焦坪矿区覆岩破坏规律及致灾研究

蓝 航,娄金福

(1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013)

矿压与灾害控制

焦坪矿区覆岩破坏规律及致灾研究

蓝 航1,2,娄金福1,2

(1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013)

铜川焦坪矿区 4-2煤层上覆岩层中有厚达 300m的巨厚砾岩层,巨厚砾岩层在采动影响下一旦失稳,将导致包括地表山体滑坡、采空区瓦斯急剧涌出和矿震或冲击矿压等一系列难以控制的灾害。铜川矿务局采用留设区段大煤柱的部分开采方法控制覆岩运动,以确保巨厚砾岩层的稳定。为此,对留设区段大煤柱条件下的覆岩破坏规律进行了数值模拟研究,结果表明留设区段大煤柱的部分开采方法能有效地控制覆岩运动的范围和规模。在此基础上分析了巨厚砾岩的稳定性取决于区段大煤柱的稳定性并提出了灾害防治的措施。

巨厚砾岩层;覆岩破坏;煤柱稳定;灾害

焦坪矿区 4-2煤层平均埋深约 400～450m,平均厚度13m;上覆黄土层0～50m,直接顶厚3～5m,一般为粉砂岩或砂质泥岩;基本顶为厚层状中粗粒砂岩,平均厚度 15.5 m;底板为铝质泥岩团块状根土岩,局部为花斑泥岩,厚为 6～24m,遇水膨胀。覆于 4-2煤层之上 150～200m分别为2层巨厚砾岩。其中一层为灰紫色砾岩,厚度为5.41～58.47m,平均厚度 28m;另一层为赭红、棕黄色中～细粒砂岩,灰紫色砾岩,厚度为229.82～298.38m,平均为 275m。砾岩层总厚达到 300m,随着各矿井采深的进一步延伸,以及采动范围的不断扩大,煤层上覆岩层的活动范围及运动形式也在相应的变化。可以预见,上覆巨厚砾岩的大面积突然垮落将导致包括地表突然下沉,采空区瓦斯瞬间涌出和矿震或冲击矿压等一系列难以控制的灾害。

针对焦坪矿区 4-2煤层上覆巨厚砾岩层特殊赋存条件,铜川矿务局借用条带开采的思想,从减小覆岩破坏范围的角度,提出通过留设区段大煤柱(50m)控制覆岩大面积运动的方法来保证巨厚砾岩层的稳定。目前铜川矿务局采用这种方法已安全开采了多个工作面,但目前对这种部分开采条件下覆岩破坏的全面观测还缺乏有效手段,本文采用离散元软件3DEC对覆岩破坏规律进行研究。

1 覆岩破坏规律

1.1 模型建立

以下石节矿为例,选取图 1中的黑框内范围建立 3DEC数值模拟模型,对 209工作面、211工作面、213工作面、215工作面和 217工作面开采进行模拟,各工作面宽 150m。为了加快运算速度,分别建立倾向和走向模型。倾向模型如图 2。模型尺寸为 1200m (x) ×10m (y) ×700m (z)。走向模型如图 3,模型尺寸为 1800m (x) ×10m (y) ×546m (z),覆岩分组同倾向。模型 x和 z方向分别在边界上限制水平,y方向上固定底边界,上边界为自由面。模型选用莫尔 -库仑本构模型,煤岩层的物理、力学参数选取如表 1。

表1 煤岩物理、力学性质

图1 模拟范围

图2 倾向模型及网格划分

图3 走向模型及网格划分

1.2 模拟结果分析

由图 4和图 5,4-2煤层开采倾向垮落带高度约为 64m,裂缝带高度约为 162m,裂缝带已进入砾岩层底部。217工作面走向“两带”高度达到177m,已进入第 2层砾岩内,第 2层砾岩整体发生弯曲下沉,但整体性完好,没有出现垮断。

图4 倾向覆岩破坏状态

图5 走向覆岩破坏状态

在留设区段大煤柱的条件下,开采引起的地表沉陷并不明显,说明第 2层砾岩起到了控制其上岩层移动的关键作用。由图 4,在留设区段煤柱 50m的条件下,煤柱中央仍能保持弹性状态,煤柱边缘呈剪切破坏状态。

模拟结果表明,铜川矿务局目前采用的留设区段大煤柱的方法有效地控制了覆岩大面积活动范围,从而保证了巨厚砾岩层的整体稳定。但巨厚砾岩层的稳定不仅与覆岩破坏高度有关,而且也与煤柱稳定性有关。

2 煤柱稳定性分析

A.H.W ilson[1]通过实验得出煤柱屈服区宽度 Y与采深H和采厚M之间的关系为:

煤柱屈服区及其弹性核区如图 6。

图6 煤柱塑性屈服区及弹性核区

根据三向应力极限状态,可求得煤体的极限承载应力为:

式中,c为煤体的黏聚力;<为煤体的内摩擦角; γ为覆岩的平均密度。

W ilson煤柱两区约束理论对式 (2)进行了简化,忽略了煤体强度参数的影响,并根据英国煤体的平均内摩擦角,将煤体极限承载应力简化为:

则W ilson煤柱两区约束理论的煤体极限强度为:

式中,L为条带煤柱的长度,m。

W ilson煤柱约束理论在煤柱设计和稳定性计算中获得了广泛的应用,但该煤柱屈服区宽度是在英国通过试验得出,不一定适合其他地方。这里根据数值模拟结果取 Y=0.00256MH,则煤体的极限强度公式变为:

在计算煤柱实际承受的载荷σp时, A.H.W ilson认为采空区垂直应力与距煤壁的距离成正比,当该距离达到 0.3H时,采空区垂直应力恢复到原始荷载γH,如图 7所示。

图7 煤柱实际承载

煤柱上承受的实际载荷为:

式中,a为区段煤柱宽度,b为采宽。

煤柱的安全系数为:

根据 4-2煤层力学试验结果,煤体黏聚力取8MPa;煤体内摩擦角取 18°;煤柱宽度 50m;煤柱长度 1250m;覆岩密度取 2500kg/m3。

依据公式 (5)～ (7),根据不同采深和不同煤柱宽度分别计算的区段煤柱安全系数如表 2。

表2 区段煤柱安全系数

由表 2,煤柱宽度和采深对煤柱安全系数的影响很大,安全系数随着煤柱宽度增大而增大,随着采深增大而减小。因此,建议在后续深部开采中增加煤柱宽度。

对于区段煤柱的稳定,除了要考虑煤柱上的载荷 (静载荷)和其所能承受的极限载荷 (静载强度)外,还应考虑另外 2个重要因素:一是煤柱长期稳定性;二是煤柱的动力稳定性。但目前对煤柱的长期稳定性和动力稳定性的研究还很不够[2]。

3 巨厚砾岩的失稳条件及致灾性

由以上分析,在留设区段大煤柱的部分开采条件下,焦坪矿区巨厚砾岩层的稳定将取决于区段大煤柱的稳定。一旦煤柱发生整体失稳而导致巨厚砾岩大面积垮落,巨厚砾岩大面积垮落将引起一系列灾害性后果:

(1)诱发地表山体滑坡 采空区上方巨厚砾岩的破坏对其上岩层和地表移动变形起着十分重要的主导作用。巨厚砾岩距离地表较近,而且地表表土层很薄,因此,巨厚砾岩的破断将导致上覆所有岩层的同步破断和地表的快速下沉。焦坪矿区位于山区,地表的突然大范围沉陷极有可能引发山体滑坡等地质灾害。

(2)诱发瓦斯事故 焦坪矿区属于高瓦斯矿区,巨厚砾岩大面积垮落时,采空区内积聚的瓦斯将在瞬间被大量挤出到工作面及附近巷道,极有可能引发瓦斯爆炸事故。

(3)诱发矿震或冲击矿压 巨厚砾岩起着控制其上岩层移动的关键作用,虽然在走向上属于超充分采动条件,但由于砾岩整体性强,抗压及抗拉强度均较大,采后不易冒落下沉,导致第 2层砾岩与其下方岩层产生离层空间,巨厚砾岩层形成板状悬空岩梁,砾岩层原来的应力状态发生改变 (由受压变为受拉),一旦拉应力超过其抗拉极限强度,巨厚砾岩层将发生断裂垮落,巨厚砾岩层断裂能量巨大,冲击性强,不但容易诱发矿震,在工作空间形成冲击波,而且容易对下部煤岩体产生冲击载荷,从而构成 4-2煤层发生冲击矿压的力源。

4 灾害防治措施

巨厚砾岩的失稳条件,主要可从 3个方面入手,制定焦坪矿区动力灾害的防治措施:一是提高区段煤柱的极限强度,保证煤柱的稳定;二是提高煤柱自身抵抗流变能力,减小蠕变[3];三是防止大的冲击矿压对煤柱的破坏。具体措施如下:

(1)增大煤柱宽度以提高煤柱的极限强度。

(2)提高煤柱抵抗流变能力,可以提高煤体的黏滞系数,控制煤体的软化系数,减小顶板刚度和增大煤柱宽度。

(3)改善围岩应力分布状况和弹性能集中程度,可对坚硬顶板进行爆破或注水等预处理,防止采空区出现悬顶而积聚弹性能。

(4)预防巷道冲击矿压,防止冲击矿压对煤柱形成动载破坏。可采用高强度锚杆加强巷道支护,以提高巷道抵抗冲击能力。

(5)开展大范围覆岩活动监测,对冲击矿压进行预测和预防,如采用微震手段监测巨厚砾岩的活动。

5 结束语

铜川矿务局在焦坪矿区目前采用的留设区段大煤柱的方法有效地控制了覆岩大面积活动范围,从而保证了巨厚砾岩层的整体稳定。在留设区段大煤柱的部分开采条件下,焦坪矿区巨厚砾岩层的稳定将取决于区段大煤柱的稳定。对于灾害的防治措施要从提高煤柱稳定性考虑。

[1]王旭春,黄福昌,张怀新,等 .A.H.威尔逊煤柱设计公式探讨及改进 [J].煤炭学报,2007,27(6):604-608.

[2]邹友峰,柴华彬 .我国条带煤柱稳定性研究现状及存在问题[J].采矿与安全工程学报,2006,23(2):141-144.

[3]徐金海,缪协兴,张晓春 .煤柱稳定性的时间相关性分析[J].煤炭学报,2005,30(4):433-437.

[责任编辑:于海湧]

Overlying Strata Damage Rules and Analysis of D isaster in JiaopingM in ing Aera

LAN Hang1,2,LOU Jin-fu1,2

(1.CoalMining&DesigningBranch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 2.CoalMining&DesigningDepartment,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China)

Instability of 300m thick conglomerates over 4-2 Coal Seam in JiaopingMiningArea induced bymining 4-2 Coal Seam will result in a seriesof disasters including surface mountain slide,underground methane gushing instantly and rock-burst.TongchuanMiningBureau applied partminingmethodwith large coalpillar betweenmining district sublevels to controllingmovementof overlying strata and keep stability of the conglomerate strata.Thispaper researched rulesof overlying strata failure with numerical simulation.Simulation result showed thatpartminingmethod could effectively restrictmovement range and degree ofoverlying strata.Based on this,this paper obtained that stability of extremely thick conglomerate was dependant on coal pillar stability and put forward disaster prevention measures.

extremely thick conglomerate;failure of overlying strata;stability of coal pillar;disaster

TD325

A

1006-6225(2010)05-0078-04

2010-05-28

蓝 航 (1978-),男,湖北利川人,博士,高级工程师,主要从事岩石力学及采矿安全方面的研究。