近淺埋煤層重復(fù)采動(dòng)覆巖裂隙發(fā)育相似模擬

王創(chuàng)業(yè)，張 琪，李俊鵬，劉 偉

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

近淺埋煤層重復(fù)采動(dòng)覆巖裂隙發(fā)育相似模擬

王創(chuàng)業(yè)，張 琪，李俊鵬，劉 偉

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

為了得到近距離淺埋煤層重復(fù)采動(dòng)對(duì)覆巖裂隙發(fā)育的影響，以神東集團(tuán)石圪臺(tái)礦為工程背景，利用相似理論進(jìn)行相似模擬實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比單層煤開(kāi)采與重復(fù)采動(dòng)在礦壓顯現(xiàn)和移動(dòng)破壞等方面的變化對(duì)覆巖裂隙發(fā)育進(jìn)行分析，得出了近距離煤層重復(fù)采動(dòng)對(duì)覆巖位移、礦壓及裂隙演化的特征影響。結(jié)果表明：相比于單一煤層開(kāi)采，重復(fù)采動(dòng)覆巖裂隙明顯增多，來(lái)壓步距有所減短；覆巖達(dá)到最大下沉量位置更靠近開(kāi)切眼一側(cè)，為工程實(shí)踐提供了一定理論基礎(chǔ)。

近距離煤層；重復(fù)采動(dòng)；裂隙發(fā)育；相似模擬

目前國(guó)內(nèi)外就覆巖裂隙發(fā)育的研究主要體現(xiàn)在單一煤層開(kāi)采的條件下，而對(duì)煤層群開(kāi)采對(duì)覆巖裂隙影響的研究相對(duì)較少，近年來(lái)對(duì)于采動(dòng)覆巖裂隙發(fā)育分布的研究，劉天泉、錢(qián)鳴高院士等經(jīng)過(guò)理論分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)之后，建立了“橫三區(qū)”、“豎三帶”的理論體系，袁亮院士提出了“頂板環(huán)形裂隙圈”的概念，李樹(shù)剛對(duì)重復(fù)采動(dòng)條件下覆巖運(yùn)移特征及裂隙發(fā)育特征進(jìn)行分析。重復(fù)采動(dòng)造成覆巖的二次破壞，相比于單一煤層的開(kāi)采在覆巖移動(dòng)規(guī)律和裂隙演化方面有著明顯的差異，神東礦區(qū)煤田埋藏較淺，地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層開(kāi)采覆巖破斷會(huì)發(fā)展到對(duì)地表造成災(zāi)害，重復(fù)采動(dòng)更是加劇了這一現(xiàn)象，本文主要分析近距離淺埋煤層重復(fù)采動(dòng)對(duì)覆巖裂隙發(fā)育的影響。

1 近距離煤層重復(fù)采動(dòng)相似模擬實(shí)驗(yàn)

1.1 煤層地質(zhì)條件

本實(shí)驗(yàn)以神東礦區(qū)石圪臺(tái)礦30205工作面的2-2煤和3-1煤為工程研究背景，上煤層距離地表75m，煤層平均厚度為4.3m，下煤層平均煤厚為4m，開(kāi)采的煤層間距為15.3～26.4m，平均距離為18m，煤層傾角為3°，開(kāi)采方式采用下行開(kāi)采，下煤層開(kāi)采垮落帶貫通上煤層采空區(qū)，屬近距離煤層，覆巖各巖層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 模擬實(shí)驗(yàn)方案

在上煤層的覆巖中按照設(shè)計(jì)方案布置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，從上到下布置7條監(jiān)測(cè)線，每條線間隔100mm，沿著煤層開(kāi)采方向布置11條監(jiān)測(cè)線，每條線間隔150mm，以此來(lái)觀測(cè)上下煤層采動(dòng)對(duì)覆巖移動(dòng)破壞和裂隙發(fā)育規(guī)律，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移由電子全站儀觀測(cè)和記錄。

表1 覆巖各巖層物理力學(xué)參數(shù)

1.3 工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

在上下工作面開(kāi)采完畢后，歸納總結(jié)石圪臺(tái)礦重復(fù)采動(dòng)礦壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析上下煤層不同開(kāi)采階段礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，以此驗(yàn)證相似模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，由于相似模擬條件所限，截取工作面前120m實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2、表3。

表2 上煤層來(lái)壓顯現(xiàn)規(guī)律

表3 下煤層來(lái)壓顯現(xiàn)規(guī)律

2 上煤層開(kāi)采覆巖裂隙發(fā)育及移動(dòng)規(guī)律

2.1 上煤層開(kāi)采覆巖裂隙發(fā)育特征

當(dāng)工作面推進(jìn)到38m時(shí)，開(kāi)切眼和工作面兩端產(chǎn)生裂隙，頂板多層下沉垮落，此為基本頂初次來(lái)壓，當(dāng)工作面推進(jìn)到52m時(shí)，裂隙向上和向前發(fā)展，頂板出現(xiàn)離層現(xiàn)象并再次垮落，基本頂出現(xiàn)第1次周期來(lái)壓，離層區(qū)距離上煤層頂板15.8m，當(dāng)工作面推進(jìn)到68m時(shí)，采空區(qū)兩端豎向裂隙向上和向內(nèi)延伸，與上部覆巖離層區(qū)連接貫通，基本頂?shù)?次周期來(lái)壓，如圖1(a)。當(dāng)工作面推進(jìn)到96m時(shí)，覆巖發(fā)生整體下沉，豎向裂隙并沒(méi)有貫通地表，接近地表處覆巖產(chǎn)生彎曲下沉，地表發(fā)生沉陷形成下沉盆地，地表下沉距離達(dá)2m，如圖1(b)。工作面繼續(xù)推進(jìn)下沉盆地范圍變大，但是下沉距離變化不明顯，所以工作面在96m時(shí)已達(dá)充分采動(dòng)，來(lái)壓步距為12m左右，開(kāi)切眼和停采線兩側(cè)的斷裂角分別為65°和60°。

圖1 上煤層開(kāi)采裂隙發(fā)育分布

由于覆巖各巖層的碎脹性的不同，導(dǎo)致各巖層下沉量相差較大，上煤層工作面沿著走向開(kāi)采后，在開(kāi)切眼和工作面停采線一側(cè)形成的覆巖豎向裂隙區(qū)加寬，裂隙向上發(fā)育并向推進(jìn)方向中部集中，對(duì)采空區(qū)上部覆巖形成包圍結(jié)構(gòu)，外觀形狀大致形如梯臺(tái)。當(dāng)頂板的抗拉強(qiáng)度達(dá)到巖石的極限強(qiáng)度時(shí)，在采空區(qū)上方覆巖在自重應(yīng)力的作用下發(fā)生離層、下沉和垮落，隨著工作面的推進(jìn)兩端裂隙區(qū)和中部離層區(qū)范圍擴(kuò)大，垮落的巖塊接觸矸石后對(duì)覆巖產(chǎn)生支撐作用，使得新垮落巖層間的離層被壓實(shí)，所以覆巖離層裂隙在上下方向上經(jīng)歷了離層、壓實(shí)、再離層、再壓實(shí)的過(guò)程，總體上采空區(qū)上部覆巖內(nèi)的裂隙以邊界斜交向內(nèi)為主，上部以離層裂隙為主。

2.2 上煤層開(kāi)采覆巖移動(dòng)規(guī)律

為了研究距開(kāi)切眼不同距離覆巖的移動(dòng)規(guī)律，用電子全站儀測(cè)量各巖層的下沉量，見(jiàn)圖2，從圖中看出距離煤層上方10～30m的覆巖下沉量曲線的連續(xù)性差，在采空區(qū)中部有較大的波動(dòng)，而距離煤層40～70m的覆巖下沉量曲線較連續(xù)，兩者下沉量差距較大，主要由于垮落帶巖石破斷下落接觸矸石的不規(guī)則性。距離煤層不同高度的覆巖下沉量并不呈對(duì)稱式，各巖層從下到上的影響范圍和下沉量逐漸降低，最大的下沉量基本都位于采空區(qū)中部偏向于開(kāi)切眼一側(cè)。

圖2 上煤層開(kāi)采覆巖下沉量

3 重復(fù)采動(dòng)下覆巖裂隙發(fā)育及移動(dòng)規(guī)律

3.1 重復(fù)采動(dòng)覆巖裂隙發(fā)育特征

待覆巖移動(dòng)破壞穩(wěn)定后，進(jìn)行下煤層3-1煤的開(kāi)采。工作面推進(jìn)到34m時(shí)，在采空區(qū)上部出現(xiàn)離層裂隙，在兩端出現(xiàn)豎向裂隙并向上發(fā)展，基本頂發(fā)生初次垮落。當(dāng)工作面推進(jìn)至48m時(shí)，3-1煤上下煤層端部裂隙相連采空區(qū)相互貫通，上煤層已壓實(shí)的裂隙區(qū)在二次采動(dòng)的情況下重新發(fā)育，邊界裂隙加寬，但是離層裂隙發(fā)育不明顯，上煤層采空區(qū)底板下沉觸矸，基本頂發(fā)生第1次周期來(lái)壓，如圖3(a)。當(dāng)工作面推進(jìn)到62m時(shí)，基本頂發(fā)生第2次周期來(lái)壓，煤層間的巖層發(fā)生大面積垮落，如圖3(b)，上部覆巖在重力的作用下發(fā)生整體下沉，邊界裂隙寬度進(jìn)一步加大并向上延伸，地表下方巖層進(jìn)一步彎曲下沉。當(dāng)工作面推進(jìn)到88m時(shí)，上部覆巖裂隙繼續(xù)發(fā)育貫通地表，地表發(fā)生明顯的裂縫, 基本頂?shù)?次周期來(lái)壓，如圖3(c)。隨著工作面進(jìn)一步推進(jìn)地表裂縫趨于穩(wěn)定，下沉量不再增加，來(lái)壓步距為10m左右，兩側(cè)的斷裂角和裂隙角分別為69°和63°。相比較于單一煤層開(kāi)采，重復(fù)采動(dòng)后覆巖裂隙明顯增多，來(lái)壓步距縮短，來(lái)壓頻率升高，此重復(fù)采動(dòng)相似模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證。

圖3 重復(fù)采動(dòng)覆巖裂隙發(fā)育特征

3.2 重復(fù)采動(dòng)覆巖移動(dòng)規(guī)律

下煤層3-1煤開(kāi)采120m時(shí)覆巖監(jiān)測(cè)點(diǎn)下沉量如圖4所示，通過(guò)與上煤層開(kāi)采對(duì)比，重復(fù)采動(dòng)覆巖各巖層下沉量明顯增大，覆巖巖層各測(cè)線間的距離減小，各測(cè)線的波動(dòng)情況加劇，這主要由于重復(fù)采動(dòng)對(duì)覆巖的擾動(dòng)破壞進(jìn)一步加大，上下煤層采空區(qū)貫通，巖層的不規(guī)則性加大，重復(fù)采動(dòng)后覆巖最大下沉量發(fā)生在采空區(qū)中部，但是相比于單一煤層開(kāi)采更靠近開(kāi)切眼一側(cè)。

圖4 重復(fù)采動(dòng)覆巖下沉量

4 結(jié) 論

(1)近距離淺埋煤層重復(fù)采動(dòng)時(shí)覆巖移動(dòng)得到進(jìn)一步發(fā)育，裂隙明顯增多，豎向裂隙加寬，離層裂隙經(jīng)歷了離層和壓實(shí)的循環(huán)過(guò)程，裂隙貫通向采空區(qū)上部和內(nèi)部發(fā)展，形如梯臺(tái)。當(dāng)上下采空區(qū)貫通時(shí)，地表裂縫增大，應(yīng)該提高地表的防水措施以免發(fā)生災(zāi)害。

(2)相比于單一煤層開(kāi)采，近距離重復(fù)采動(dòng)覆巖垮落帶被進(jìn)一步壓實(shí)，覆巖下沉量明顯增大，影響范圍變廣，垮落帶貫通巖層的波動(dòng)情況加劇，來(lái)壓步距有所減短，下沉量達(dá)到最大值時(shí)的位置更接近開(kāi)切眼一側(cè)。

[1]錢(qián)鳴高．采場(chǎng)礦山壓力與控制[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，1983.

[2]李樹(shù)剛，丁 洋，安朝峰，等．近距離煤層重復(fù)采動(dòng)覆巖裂隙形態(tài)及其演化規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究[J]．采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2016，31(5)：904-910.

[3]付玉平，宋選民，邢平偉，等.淺埋厚煤層大采高工作面頂板巖層斷裂演化規(guī)律的模擬研究[J]．煤炭學(xué)報(bào)，2012，37(3)：366-371.

[4]任艷芳，寧 宇，齊慶新.淺埋深長(zhǎng)壁工作面覆巖破斷特征相似模擬[J]．煤炭學(xué)報(bào)，2013，37(1)：61-66.

[5]鄧雪杰，殷 偉，張 強(qiáng)，等．近距離煤層下行開(kāi)采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律相似模擬研究[J]．煤礦開(kāi)采，2011，16(3)：124-127.

[6]文 虎，于金文，翟小偉．疊加開(kāi)采下淺埋煤層裂隙演化與連通特征[J]．煤礦安全，2015，46(12)：46-50.

[7]馬 瑞，來(lái)興平，曹建濤，等．淺埋近距煤層采空區(qū)覆巖移動(dòng)規(guī)律相似模擬[J]．西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，33(3)：249-252.

[8]林海飛，李樹(shù)剛，成連華，等．覆巖采動(dòng)裂隙帶動(dòng)態(tài)演化模型的實(shí)驗(yàn)分析[J]．采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2011，28(2)：298-303.

SimilarSimulationofOverlyingStrataFractureDevelopmentunderRepeatedMininginShallow

WANG Chuang-ye，ZHANG Qi，LI Jun-peng，LIU Wei

(Mining Researching Institute，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，China)

In order to study the influence that repeated mining of contiguous seams in shallow to overlying strata fracture development，it taking Shigetai coal mine of Shendong group as engineering background，similar simulation experiment that based on similar theory was utilized，the influence that some variations of strata behavior and convergence failure of single coal seam mining and repeated mining to overlying strata fracture development were analyzed，the characters influence that repeated mining in contiguous seams to overlying strata movement，strata behavior and fracture development.The results showed that fractures developed quickly under repeated mining as single coal seam mining，and pressure distance decreased obviously，the maximum subsidence of overlying strata was close to the side of open-off cut，it references for engineering practical.

contiguous seams；repeated mining；fracture development；similar simulation

2017-09-10

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.06.019

國(guó)家自然科學(xué)基金(51464036，51564038)

王創(chuàng)業(yè)(1976-)，男，山西臨猗人，副教授，主要從事采礦及巖石力學(xué)方面研究。

王創(chuàng)業(yè)，張 琪，李俊鵬，等.近淺埋煤層重復(fù)采動(dòng)覆巖裂隙發(fā)育相似模擬[J].煤礦開(kāi)采，2017，22(6)：78-81.

TD325

A

1006-6225(2017)06-0078-04

潘俊鋒]