沖擊地壓事件分布圖

圖3顯示,千秋礦21采區(qū)煤層開采厚度很大,達15～20 m,但已開采區(qū)域地表下沉量和下沉系數(shù)都很小,下沉系數(shù)在0.2以下。未開采區(qū)域,例如21161設(shè)計工作面以及下部的21221掘進工作面所在區(qū)域,地表下沉值已達2 m左右,與已開采區(qū)域下沉量基本相同。原因為該區(qū)煤層上覆巨厚礫巖達300 m,煤層開采后沒有折斷,完整的巨厚礫巖層形成了懸臂效應(yīng),對未開采區(qū)域造成應(yīng)力集中,為沖擊地壓發(fā)生危險區(qū)域。在21141工作面下巷及21221工作面下巷掘進時多次發(fā)生沖擊地壓事件。

4 巨厚礫巖層開采對地表沉降及礦井沖擊地壓的影響分析

(1)各礦由于采礦地質(zhì)條件不同,地表下沉量差別很大。從實測下沉資料及統(tǒng)計情況分析,煤層上覆礫巖層厚度小于250 m的開采區(qū)域,地表下沉受巨厚礫巖層影響很小,地表下沉符合一般規(guī)律,地表下沉量主要與開采煤層厚度有關(guān),受采深影響,從煤田淺部至深部開采區(qū)域,地表下沉量及下沉系數(shù)有減小趨勢。

(2)位于煤田西部的楊村礦,煤層上覆礫巖層很薄,地表下沉量主要與開采煤層厚度有關(guān)。楊村礦最大下沉量達19.8 m,平均下沉量5.98 m,地表下沉系數(shù)達0.8～0.9,地表下沉充分,該礦沒有發(fā)生過嚴重的沖擊地壓事件。

(3)與楊村礦相鄰的耿村礦,礫巖厚度0～300 m,采深在700 m以淺,沉降觀測點數(shù)1537個,地表下沉量0～12.9 m,耿村礦底板等高線＋200 m以上區(qū)域,煤層上覆礫巖層厚度小(250 m以下),煤層開采后工作面下沉系數(shù)達0.5以上,下沉比較充分。底板等高線＋200 m以下區(qū)域,煤層上覆礫巖層厚度達250 m以上,工作面開采煤厚10～14 m,地表下沉量僅為1.5～3 m,下沉系數(shù)僅為0.12～0.18,比＋200以上工作面明顯減小,深部未采區(qū)域下沉量與已采工作面下沉量基本相同,表現(xiàn)出明顯的巨厚礫巖懸臂效應(yīng),深部未開采區(qū)域應(yīng)為沖擊地壓易發(fā)區(qū)域。

(4)位于煤田中部的千秋礦巨厚礫巖厚度在0～500 m,最大采深達800 m,測量點數(shù)1174個,下沉量0～6.1 m,平均下沉量僅為1.23 m。受巨厚礫巖和采深綜合影響,下沉系數(shù)從淺部到深部逐漸減小,據(jù)統(tǒng)計,巨厚礫巖厚度超過250 m,采深超過500 m區(qū)域,下沉系數(shù)均在0.3以下,在沖擊地壓發(fā)生比較集中的21采區(qū),煤層上覆巨厚礫巖達300 m,開采煤厚達10 m以上,下沉量為1～2 m,下沉系數(shù)在0.2以下,該區(qū)未開采區(qū)域(包括設(shè)計工作面、掘進工作面和各類煤柱等)和已開采工作面下沉量基本相同。據(jù)分析,該區(qū)煤層上覆巨厚礫巖在煤層開采后沒有折斷,完整的巨厚礫巖層形成了懸頂,當開采達到一定面積時,未開采區(qū)域由于承受完整礫巖層的巨大重力造成應(yīng)力集中,易發(fā)生沖擊地壓。據(jù)統(tǒng)計,該區(qū)域已發(fā)生過多次嚴重的沖擊地壓事件。

(5)與千秋礦相鄰的躍進礦巨厚礫巖厚度在0～700 m,最大采深達1050 m,最大下沉值為4.58 m,平均下沉1.17 m。深部25采區(qū)巨厚礫巖厚度達500 m,采深超過750 m,相鄰的25010、25030、25050、25070、25090等工作面煤層開采厚度差別很大,最小為2.8 m,最大為11.5 m,但是該區(qū)域(包括采區(qū)下山煤柱)地表下沉量基本相同,均為1～2 m。據(jù)分析,該采區(qū)煤層開采后,上覆堅硬的巨厚礫巖層沒有折斷,造成未開采區(qū)域應(yīng)力集中,導(dǎo)致沖擊地壓發(fā)生頻繁,與沖擊地壓事件統(tǒng)計情況吻合。

(6)位于煤田東部的常村礦,巨厚礫巖厚度在0～400 m,最大采深達700 m,最大下沉10.5 m,平均下沉量2.93 m。該礦底板等高線－100 m以上區(qū)域,煤層上覆礫巖層厚度小,煤層開采后工作面下沉系數(shù)達0.5～0.7,符合一般地表下沉規(guī)律,地表下沉比較充分,沖擊地壓危險性很小。底板等高線－100 m以下區(qū)域,煤層上覆礫巖層厚度達350 m以上,工作面開采煤厚9～13 m,地表下沉量僅為1.5～3 m,下沉系數(shù)為0.16～0.26,比－100 m以上區(qū)域工作面明顯減小,深部未采區(qū)域地表下沉量已達1 m以上,應(yīng)力比較集中,說明－100 m以下區(qū)域受巨厚礫巖層影響造成應(yīng)力集中,沖擊地壓危險性很大,這一結(jié)論與該礦沖擊地壓發(fā)生統(tǒng)計情況基本吻合。

5 結(jié)論

(1)地表沉降與煤層上覆礫巖層厚度關(guān)系很大,上覆礫巖層厚度小于250 m的區(qū)域,上覆礫巖對下沉量和下沉系數(shù)影響很小,地表下沉比較充分。礫巖層厚度超過250 m的區(qū)域,工作面回采后,堅硬的巨厚礫巖層沒有完全斷裂,造成煤層頂板不完全垮落,形成懸臂巖層結(jié)構(gòu),受堅硬礫巖層支撐,下沉量和下沉系數(shù)都很小,地表下沉很不充分。同時,區(qū)域受巨厚礫巖層影響,地表沉陷影響范圍擴大,千秋礦深部21201工作面,開采深度800 m,其南部下沉影響距離達700 m以上,據(jù)測量,距工作面南側(cè)距離500 m左右的陳溝村,地表下沉仍達1 m左右,而且與工作面上方地表下沉量基本相同。

(2)沖擊地壓的發(fā)生與上覆礫巖層結(jié)構(gòu)及厚度有關(guān),特別是厚煤層、大采深、煤層上覆巨厚礫巖的情況下,覆巖結(jié)構(gòu)及運動是礦井沖擊地壓發(fā)生的重要因素。在煤層上覆礫巖厚度小于250 m區(qū)域,地表下沉非常充分,能量得到釋放,沖擊地壓發(fā)生危險性較小。沖擊地壓發(fā)生集中的區(qū)域,礫巖厚度均超過250 m,工作面回采后,在上覆礫巖層中產(chǎn)生離層,礫巖層下部巖層隨工作面頂板垮落,上部巖層受巨厚堅硬礫巖層的支撐,垮落不充分。由于礫巖下沉的不均勻性,在離層發(fā)育過程中,巖體自重使礫巖層積聚大量的彈性能,在采空區(qū)周圍巖體、煤柱以及孤島開采區(qū)域,形成高壓應(yīng)力集中帶,隨著采空區(qū)域的不斷擴大,懸臂巖層面積和體積日益增加,受采動擾動,頂板及上覆巖層極有可能失穩(wěn)后突然垮落,積聚能量的突然釋放誘發(fā)沖擊地壓,這一結(jié)論已在各礦的采掘活動中得到驗證。

(3)礦井沖擊危險區(qū)的分布具有一定規(guī)律性。結(jié)合各礦采掘情況,預(yù)測耿村礦13采區(qū)東翼、千秋礦21采區(qū)、躍進礦25采區(qū)、常村礦21采區(qū)西翼為沖擊地壓危險區(qū)。沖擊危險區(qū)域的劃定,可指導(dǎo)優(yōu)化開采布局,提前采取應(yīng)對措施,如盡量避免工作面形成孤島開采,實煤體掘進時提前采取卸壓、加強支護等措施。

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(責任編輯 張毅玲)

煤炭信貸是控煤關(guān)鍵

由中國人民銀行金融研究所和創(chuàng)綠中心合作完成的《中國能源轉(zhuǎn)型和煤炭消費總量控制下的金融政策研究》于日前發(fā)布。報告認為,對涉煤行業(yè)而言,外源性融資主要來自銀行貸款,因此控制煤炭消費總量的重中之重是控制煤炭行業(yè)信貸。

報告顯示,這一轉(zhuǎn)型對融資有著迫切需求,但現(xiàn)階段能源融資中存在的問題正在阻礙轉(zhuǎn)型。例如,目前我國能源領(lǐng)域信貸資金仍集中在煤炭行業(yè)。

據(jù)了解,在2008年1月至2014年3月期間,包括五大商業(yè)銀行在內(nèi)的16家上市銀行向A股168家上市涉煤企業(yè)(煤炭采掘、火力發(fā)電、煤化工和建材等4個行業(yè))累計發(fā)放貸款5.5萬億元。其中,2008～2011年我國涉煤行業(yè)相關(guān)貸款保持穩(wěn)定較快增長,2012～2013年對大型涉煤行業(yè)企業(yè)的貸款總額增速提高,2013年貸款總額比2012年貸款總額增長204.5%,年增速提高45.6%;銀行對上市涉煤企業(yè)的貸款主要集中于煤炭采掘,其貸款特點是單筆貸款數(shù)額大,采掘行業(yè)的貸款主要集中在新疆、山西、陜西、河南等傳統(tǒng)能源富集省(區(qū));對廣東、黑龍江、四川等省份的貸款主要集中在火電和建材行業(yè)。

此外,報告顯示,隨著2012年末煤價開始走低,行業(yè)利潤減小,煤炭企業(yè)違約風險日漸加大。由于涉煤企業(yè)資金壓力加大,煤炭行業(yè)整體投資額增速放緩,煤炭企業(yè)對銀行貸款的依賴程度明顯提升。與此同時,商業(yè)銀行也紛紛調(diào)整了對煤炭企業(yè)的融資政策,包括降低對中小型煤炭企業(yè)貸款額度與集中度、收緊表外融資渠道等,但增加了對大型煤炭企業(yè)的短期融資和債券發(fā)行。2011～2014年,以煤炭為主的能源企業(yè)發(fā)行企業(yè)債募集資金共計1347.6億元;上市企業(yè)發(fā)行的公司債募集資金1058.4億元,占同期公司債發(fā)行總額的15.37%。盡管煤價從2012年開始走低,行業(yè)總體盈利下降,煤炭企業(yè)償債能力減弱,但煤炭債券評級總體水平仍較高,票面利率平均為6.27%,低于全行業(yè)7.5%的債券平均利率。

為實現(xiàn)國內(nèi)能源轉(zhuǎn)型和2020年前達到煤炭消費峰值(40～42億t)的最優(yōu)控煤目標,報告建議,我國應(yīng)形成一套支持控煤的金融政策體系,借助金融政策對煤炭及其替代的清潔能源和可再生能源發(fā)展實施間接調(diào)控。

Impact analysis of the extremely thick conglomerate layer on ground surface subsidence and rock burst

Li Xingguo1,Wen Guangchao2
(1.Yima Coal Industry Group Co.,Ltd.,Yima,Henan 472300,China; 2．Institute of Resources&Environment,Henan Polytechnic University, Jiaozuo,Henan 454003,China)

Aiming at the problems of the large mining depth which up to 1000 m,the overlying extremely thick conglomerate layer and the increasingly frequent rock burst,the project of ground surface settlement observation was carried out in each mine of Yima coal field.According to the data of ground surface settlement observation and mathematical statistics method,the law of surface movement in different geological and mining conditions was analyzed,then the impact of the extremely thick conglomerate layer on ground surface subsidence and rock burst were analyzed,which provided the basic data to the research,prevention and treatment of rock burst.

surface subsidence,rock burst,extremely thick conglomerate layer,subsidence coefficient,contour line,Yima coal field

TD325

A

李興國(1977－),男,河南汝州人,高級工程師,河南能源義煤集團地測處測量科科長,從事煤礦地質(zhì)測量工作的研究。