沙吉海煤礦厚煤層綜放開采覆巖破壞特征研究

李東發(fā)，宋業(yè)杰，李　磊

(1.國網(wǎng)能源和豐煤電有限公司沙吉海煤礦，新疆 塔城 834406；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

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沙吉海煤礦厚煤層綜放開采覆巖破壞特征研究

李東發(fā)1，宋業(yè)杰2，李磊2

(1.國網(wǎng)能源和豐煤電有限公司沙吉海煤礦，新疆 塔城 834406；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

應(yīng)用室內(nèi)相似材料模擬和地表鉆孔實(shí)測方法，對沙吉海煤礦侏羅系中統(tǒng)厚煤層綜放開采的覆巖破壞特征進(jìn)行研究，實(shí)測得出了該礦B10煤層開采的覆巖破壞高度，明確了采動裂縫發(fā)育的基本特征。研究表明，B10煤層開采的覆巖破壞最大高度可以按照裂采比13.59、垮采比3.80進(jìn)行預(yù)計(jì)。研究結(jié)論可為沙吉海煤礦及新疆地區(qū)類似條件礦井受水害威脅煤炭資源的安全回收提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

厚煤層；綜放開采；覆巖破壞；相似材料模擬；實(shí)測研究

煤層開采后覆巖發(fā)生失穩(wěn)破壞，形成溝通上覆含水層的采動裂縫，覆巖采動裂縫的發(fā)育高度及形態(tài)決定了水體下采煤的安全性和可靠性，搞清覆巖破壞規(guī)律是實(shí)現(xiàn)水體下安全采煤的必要前提[1-2]。

國內(nèi)學(xué)者針對覆巖破壞規(guī)律進(jìn)行了大量的實(shí)測與研究工作，指導(dǎo)了我國水體下煤炭資源的安全回收。劉天泉院士對我國煤礦開采覆巖破壞與裂縫分布作了大量的實(shí)測和理論研究，根據(jù)不同地質(zhì)條件和開采方法，通過實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析了覆巖破壞的特征、形態(tài)和最大高度，給出了不同覆巖條件下的垮落帶和裂縫帶發(fā)育高度的計(jì)算公式[3]；康永華研究了水體下采煤覆巖破壞規(guī)律的基本原理、研究內(nèi)容與方法、測試技術(shù)與手段以及實(shí)施步驟，分析了覆巖巖性、結(jié)構(gòu)及巖柱厚度對垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的影響，并依據(jù)實(shí)測資料，總結(jié)了不同開采方法對導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度及其分布形態(tài)的影響[4-6]；許延春依據(jù)綜放開采工作面不同類型覆巖的“兩帶” 高度實(shí)測數(shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)回歸分析的方法，得出了適用于綜放開采工作面中硬、軟弱覆巖條件下的“兩帶”高度計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式[7]；張玉軍將鉆孔彩色電視系統(tǒng)應(yīng)用于煤層采前覆巖、采動覆巖以及老采空區(qū)覆巖裂隙特征的鉆孔探測中，直觀地研究了覆巖裂隙分布演化特征，實(shí)現(xiàn)了覆巖采動裂縫發(fā)育特征的精細(xì)化研究[8]；申寶宏、陳佩佩等分別應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、高密度電阻率法、相似材料模擬和數(shù)值模擬等方法對覆巖破壞規(guī)律進(jìn)行了研究[9-12]。

目前，覆巖破壞規(guī)律研究手段已較為豐富，針對不同開采條件和開采方法的覆巖破壞規(guī)律研究也在逐步完善，但受煤炭資源開發(fā)利用的區(qū)域性影響，研究成果多集中在東部地區(qū)，在煤炭資源開發(fā)時(shí)間較晚的新疆地區(qū)，覆巖破壞規(guī)律研究較少[13]，實(shí)測數(shù)據(jù)缺乏，而近年來，新疆地區(qū)煤炭資源開發(fā)力度空前，許多礦井存在著積水采空區(qū)下、富水含水層下、地表水體下等不同水體壓煤開采問題，覆巖破壞高度及其發(fā)育形態(tài)特征已成為解決此類水體壓煤的關(guān)鍵。為此，以新疆塔城地區(qū)沙吉海煤礦為研究對象，針對侏羅系厚煤層綜放安全開采問題，應(yīng)用相似材料模擬及現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合的方法，研究了該礦B10煤層開采的覆巖破壞規(guī)律，為沙吉海煤礦及新疆地區(qū)類似條件礦井安全開采提供科學(xué)可靠的數(shù)據(jù)支撐。

1　礦井概況

沙吉海煤礦位于準(zhǔn)噶爾盆地西北緣，隸屬于和什托洛蓋特大型煤田，礦井東西走向長約7.94km，南北寬約3.2～3.7km，面積約27.4km2。礦井B1003W01首采工作面傾斜寬200m，推進(jìn)長度約2000m，工作面范圍內(nèi)B10煤層厚度為7.0～8.2m，平均7.6m。B10煤層覆巖屬軟弱類型，巖性以中、粗砂巖和粉砂質(zhì)泥巖為主，含少量礫巖。B10煤層頂板賦存有頭屯河組和西山窯組兩個(gè)含水層，含水層富水性均為弱至中等，其中頭屯河組含水層距離B10煤層約120m，西山窯組含水層屬B10煤層直接頂板含水層，兩個(gè)含水巖層均為弱膠結(jié)的厚層中、粗砂巖，富水性好，采動裂縫波及后，不僅有涌水威脅，還存在著潰砂的可能，是礦井安全生產(chǎn)的主要水害隱患。B10煤層采用綜合機(jī)械化放頂煤開采工藝，開采強(qiáng)度高、覆巖采動破壞劇烈，采動裂縫一旦波及到上覆含水層，將對礦井的正常生產(chǎn)造成重要影響。

2　B10煤層綜放開采覆巖破壞特征研究

2.1覆巖破壞特征相似模擬研究

試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵訠10煤層頂?shù)装鍘r性柱狀圖和地質(zhì)資料為原始條件，以B10煤層為研究對象，建立覆巖破壞高度模擬的二維相似材料模型，試驗(yàn)臺尺寸為：4.2m×0.25m×1.7m(長×寬×高)，均采用平面應(yīng)力模型。模擬開采厚度5m，垂向模擬范圍為B10煤層底板以下30m至頂板以上140m，分析B10煤層開采時(shí)覆巖移動規(guī)律及垮落帶高度，進(jìn)行覆巖巖層移動破壞特征觀測。

根據(jù)相似原理[14]和B10煤層地質(zhì)采礦條件[15]，設(shè)幾何相似比為100，容重比為1.6，其應(yīng)力比為160，時(shí)間相似常數(shù)為10。模型工作面推進(jìn)期間的覆巖破斷失穩(wěn)過程如下：

(1)掘進(jìn)切眼圍巖未出現(xiàn)任何可見的變形和移動。

(2)初采開采至20m時(shí)，直接頂離層且初次垮落，工作面前方垮落角為48°，后方垮落角是57°，垮落高度4m。

(3)初次來壓推進(jìn)45m時(shí)，基本頂初次來壓。上覆巖層出現(xiàn)較大變形和垮落，垮落帶高度為12.5m，見圖1(a)。

(4)工作面推進(jìn)至穩(wěn)定狀態(tài)垮落帶穩(wěn)定在19m，垮采比為3.80，下部離層逐漸閉合(32m處)，并向工作面推進(jìn)方向延展，導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育并穩(wěn)定在68m，裂采比為13.60，見圖1(b)。

圖1　相似試驗(yàn)過程采動覆巖形態(tài)變化

對工作面頂板12條觀測線、共228個(gè)測點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出不同深度的頂板巖層下沉量時(shí)空變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著距煤層頂板距離的減小，頂板位移量逐漸增大，分析其原因是由于頂板垮落形成一定的碎脹系數(shù)，從而減小了上覆巖層位移量的變化，而導(dǎo)水裂縫帶內(nèi)部巖體的頂板下沉量明顯變小，導(dǎo)水裂縫帶以外的巖層變化量不明顯。受覆巖軟硬交互沉積特征影響，在整個(gè)下沉過程中各點(diǎn)的下沉并非完全同步，而呈非連續(xù)性，彼此之間存在著縫隙。當(dāng)工作面繼續(xù)向前推進(jìn)時(shí)，模型下部離層縫隙逐漸減小或閉合，上部巖層又產(chǎn)生新的離層空間，并且不斷向上傳遞，離層縫隙的總體趨勢是由大到小。在靠近開切眼及停采線附近的巖層中存在著永久性的豎向縫隙。

2.2覆巖破壞特征鉆孔實(shí)測研究

鉆孔實(shí)測研究是準(zhǔn)確獲取覆巖破壞規(guī)律的可靠方法，因其直接在已采區(qū)域施工觀測鉆孔，針對性強(qiáng)，數(shù)據(jù)可信度高，對礦井生產(chǎn)更具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[17-18]，在B1003W01工作面設(shè)計(jì)施工了覆巖破壞高度觀測鉆孔CH01(圖2)，在傾斜方向距離工作面運(yùn)輸巷20m，走向方向距離工作面切眼450m，分別應(yīng)用鉆孔沖洗液漏失量觀測和鉆孔彩色電視成像探測方法，研究了B10煤層開采的覆巖破壞規(guī)律。

圖2　實(shí)測鉆孔位置

2.2.1鉆孔沖洗液漏失量觀測

鉆孔沖洗液漏失量觀測結(jié)果如圖3所示。鉆孔沖洗液漏失量觀測從195.10m開始，至209.74m沖洗液消耗量突然增加，至214.85m沖洗液全部漏失，鉆孔水位變化的觀測從195.10m開始，鉆進(jìn)至210.82m提鉆后，孔內(nèi)水位由52.80m驟降至182.45m，至224.08m時(shí)孔內(nèi)測不到水位。出現(xiàn)沖洗液消耗量突增及鉆孔水位大幅下降的現(xiàn)象是覆巖受到較明顯的采動破壞性影響；鉆進(jìn)至273m后出現(xiàn)明顯卡鉆、別鉆現(xiàn)象，起鉆后巖芯破碎，下部層段巖芯呈塊狀，這是進(jìn)入垮落帶的典型現(xiàn)象。分析沖洗液漏失量觀測結(jié)果、鉆探取芯和鉆進(jìn)異?，F(xiàn)象，鉆孔施工位置的導(dǎo)水裂縫帶高度為78.52m，垮落帶高度為16.32m，該位置實(shí)際采出煤厚6m，則裂采比為13.09，垮采比為2.72。

圖3　鉆孔沖洗液漏失量觀測成果

2.2.2鉆孔電視探測

分析鉆孔電視成像探測結(jié)果(圖4)，鉆孔206.72m以下覆巖裂隙發(fā)育連續(xù)，且裂隙多為高角度縱向發(fā)育，部分層段為縱橫交錯(cuò)裂隙和貫穿裂隙，裂隙細(xì)長，裂隙面新鮮，是采動裂隙發(fā)育的典型特征；孔深272.46m以下裂隙寬大，裂隙間有較大的巖塊脫落，越往深部孔壁完整性越差，探測段末端可見巖塊堆疊雜亂，是垮落帶的典型特征。

圖4　CH02鉆孔彩色電視探測成果

導(dǎo)水裂縫帶觀測高度為81.54m，垮落帶觀測高度為16.86m，裂采比13.59，垮采比2.81。從裂縫發(fā)育形態(tài)上看，在巖層強(qiáng)度較軟弱的中、粗砂巖段，采動裂縫以縱橫交錯(cuò)裂縫為主，裂縫面寬，裂縫延展較短，孔壁掉塊、坍塌現(xiàn)象多見。

2.3相似實(shí)驗(yàn)與實(shí)測結(jié)果對比分析

與覆巖破壞規(guī)律研究的觀測成果相比，相似材料模擬試驗(yàn)的覆巖破壞高度與地面鉆孔實(shí)測數(shù)據(jù)較為吻合。綜合以上兩種手段的研究結(jié)果，為安全起見，B10煤層綜放開采的覆巖破壞最大高度可按裂采比13.59、垮采比3.80進(jìn)行預(yù)計(jì)。

3　結(jié)　論

綜合本文研究，沙吉海煤礦B10煤層開采的覆巖破壞規(guī)律具有以下基本特征：

(1)綜合相似材料模擬和鉆孔實(shí)測研究成果，沙吉海煤礦B10煤層綜放開采的覆巖破壞最大高度可按裂采比13.59、垮采比3.80進(jìn)行預(yù)計(jì)，相似材料模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果高度一致。

(2)受覆巖軟硬交互沉積特征影響，采動后整個(gè)下沉過程中各點(diǎn)的下沉并非完全同步，而呈非連續(xù)性，軟硬交互巖層界面存在著離層裂縫。

(3)鉆孔電視成像探測可以直觀地展現(xiàn)孔壁裂縫發(fā)育形態(tài)，提高實(shí)測結(jié)果的觀測精度，反映出的覆巖采動裂縫發(fā)育形態(tài)有如下特點(diǎn)：在巖層強(qiáng)度較高的泥巖及粉砂巖段，采動裂縫以高角度縱向裂縫為主，裂隙面窄，裂縫延展長，在巖層強(qiáng)度較軟弱的中、粗砂巖段，采動裂縫以縱橫交錯(cuò)裂縫為主，裂縫面寬大，裂縫延展較短，孔壁掉塊多見。

本文研究填補(bǔ)了新疆地區(qū)厚煤層綜放開采覆巖破壞規(guī)律實(shí)測數(shù)據(jù)的空白，研究結(jié)論對沙吉海煤礦后續(xù)煤層開采及新疆地區(qū)類似條件煤炭資源開采及礦井防治水工作都具有指導(dǎo)意義。

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[2]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.《煤礦防治水規(guī)定》[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2009.

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[18]MT/T 1076-2008.煤炭地質(zhì)鉆探規(guī)程[S].2008.

[責(zé)任編輯：張玉軍]

Overburden Strata Broken Characters of Fully Mechanized Top Coal Caving with Thickness Coal Seam in Shajihai Coal Mine

LI Dong-fa1，SONG Ye-jie2，LI Lei2

(1.Shajihai Coal Mine，State Grid Energy Hefeng Coal & Electricity Co.，Ltd.，Tacheng 834406，China；2.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

Overburden strata broken character of fully mechanized top coal caving with thickness coal seam of Middle Jurassic in Shajihai coal mine were studied by similar material simulation indoor and surface drilling.The overburden strata broken height of B10 coal seam mining was obtained by filed research，the basic characters of mining fracture zone development was determined.The research showed that the maximal overburden strata broken height of B10 coal seam could be predicted according fracture-mining ratio 13.59 and collapse-mining ratio 3.80.The conclusions could referenced for coal resources recovery that influenced by water of Shajihai coal mine or other similar coal mine in Xinjiang.

thickness coal seam；fully mechanized top coal caving；overburden strata broken；similar material simulation；filed research

2015-12-24

中國煤炭科工集團(tuán)科技創(chuàng)新基金面上項(xiàng)目(2014MS004)

李東發(fā)(1982-)，男，山東菏澤人，現(xiàn)從事礦井建設(shè)、生產(chǎn)和技術(shù)管理等工作。

TD325

A

1006-6225(2016)05-0068-03

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.05.019

[引用格式]李東發(fā)，宋業(yè)杰，李磊.沙吉海煤礦厚煤層綜放開采覆巖破壞特征研究[J].煤礦開采，2016，21(5)：68-70，105.