韓家灣煤礦淺埋近距離煤層群覆巖破壞規(guī)律研究

盧少帥，高 超，霍軍鵬，鄧偉男

(1.陜西陜北礦業(yè)韓家灣煤炭有限公司，陜西 榆林 719315；2.天地科技股份有限公司，北京 100013)

煤炭作為我國的主要能源，在國民經(jīng)濟建設中具有重要的戰(zhàn)略地位，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，對能源的需求在高速增長，2020年全國原煤產(chǎn)量38.44億t，其中，晉陜蒙三省區(qū)合計產(chǎn)量27.43億t。淺埋近距離煤層群開采在晉陜蒙三省區(qū)煤礦開采中占據(jù)很大比重。而國內(nèi)外對于近距離煤層群開采覆巖破壞特征以及重復采動影響下上覆巖的裂隙演化規(guī)律等的研究相對薄弱。淺埋近距離煤層群開采過程中的覆巖垮落帶、覆巖結構、裂隙發(fā)育高度等，對于工作面開采過程中水害防治、回采工作面的頂板穩(wěn)定性控制以及安全開采具有極其重要的意義。

張少華等[1]對典型關鍵層結構下的覆巖結構進行了數(shù)值模擬研究，分析了關鍵層厚度、位置對覆巖結構及應力分布規(guī)律的影響；謝生榮等[2]建立了多煤層圍巖整體結構模型，分析了層間等效基本頇覆巖載荷和等效厚度；李楊等[3]研究了西部多煤層下組煤開采中間巖層厚度、巖性等因素對覆巖移動的影響特征；姚海，王寧[4]以活雞兔井上下分層分別采用綜采和綜放工藝條件下的覆巖移動變形特征；李海軍[5]以紅柳林煤礦實測資料，得到該地質(zhì)采礦條件下多煤層開采時覆巖僅存在“兩帶”、上煤層冒落帶為采高的5.5倍、下煤層冒落帶為采高的4.4倍等特點；楊國樞等[6]應用相似材料模擬研究了極近距離煤層群開采的覆巖結構及應力特征；李斌[7]基于燕家河煤礦地質(zhì)采礦資料，得到近距離煤層條件下下行開采較上行開采導水裂隙帶發(fā)育高度更高；張春雷[8]應用相似材料模擬研究近距離上行開采覆巖移動及周期來壓步距，得出受采動影響的上煤層具有周期來壓步距變小、小周期來壓巖層破斷角變形、大周期來壓巖層破斷角變大的特征。

目前對于單個煤層開采的覆巖移動變形特征、覆巖結構、垮落帶、導水裂隙帶等已經(jīng)研究較多[9-15]，對于淺埋深近距離煤層覆巖破壞規(guī)律研究相對薄弱，不能有效指導工作面巖層控制、水害防治與地表沉陷等。韓家灣煤礦為侏羅紀煤田、屬神府礦區(qū)，煤層為極具代表性的淺埋煤層。以韓家灣煤礦上部2-2煤和中部3-1煤以及下部4-2煤為研究對象，對上層煤以及上部采空區(qū)下層煤回采過程中上覆巖層的變形破壞及裂隙演化規(guī)律進行研究，為礦井后續(xù)生產(chǎn)、水害防治提供一定的理論依據(jù)，同時也為類似工程地質(zhì)條件下礦井提供借鑒經(jīng)驗。

1 礦井概況

1.1 井田位置與開采概況

韓家灣井田位于陜北侏羅紀煤田神北礦區(qū)石圪臺井田及前石畔井田交接部位；韓家灣煤礦地處陜北黃土高原與毛烏素沙漠接壤地帶，地勢總體為東高西低，最高處位于井田東部的鳳臺梁附近。

礦井屬淺埋煤層，可采煤層5層。其中1-2上、1-2煤層局部可采，2-2煤大部分可采，3-1、4-2煤層全井田可采。礦井采用斜井多水平開拓方式，初期布置一個2-2煤層大采高綜采工作面和一個1-2上煤層配采工作面。礦井目前主采煤層為4-2煤層，4-2煤與3-1煤間距平均37m，均屬于近距離煤層開采。

1.2 214201工作面概況

214201綜采工作面位于4-2煤一盤區(qū)，其上部為3-1煤采空區(qū)，是該礦4-2煤首采工作面，也是探索“110工法”智能化采煤工作面的試驗型工作面。其北部為礦井井田邊界，西部為4-2煤一盤區(qū)回風巷，南部為設計的214202工作面，東部為井田邊界(石圪臺煤礦)。該工作面可采長度為1975m，工作面從終采線至1550m工作面寬度293.8m，1550m至切眼工作面寬度197m，工作面采用綜合機械化一次采全高傾斜長壁采煤法，平均采厚1.9m。

2 覆巖破壞規(guī)律實測

為探明韓家灣煤礦4-2煤首采工作面“兩帶”發(fā)育規(guī)律，采用“地面鉆孔+漏失量觀測”方法，通過鉆進過程中沖洗液消耗量漏失、孔內(nèi)水位變化、巖芯完整情況、彩色鉆孔電視探測巖層破碎情況等，綜合分析、確定覆巖破壞“兩帶”高度。

2.1 鉆孔布置方案

2020年，在韓家灣煤礦214201工作面對應地表布置3個觀測孔。其中A孔超前214201工作面前方約50m，主要作用是探測4-2煤未采動時、3-1煤覆巖裂隙發(fā)育特征；B孔位于214201工作面中部、采動后充分垮落對應位置，主要作用是探測214201工作面開采后覆巖“兩帶”發(fā)育規(guī)律，并與A孔探測結果形成對比；C孔位于214201工作面留巷以里20m位置，主要探明3-1煤房柱式采煤、非充分垮落區(qū)域的“兩帶”發(fā)育特征。鉆孔布置如圖1所示。

圖1 “兩帶”觀測孔布置平面

三個鉆孔均采用?158mm鉆頭由地表鉆至基巖頂部，后采用?133mm鉆頭繼續(xù)施工至孔底；期間根據(jù)具體地質(zhì)條件現(xiàn)狀采用套管處理，并用清水作為沖洗液進行漏失量的觀測。

2.2 觀測成果分析

A孔鉆取深度為226.61m，B孔深度為180.35m，C孔深度為206.70m。本次“兩帶”高度探測選用的技術手段主要有：地質(zhì)鉆探、鉆孔沖洗液漏失量觀測、井下電視、工程地質(zhì)編錄等綜合手段進行處理、分析。

A孔垮落帶頂界面距孔口深110.05m左右，實測3-1煤垮落帶高度14.00m；B孔垮落帶頂界面距孔口深150.18m左右，實測4-2煤垮落帶高度13.82m；C孔垮落帶頂界面位置距孔口深106.38m左右，實測3-1煤垮落帶高度17.62m。

通過現(xiàn)場實測和分析得到，A、B、C三孔裂隙帶均發(fā)育至地表，測得3-1煤垮落帶最大高度17.62m，垮采比為6.5倍；4-2煤垮落帶最大高度為13.82m，垮采比為7.3倍。

根據(jù)韓家灣煤礦地質(zhì)條件及實測裂隙帶發(fā)育情況可知，裂隙帶發(fā)育至地表；同時參考相近礦井實測資料，韓家灣煤礦覆巖垮落形態(tài)只有“兩帶”，即垮落帶和裂隙帶。

3 相似材料模擬分析

根據(jù)韓家灣214201工作面地質(zhì)條件，通過相似材料模擬試驗，研究綜采工藝、近距離煤層群條件下覆巖破壞特征及規(guī)律。本次試驗采用300cm×115cm×20cm相似模擬試驗臺。根據(jù)韓家灣煤礦214201工作面2-2、3-1、4-2煤地質(zhì)條件，模型沿煤層走向布置、近水平煤層，模型相似比為1∶100；取最小煤層埋深164m，實際煤層厚度2-2、3-1、4-2煤分別為4.3m、2.7m、1.9m，為方便鋪設模型，試驗值分別取值4.5m、3m、2m。

3.1 2-2煤開采模擬分析

隨著工作面持續(xù)推進，直接頂最先出現(xiàn)彎曲下沉，推進至23m時直接頂開始垮落，垮落高度為1m；工作面繼續(xù)推進，推進至40m處時，直接頂再次垮落，推進至45m處老頂垮落、發(fā)生初次來壓，來壓步距45m，垮落高度為8m，左側(cè)巖層破斷角度為69°，工作面推進至45m處覆巖移動變形特征如圖2所示。

當工作面推進至56m時，發(fā)生第一次周期來壓，來壓步距為11m，垮落高度為12m，頂板巖層沿煤壁后方垮落，垮落塊體較為完成，整體呈塊狀垮落，采空區(qū)被逐漸充實，右側(cè)巖層破斷角度為61°，上覆巖層出現(xiàn)離層現(xiàn)象。

當工作面推進至67m時，發(fā)生第二次周期來壓，來壓步距為11m，垮落高度為22m；煤壁側(cè)巖層破斷角度為69°，垮落巖塊排列較為整齊，覆巖離層更加明顯，2煤工作面推進至67m處覆巖移動變形特征如圖3所示。

圖3 2煤工作面推進至67m處覆巖移動變形特征

當工作面推進至84m時，發(fā)生第三次周期來壓，來壓步距為17m，頂板巖層沿煤壁后方垮落，巖層破斷角度為63°，垮落高度為23m，此時垮落帶高度維持在23m左右、不再向上發(fā)育，工作面上方覆巖裂隙主要以水平裂隙為主，裂隙長度為20m，覆巖內(nèi)離層更加明顯，本次來壓較前兩次來壓更加劇烈，煤壁前方出現(xiàn)縱向裂隙，裂隙帶發(fā)育至地表。

2-2煤回采結束，頂板巖層沿煤壁后方垮落形成鉸接結構，煤壁側(cè)的巖層破斷角度為59.5°，垮落帶高度為22m左右。

3.2 3-1煤開采模擬分析

2-2煤回采結束后繼續(xù)回采3-1煤，工作面推進至28m處頂板出現(xiàn)離層，離層高度2m、寬度約0.1m。工作面推進至44m，頂板垮落高度為5m，煤層上部7m處出現(xiàn)離層，離層寬度約6m。

工作面推進至55m，頂板垮落繼續(xù)發(fā)育，垮落高度約11m，離層高度為13m，離層裂隙約0.3m。工作面推進至64m，初次來壓，初次來壓步距64m，垮落高度16.5m，左側(cè)垮落角為67°，右側(cè)垮落角為68°，此時3-1煤導水裂隙帶與2-2煤層采空區(qū)貫通，頂板巖層隨煤壁垮落并形成鉸接結構，如圖4所示。

圖4 3煤工作面推進至64m處覆巖移動變形特征

工作面繼續(xù)推進，上覆巖層周期性移動變形，當工作面推進至257m，下部承載結構斷裂，發(fā)生第13次周期來壓，煤壁后方的巖層破斷角度為71°，垮落高度為18m。工作面推至終采線處，導水裂隙帶與上煤層采空區(qū)貫通并至發(fā)育地表。

3-1煤回采過程中，共出現(xiàn)13次周期來壓，并對每次垮落帶高度進行了測量記錄，見表1；3-1煤回采過程中垮落帶發(fā)育高度變化如圖5所示。

表1 3-1煤垮落帶高度統(tǒng)計表

圖5 3-1煤回采過程中垮落帶發(fā)育高度變化特征

3.3 4-2煤開采模擬分析

2-2與3-1煤回采結束后繼續(xù)回采4-2煤，工作面推進至27m，直接頂下分層開始垮落，垮落高度1m，上覆巖層未出現(xiàn)明顯離層。工作面推進至40m，直接頂充分垮落、垮落高度4m。工作面推進至63m，頂板初次來壓，左側(cè)垮落角為60°、右側(cè)垮落角為63°，最大離層裂隙位于煤層上部27m處，離層裂隙寬度為0.6m，頂板垮落巖塊與煤壁前方巖層形成鉸接結構，4-2煤采動對上部煤層造成輕微影響，影響程度較輕，4煤工作面推進至63m處覆巖移動變形特征如圖6所示。

圖6 4煤工作面推進至63m處覆巖移動變形特征

工作面推進至84m，第一次周期來壓，來壓較為劇烈，頂板巖層沿煤壁后方整體垮落，垮落塊體較為完整，空區(qū)垮落巖塊逐漸壓密，巖層破斷角度為73°，垮落高度為10.5m，同時引起上部巖層同步失穩(wěn)，煤層上方25m處覆巖出現(xiàn)明顯的離層。

工作面推進至104m，發(fā)生第二次周期來壓，來壓步距為20m，頂板巖層沿煤壁后方垮落、形成鉸接結構，煤壁側(cè)巖層破斷角度為67°，垮落高度為10m，垮落巖塊排列較為整齊，上覆巖層離層更加明顯，最大離層高度為23m。

工作面繼續(xù)推進，上覆巖層周期性移動變形，推進至256m，發(fā)生第12次周期來壓，來壓步距14m，垮落高度11m，最大裂隙發(fā)育高度23m，導水裂隙帶與上煤層貫通，頂板巖層依舊以斷塊式的層狀垮落，部分區(qū)域形成鉸接結構，鉸接角度約為48°，頂板巖層沿煤壁后方出現(xiàn)大面積垮落，煤壁側(cè)巖層破斷角度為48°，2-2、3-1與4-2此三層煤回采結束后覆巖移動變形如圖7所示。

圖7 三層煤工作面回采結束后覆巖移動變形特征

4-2煤回采過程中，共出現(xiàn)12次周期來壓并對每次垮落帶高度進行了測量記錄，如表2所示；4-2煤回采過程中垮落帶發(fā)育高度變化如圖8所示。

表2 4-2煤垮落帶高度統(tǒng)計表

圖8 4-2煤回采過程中垮落帶發(fā)育高度變化特征

由各煤層周期垮落步距統(tǒng)計數(shù)值可知，由于受到上部煤層的采動影響，該地質(zhì)采礦條件下具有下部巖層破斷角降低、周期來壓步距增大的特征。

多個近距離煤層群重復采動后，4-2煤覆巖垮落特征及形成的穩(wěn)定結構不明顯、空區(qū)內(nèi)部垮落巖塊空隙較小、壓密程度較高，2-2煤以上的巖層主要以均勻切斷式下沉的形式存在。

韓家灣煤礦3-1煤與4-2煤回采過程中，上部煤層垮落帶有進一步的變化，根據(jù)實測高度可知，2-2煤最終垮落高度發(fā)育至25.8m，垮采比為6.0；3-1煤最終垮落高度發(fā)育至18.5m，垮采比為6.8；4-2煤最終垮落高度為11m，垮采比為5.8。韓家灣煤礦淺埋深、近距離煤層群開采條件下，具有下部煤層垮采比降低、上煤層垮采比升高的特點。

4 結 論

1)通過實測數(shù)據(jù)得到韓家灣煤礦地質(zhì)條件下覆巖移動變形發(fā)育只有“兩帶”；實測得3-1煤垮落帶最大高度17.62m，垮采比為6.5倍；4-2煤垮落帶最大高度為13.82m，垮采比為7.3倍。

2)相似材料模擬得到2-2煤巖層破斷角為59.5°～69°；垮落帶最大高度為22～23m；初次來壓步距45m；周期來壓步距為11～17m。3-1煤巖層破斷角為66°～71°；垮落帶最大高度為18m。4-2煤巖層破斷角為57°～68°；初次來壓步距為63m，周期來壓步距為13～21m；垮落帶最大高度為11m。

3)韓家灣煤礦近距離多煤層2-2、3-1與4-2煤回采后，2-2煤最終垮落高度發(fā)育至25.8m，垮采比為6.0；3-1煤最終垮落高度發(fā)育至18.5m，垮采比為6.8；4-2煤最終垮落高度為11m，垮采比為5.8。

4)韓家灣煤礦淺埋深、近距離煤層群開采條件下，下部煤層垮采比降低、上煤層垮采比升高，下部巖層破斷角降低、周期來壓步距增大的特征。