多煤層開采上覆關(guān)鍵層位置的研究

趙午紅

（呂梁市煤炭職工培訓(xùn)中心，山西 呂梁 033000）

多煤層開采上覆關(guān)鍵層位置的研究

趙午紅

（呂梁市煤炭職工培訓(xùn)中心，山西 呂梁 033000）

根據(jù)多煤層開采中上覆關(guān)鍵層的位置確定的重要影響，在高瓦斯煤層群的開采中，研究了關(guān)鍵層還可確定上下鄰近層中高低位瓦斯富集區(qū)的位置?；陉柸V區(qū)南莊煤礦的地質(zhì)條件，采用理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)合的方式，確定了上覆關(guān)鍵層的位置，通過現(xiàn)場測試驗(yàn)證，取得良好的效果。

上覆巖層；關(guān)鍵層；數(shù)值模擬

開采臨近煤層后，上覆巖層采動裂隙場演化及分布規(guī)律是研究采場頂板以及地表下沉的重要理論，相關(guān)理論涉及采動覆巖“豎三帶”[1]、關(guān)鍵層[2-3]，以及上覆巖層采動裂隙分布的地質(zhì)實(shí)測。

陽泉礦區(qū)井田面積約12.59 km2，生產(chǎn)能力200萬t/a。含煤地層主要由石灰系上統(tǒng)太原組和二迭系下統(tǒng)山西組構(gòu)成，可采煤層和局部可采煤層為山西組3號、6號和太原組12號、15號煤層，其中3號、6號煤層已回采完畢，目前只采12號、15號煤層。井田內(nèi)各煤層均賦存有瓦斯，而上覆巖層中有三層石灰?guī)r儲氣層。開采12號煤層時(shí)，其瓦斯大多來自本煤層和采動影響卸壓的鄰近煤層，開采15號煤層時(shí)，其瓦斯主要是上鄰近層的侵入。

1 上覆巖層中關(guān)鍵層的確定理論

1.1 地質(zhì)實(shí)測

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場鉆孔實(shí)測，關(guān)鍵層一般是相對于其巖層來說，厚度較厚、強(qiáng)度較高、破斷時(shí)會導(dǎo)致局部的同步垮落等規(guī)律的各層。這不僅是尋找關(guān)鍵層的重要依據(jù)，也是證明關(guān)鍵層存在的判據(jù)。從南莊煤礦（部分）煤層柱狀圖，見圖1。距12號煤層6 m的細(xì)砂巖，10.16 m的石灰?guī)r，14.89 m的中砂巖，35.26 m的中砂巖，69.58 m的細(xì)砂巖都可能所在的層位為關(guān)鍵層。

1.2 采動上覆巖層“豎三帶”分布理論

劉天泉院士[4]等經(jīng)過大量現(xiàn)場實(shí)測和深入理論研究，自上而下分別定義：彎曲下沉帶、裂隙帶和垮落帶。a.垮落帶位于開采煤層的上部，可能是偽頂，也可能不存在偽頂，它的特征為厚度較小，隨采隨落，并逐漸向上發(fā)展，直到開采空間被垮落的偽頂或部分直接頂填滿為止。垮落帶內(nèi)巖層破斷后呈不規(guī)則垮落，巖塊之間空隙多，連通性好，豎向穿層裂隙非常發(fā)育，是瓦斯流動的通道和聚集的場所。b.裂隙帶位于垮落帶之上，它會發(fā)生周期性的破裂和斷落，能夠作為承載結(jié)構(gòu)承載部分上覆巖層，裂隙帶的下部主要是由離層裂隙和豎向穿層裂隙構(gòu)成，上部主要裂隙為離層裂隙發(fā)育。c.彎曲下沉帶處于裂隙帶上部直至地表的巖層，如果埋深較深時(shí)，彎曲下沉值較小，產(chǎn)生的離層裂隙較少，主要是在強(qiáng)度不同的軟硬巖石交界處產(chǎn)生。

對于緩傾斜煤層，計(jì)算垮落帶、裂隙帶發(fā)育高度的經(jīng)驗(yàn)公式，如表1所示[5]。

1.3 關(guān)鍵層理論

實(shí)踐表明，采場上覆巖層活動中有一層至數(shù)層堅(jiān)硬且較厚的巖層起主要的承載作用，這層巖石稱為關(guān)鍵層?；卷斒遣蓤錾细矌r層中的下位關(guān)鍵層，但不是唯一的關(guān)鍵層。采場上覆巖層中的關(guān)鍵層特征，一般為相對致密且硬度較大的且有一定的承載結(jié)構(gòu)的巖層或者巖層群[6]。

假設(shè)采場上方共有m層巖層，并且把第一層巖層即為第一層關(guān)鍵層（編號為I）。各巖層的厚度為hi（i=1，2，…，m），體積力為γi（i=1，2，…，m），彈性模量為Ei（i=1，2，…，m）。其中關(guān)鍵層I所控制的巖層達(dá)n層（n

式中：Q為組合梁截面上的總剪切力，kN；M為組合梁截面上的總彎矩，N·m；Qi為第i層巖層截面上的剪切力，kN；Mi為第i層巖層截面上的彎矩，N·m。

但每個(gè)巖層梁由于其物理參數(shù)的不同，在其自覆載荷的作用下形成的曲率是不同的，根據(jù)材料力學(xué)可知曲率ki與彎矩Mi的關(guān)系為：

式中：ki為第i層巖層的自重曲率；Ei為第i層巖層的彈性模量，MPa；Ji為第i層巖層的慣性矩，m4。

由于各個(gè)巖層整體的上下移動，在此形成一個(gè)組合，上下層的曲率或半徑必然趨于一致，即：

則各巖層的彎矩將重新分配，即：

代入式（2）得：即

式中：（q1）n為計(jì)算到第n層巖層時(shí)，關(guān)鍵層I所受集中荷載強(qiáng)度，kN/m2；hi為第i層巖層的厚度，m；γi為第i層巖層的體積力。

根據(jù)上述研究可知，關(guān)鍵層在變形過程中，會與上覆巖層保持相同的步調(diào)，起承載結(jié)構(gòu)作用；同樣其下部巖層會由下部的關(guān)鍵層所承擔(dān)。第一層巖層為第一關(guān)鍵層，其控制范圍達(dá)到第n層，則第n+1層成為第二關(guān)鍵層必然滿足[7]：

式中：（q1）n＞為計(jì)算到第n層時(shí)，第一層巖層所承受的上覆巖層的載荷強(qiáng)度；（q1）n+1為計(jì)算到第n+1層時(shí)，第一層巖層承受的上覆巖層的載荷強(qiáng)度。

按照式（9），計(jì)算上覆巖層對第一關(guān)鍵層的載荷，直到到（q1）n＞（q1）n+1時(shí)，則認(rèn)為第一關(guān)鍵層的載荷集度是（q1）n，則可以認(rèn)為關(guān)鍵層為第一層巖層，控制著第一層巖層到第n層巖層的移動和變形。使用這樣的理論和方法，依次計(jì)算第n+1層巖層的載荷集度，確定上面各個(gè)關(guān)鍵層，并確定主關(guān)鍵層的位置。由于相鄰巖層組合的變形不協(xié)調(diào)或者產(chǎn)生的變形值不同，因此關(guān)鍵層與其下巖層之間會產(chǎn)生離層。

2 12號煤層工作面的地質(zhì)概況

太原組12號煤層厚度平均1.22 m，最大厚度1.4 m，傾角約5°～7°，平均6°，賦存穩(wěn)定，透氣性系數(shù)1.70～6.92 m2/(MPa2·d)。上覆巖層的抗壓強(qiáng)度在40 MPa以上，因此其上覆巖層的巖性為堅(jiān)硬。由表1可知，當(dāng)上覆巖層為堅(jiān)硬巖層時(shí)，垮落帶最大發(fā)育范圍：

按計(jì)算公式一計(jì)算裂隙帶最大發(fā)育范圍：

按計(jì)算公式二計(jì)算裂隙帶最大發(fā)育范圍：

式中：M為煤層采高。通過計(jì)算可知，垮落帶最高發(fā)育至11號煤層底板，裂隙帶最高發(fā)育至8號煤層底板，巖性為中砂巖。

根據(jù)式（9）、（10）、計(jì)算分析可知，12號煤層上覆巖層中對巖層控制起作用的關(guān)鍵層有三層：a.關(guān)鍵層I：巖性為細(xì)砂巖，厚度為3.80m，與12號煤層的垂距為6.01 m；b.關(guān)鍵層II：巖性為中砂巖，厚度為13.38 m，與12號煤層垂距為14.89 m；c.關(guān)鍵層III：巖性為中砂巖，厚度為15.93 m，與12號煤層垂距為35.26 m。在這三層關(guān)鍵層中，關(guān)鍵層III為主關(guān)鍵層控制著關(guān)鍵層以上直至地表的巖層；關(guān)鍵層I、關(guān)鍵層II為亞關(guān)鍵層，共同控制著各自范圍內(nèi)的巖層，保持與其一致的位移。

3 數(shù)值模擬中關(guān)鍵層的下沉規(guī)律

圖2為工作面回采中關(guān)鍵層II的下沉曲線，圖3為工作面回采中關(guān)鍵層III的下沉曲線。

1）當(dāng)工作面回采至60 m時(shí)，關(guān)鍵層II發(fā)生明顯的下沉，下沉范圍為沿走向方向距開切眼0～55m處，最大下沉量0.15 m。同時(shí)9號煤層底板泥巖也開始出現(xiàn)明顯的下沉，下沉范圍為沿走向方向距開切眼0～50 m處，下沉量0.1 m。當(dāng)工作面回采70 m時(shí)，關(guān)鍵層II的下沉范圍是沿走向方向距開切眼0～65 m處，最大下沉量為0.33 m，此時(shí)9號煤層底板泥巖的下沉范圍是沿走向方向距開切眼0～55 m處，最大下沉量為0.33 m。綜上說明，關(guān)鍵層II下沉后，其上的泥巖同步下沉。

2）當(dāng)工作面回采80 m時(shí)，關(guān)鍵層III出現(xiàn)明顯下沉，下沉范圍為沿走向方向距開切眼0～85 m處，

最大下沉量0.27 m，同時(shí)8號煤層頂板泥巖也出現(xiàn)明顯的下沉，下沉范圍為沿走向方向距開切眼0～ 85 m處，最大下沉量為0.18 m。當(dāng)工作面回采90 m時(shí)，關(guān)鍵層III的下沉范圍是沿走向方向距開切眼0～95 m處，最大下沉量為0.57 m，此時(shí)8號煤層頂板泥巖的下沉范圍是沿走向方向距開切眼0～95 m處，最大下沉量0.5 m。綜上說明關(guān)鍵層III下沉后，其上的泥巖同步下沉。

4 結(jié)束語

1）采用理論公式算得，與12號煤層垂距6.01 m的細(xì)砂巖所在層位為I主關(guān)鍵層；與12號煤層垂距為14.89 m的中砂巖所在層位為II為亞關(guān)鍵層；與12號煤層垂距35.26 m的中砂巖所在層位為III亞關(guān)鍵層。

2）通過數(shù)值模擬分析，II、III亞關(guān)鍵層上覆巖層與其保持一致的運(yùn)動趨勢，符合關(guān)鍵層的基本理論。

3）得到的關(guān)鍵層可以對多煤層的采動影響分析提供技術(shù)依據(jù)。

[1]繆協(xié)興，茅獻(xiàn)彪，錢鳴高.采動覆巖中關(guān)鍵層的復(fù)合效應(yīng)分析[J].礦山壓力與頂板管理，1999，3(4)：19-25．

[2]張鐵崗，朱銀昌.煤礦安全工程設(shè)計(jì)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1995．

[3]劉天泉.礦山巖體采動影響與控制工程學(xué)及其應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，1995，20(1)：1-5．

[4]錢鳴高，繆協(xié)興，許家林.巖層控制中的關(guān)鍵層理論研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，1999，21(3)：225-230．

[5]國家煤炭工業(yè)局制定.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2000．

[6]許家林，錢鳴高.覆巖關(guān)鍵層位置的判別方法[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，29(3)：463-467．

[7]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，2003：84-91．

On Position of Overlying Key Strata in Multi-seam Mining

ZHAO Wuhong
(Lvliang Coal Staff Training Center,Lvliang 033000,China)

Position determination of overlying key strata is very influential.In the mining among high-gas coal seam group,the key strata could determine the position of gas enrichment region of adjacent upper and lower seams.Based on the geological condition of Nanzhuang Mine,theoretical calculation and numerical simulation are combined to locate the overlying key strata.Its field test shows that the study has achieved ideal effects.

overlying strata;key strata;numerical simulation

TD325

A

1672-5050（2015）01-0031-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.01.011

（編輯：劉新光）

2014-10-07

趙午紅(1979-)，女，呂梁離石人，碩士，工程師，從事礦山開采技術(shù)研究工作。