特厚煤層覆巖力學(xué)性能及“兩帶”高度影響分析

李 杰

（中煤大同能源有限責(zé)任公司，山西 大同 037001）

山西大同礦區(qū)存在雙系煤層開采，上部侏羅系11 煤、14 煤開采導(dǎo)致的覆巖破壞可能與下部3-5#煤層（厚度可達15 m 以上）開采形成的導(dǎo)水裂隙帶貫穿，為下部厚煤層綜放開采帶來礦山壓力控制、防治水等難題。研究中煤塔山煤礦3-5#煤層特厚煤層綜放開采覆巖破壞規(guī)律，對指導(dǎo)3-5#煤層安全開采具有重要意義。

1 工程概況

中煤塔山煤礦位于大同市云岡區(qū)口泉鄉(xiāng)上窩寨村西，行政區(qū)劃隸屬大同市云岡區(qū)口泉鄉(xiāng)管轄，隸屬中煤資源發(fā)展集團公司，屬生產(chǎn)礦井。塔山煤礦設(shè)計產(chǎn)能300 萬t/a。礦井井田面積8.146 km2，地質(zhì)條件簡單，水文類型中等，屬于低瓦斯礦井?，F(xiàn)開采的30515 工作面為本煤層第4 個工作面，位于礦井井田北翼，對應(yīng)地表為低山丘陵、溝谷、沖溝及黃土臺地覆蓋。地形南東部相對較高，北西部較低。30515 工作面東部為實煤區(qū)，南部有3-5#煤層1045 輔運、膠帶、回風(fēng)三條大巷，西部隔10 m 煤柱為30501 工作面采空區(qū)，北部隔礦界（煤柱）與同煤白洞井田相鄰。30515工作面走向長1 961.54 m，傾斜長度160 m。30515 工作面布置在2 號層10201和10215 工作面采空區(qū)下方，層間距平均4.53 m，為“一進一回”兩巷布置。工作面采用單一走向長壁后退式綜合機械化低位放頂煤采煤法。

2 覆巖結(jié)構(gòu)及其物理力學(xué)性質(zhì)

2.1 覆巖結(jié)構(gòu)

中煤塔山煤礦2#煤層覆巖綜合柱狀如表1。

表1 2#煤層覆巖綜合柱狀

由表1 可以看出，中煤塔山煤礦3-5#和2#煤層覆巖以砂巖為主，主要為細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖和礫石層，夾雜部分泥巖層。覆巖中砂礫巖層比例大（＞80%），泥巖厚度比例小。

2.2 巖石力學(xué)試驗

2.2.1 單軸抗壓試驗

巖石單軸抗壓試驗使用WAN-008600KN 微機控制電液伺服萬能試驗機[1-4]，將中煤塔山煤礦采前孔所取巖塊加工成標(biāo)準(zhǔn)試件進行試驗。試樣單軸壓縮試驗如圖2。

由圖1 可以看出，砂巖在承受較大的載荷，積蓄足夠的能量后，多沿一個或兩個交叉的主破壞面發(fā)生滑動破碎，常伴隨“砰”的聲響，巖塊破碎程度大。測試結(jié)果見表2。

圖1 單軸壓縮試驗試驗前后對比圖

表2 巖石單軸壓縮試驗計算表

2.2.2 單軸抗拉試驗

通過巴西劈裂進行巖塊標(biāo)準(zhǔn)試件（Φ50 mm×25 mm）的抗拉強度測定。測試結(jié)果見表3。

表3 巖石試件單軸抗拉試驗計算表

2.2.3 抗剪強度試驗

使用屏顯萬能實驗機、變角剪切試件夾具套（20°、30°、35°、40°）開展試驗[5]。巖石抗剪強度試驗計算結(jié)果見表4。

表4 巖石抗剪強度試驗計算表

2.3 結(jié)果分析

由單軸抗壓、抗拉、抗剪試驗可知，覆巖中細(xì)砂巖、粗砂巖單向抗壓強度為72.79～111.99 MPa，單向抗拉強度為5.75～11.33 MPa，抗剪強度為10.31～36.65 MPa，泊松比為0.14～0.26，細(xì)砂巖內(nèi)聚力為9.45 MPa，內(nèi)摩擦角為32.81°。參照試驗結(jié)果，可知覆巖屬堅硬巖類，穩(wěn)定性好。

3 煤層頂板關(guān)鍵層

如采場上覆巖體中有m層巖層，從下至上n（n≤m）層同步變形。每層巖層的厚度為di（i= 1，2，3……m），密度為ρi（i= 1，2，3……m）。

由于有n層巖層能同步變形，考慮到層狀巖體中層面上的抗剪切力較弱，則由梁理論可知：

式中，Mi（i= 1，2，3……n）為第i層巖層的彎矩；Ei（i= 1，2，3……n）為第i層巖層的彈性模量；Ii（i=1，2，3……n）為第i層巖層的慣性矩[5]。

可解得：

其組合梁彎矩為：

對于第1 層梁來說，由式（2）代入式（3），結(jié)合梁的受力微分原理可得：

根據(jù)2#煤層覆巖綜合柱狀（表1）及力學(xué)試驗結(jié)果整理2#煤頂板覆巖柱狀及力學(xué)參數(shù)計算關(guān)鍵層。根據(jù)關(guān)鍵層的定義和變形特征，第n+1 層成為第二層關(guān)鍵層必然滿足：

按照上式確定出的硬巖層還必須滿足關(guān)鍵層的強度條件，即滿足下層硬巖層的破斷距小于上層硬巖層的破斷距，即，

以地層數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，將各巖層參數(shù)代入上述公式，計算關(guān)鍵層結(jié)果匯總于表5。

表5 各巖層載荷和極限跨距匯總表

經(jīng)計算，巖層中的第5、6、10、14、18 為計算關(guān)鍵層，但由于14#煤層已采空，上覆巖層已經(jīng)垮落或破壞，其上方關(guān)鍵層已不再起主導(dǎo)控制作用。綜合研究判斷2#煤與14#煤之間的第14 層（細(xì)砂巖，厚度14.85 m，埋深309.5 m）為主關(guān)鍵層，第18層（粗砂巖，厚度25.05 m，埋深481.15 m）為亞關(guān)鍵層。主關(guān)鍵層可能對3-5#煤層開采的導(dǎo)水裂隙帶向上發(fā)育產(chǎn)生影響，主關(guān)鍵層巖梁在其上位巖層的自重應(yīng)力作用下發(fā)生彎曲下沉，下部傾伏巖層對上位關(guān)鍵層巖梁起到支托作用，該支托作用可減緩其上位巖層的彎曲下沉，防止關(guān)鍵層的破斷，減小導(dǎo)水裂隙帶高度。下部傾伏巖層也可以增大關(guān)鍵層初次垮落的極限跨距，導(dǎo)水裂隙帶高度減小。亞關(guān)鍵層對3-5#煤層開采的垮落帶發(fā)育造成影響。亞關(guān)鍵層下部巖層已發(fā)生破斷，抗彎剛度較小，亞關(guān)鍵層的破斷與否造成了其頂部邊界應(yīng)力條件的改變。亞關(guān)鍵層斷裂后，使上位巖層的重力作用傳遞給了下位巖層，對下位巖層具有壓實作用。上部巖層對下部導(dǎo)水裂隙帶和垮落帶巖體提供了一個壓力增量，加快了關(guān)鍵層下部巖體的壓實?？迓鋷r體垮落后填滿采空區(qū)，巖體內(nèi)存在著較大的可被壓縮消除的殘余應(yīng)變，隨著上覆巖層的下沉，垮落帶巖體不斷被壓實，垮落帶高度不斷降低。

根據(jù)煤礦提供數(shù)據(jù)，30515 工作面開采后的實測垮落帶高度為134.6 m（垮采比7.32），導(dǎo)水裂隙帶高度為257.9 m（裂采比14.02），導(dǎo)水裂隙帶溝通上覆侏羅系14#煤采空區(qū)，可以看出，堅硬覆巖導(dǎo)致3-5#煤層開采導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育更高。極近距離煤層重復(fù)開采相當(dāng)于采厚疊加，采厚的增加使得30515 工作面開采導(dǎo)水裂隙帶高度增加。

4 結(jié)論

（1）由單軸抗壓、抗拉、抗剪和點載荷試驗可知，覆巖中細(xì)砂巖、粗砂巖單項抗壓強度為72.79～111.99 MPa，單向抗拉強度為5.75～11.33 MPa，抗剪強度為10.31～36.65 MPa，泊松比為0.14～0.26，細(xì)砂巖內(nèi)聚力為9.45 MPa，內(nèi)摩擦角為32.81°。覆巖力學(xué)強度高，屬堅硬巖類，穩(wěn)定性好。

（2）2#號煤與14#煤之間的第14 層（細(xì)砂巖，厚度14.85 m，埋深309.5 m）為主關(guān)鍵層，第18層（粗砂巖，厚度25.05 m，埋深481.15 m）為亞關(guān)鍵層。關(guān)鍵層一般厚度大、強度高，其支撐作用可對導(dǎo)水裂隙帶產(chǎn)生抑制作用，同時對下部巖層具有壓實作用。主關(guān)鍵層對30515 工作面的導(dǎo)水裂隙帶有抑制作用，亞關(guān)鍵層對垮落帶的發(fā)育有抑制作用。

（3）堅硬覆巖及巨厚煤層一次采全厚工作面覆巖破壞高度大、離散型大；極近距離煤層重復(fù)開采使得30515 工作面開采導(dǎo)水裂隙帶高度增加。