特厚煤层综放开采覆岩破坏高度

张宏伟,朱志洁,霍利杰,陈 蓥,霍丙杰,3

(1.辽宁工程技术大学矿业学院,辽宁阜新 123000;2.同煤国电同忻煤矿有限公司,山西大同 037003;3.大同煤矿集团有限责任公司,山西大同 037003)

特厚煤层综放开采覆岩破坏高度

张宏伟1,朱志洁1,霍利杰2,陈 蓥1,霍丙杰1,3

(1.辽宁工程技术大学矿业学院,辽宁阜新 123000;2.同煤国电同忻煤矿有限公司,山西大同 037003;3.大同煤矿集团有限责任公司,山西大同 037003)

为了对特厚煤层综放开采覆岩破坏高度进行深入研究,以同忻煤矿15 m特厚煤层为实例,采用多种方法进行论证。采用关键层理论和材料力学相关理论,对8100工作面回采过程的覆岩破坏情况进行研究,结果表明:覆岩破坏高度最大为174.6 m,各亚关键层控制着覆岩破坏的发育,主关键层抑制着覆岩破坏的发育。应用EH-4大地电磁法和数值模拟方法,综合确定了覆岩破坏高度为150～172 m,验证了理论计算结果的正确性,理论计算可对覆岩破坏高度有效预计。研究表明:同忻煤矿综放开采覆岩破坏高度为采高的10.0～11.5倍,关键层的破断控制着覆岩破坏的发育。

特厚煤层;综放开采;覆岩破坏高度;关键层;EH-4大地电磁法

煤层开采后引起上覆岩层移动与破坏,覆岩破坏发育的高度对矿井水灾害治理和水资源的保护具有重要意义,同时对煤层气资源开发和瓦斯灾害防治也具有重要作用。国内外对覆岩破坏高度已经进行了大量的研究[1-9],但对特厚煤层综放开采的覆岩破坏特征研究较少。本文以同忻煤矿8100综放工作面为研究对象,基于关键层和材料力学相关理论,分析了特厚煤层综放工作面覆岩破坏发育过程及发育高度,采用EH-4大地电磁法和数值模拟方法,对理论计算结果的正确性进行验证,为实现同忻煤矿安全开采提供了重要的参考数据和技术支撑。

1 同忻煤矿地质情况及开采条件

大同矿区开采侏罗、石炭二叠系双系煤田。同忻井田开采的是石炭二叠系煤层,可采煤层为3～5号煤层。8100工作面位于该煤层北一盘区,煤层平均厚度为15.3 m,倾角2°～3°。工作面倾向长度为193 m,可采走向长度为1 406 m。采用一次采全厚低位放顶煤采煤法,采高为 3.9 m,放顶煤高度为11.4 m。8100工作面顶板大部分都为坚硬砂岩,其中基本顶为含砾粗砂岩,厚2.2～8.3 m,直接顶为砂质泥岩及炭质泥岩。该工作面对应的上覆侏罗纪8号、9号、11号煤层大部分已采空,12号、14号煤层采空区占工作面走向长度近一半,14号煤层距本层间距为175～194 m(图1)。

图1 工作面布置平面Fig.1 Layout of working face arrangement

2 覆岩破坏高度理论分析

2.1 覆岩破坏高度计算相关理论

对于硬岩层采用固支梁力学模型估算其极限跨距[10],即

式中,h为岩层的厚度;σt为岩层的极限抗拉强度;q为岩层的载荷。

对于软弱岩层,最大水平拉伸应变时的极限跨距[11]为

式中,E为岩层的弹性模量;εmax为岩层的最大水平拉伸应变。

软弱岩层的最大挠度[11]为

式中,I为截面惯性矩。

岩层下部自由空间高度为

其中,Δi为第i层岩层下的自由空间高度;M为煤层采高;hj为第j层岩层的厚度;kj为第j层岩石的残余碎胀系数。岩层断裂时的临界开采长度为

式中,m为煤层顶板至该岩层下部的所有岩层数;hi为第i层岩层的厚度;l为该岩层的极限断跨距;φq, φh分别为岩层的前、后方断裂角。

断裂带的发育受到关键层的抗拉强度、软岩层的抗应变能力、岩层下部的自由空间高度和工作面的推进距离等因素共同影响。可以通过关键层和软岩的破断与其下部自由空间的高度关系判断断裂带的发育情况。具体判断方法如图2所示。

图2 断裂带高度判断流程Fig.2 Flow chart of water flowing fracture zone judgement

2.2 覆岩破坏高度理论计算

2.2.1 关键层的判定

由于8100工作面上方约200 m处为侏罗系采空区,因此关键层计算边界至侏罗系采空区为止。综合北一盘区的钻孔数据,3～5号煤层至侏罗系14号煤层之间共有25层岩层(表1),其中以坚硬的砂岩和砾岩为主。根据关键层的判别条件[12],确定了3～5号煤上覆岩层各个关键层,计算结果见表2。

表1 上覆岩层分布情况Table 1 Rock formation columnar section

表2 关键层判定结果Table 2 Determination results of key stratum

2.2.2 工作面覆岩破坏理论分析

由于覆岩以坚硬岩层为主,计算覆岩破坏高度时,不需考虑软弱岩层的作用。结合关键层判定结果,根据覆岩破坏高度判断流程(图2)以及判定公式(1)～(5),可以确定工作面推进不同位置时覆岩破坏的发育情况(表3)。由表3可知,工作面推进至55和109 m时,亚关键层Ⅰ和亚关键层Ⅱ发生破断,其上控制的岩层也随之发生破坏,断裂带发育高度为32.4 m和143.5 m。当工作面推进至193 m时,关键层Ⅲ发生破断覆岩裂隙发育至主关键层底部,断裂带发育高度为174.7 m。随着工作面继续推进,由于主关键层的倾向悬露距离小于其极限跨距,断裂带发育至主关键层下部截止。

表3 各关键层随工作面推进初次破断情况Table 3 Each key stratum first breaking with working face moving

由上述理论分析可知,裂隙发育至主关键层下部时,由于主关键层不满足其破断条件,裂隙停止继续向上发育。各个亚关键层控制着其上局部覆岩裂隙的发育,主关键层控制着其上所有岩层的裂隙发育。

3 覆岩破坏高度物理探测分析

3.1 EH-4物理探测方案

EH-4大地电磁法是大地电磁测深技术之一,它利用天然或人工电磁场的测量,获得地下介质电阻率的分布规律,达到解决地下岩性分带、地层划分、断层破碎带探测、地下采空区等工程地质问题的目的[13-15]。

采用EH-4大地电磁法,对8100工作面不同开采阶段覆岩破坏特征进行物理探测,分析不同层位电导率的分布特征,确定工作面上覆岩层垮落带与断裂带范围。在8100工作面对应的地表布置2条测线,1号测线布置在8100工作面未开采区域的地表,2号测线布置在8100工作面已开采区域的地表,具体测线布置如图1所示。分3个阶段对该2条测线进行探测:第1阶段为2011年5月,此时工作面推至1号测线和2号测线之间,工作面推过2号测线1～1.5个月;第2阶段为2011年8月,此时工作面采过1号测线2个月;第3阶段为2012年5月。

3.2 EH-4物理探测结果分析

图3为1号测线不同阶段大地电阻率二维反演图(图中双黑虚线为煤层位置)。从图3(a)中可以看到,电阻率等值线平滑,疏密变化不大,呈层状分布,电性标志层稳定。结果证实了该区域内煤层未经采动影响,岩层赋存稳定。从图3(b)中可以看到,在水平方向80～180 m,标高在800～880 m有一高阻闭合圈(图3(b)中红色虚线所示),该异常区域范围与图1中所示的8100综放工作面的范围吻合,推断此高阻异常区为8100综放工作面开采后形成的垮落带,影响高度约80 m。图中蓝色虚线为工作面开采后断裂带发育高度的边界,影响高度约150 m。由断裂带的边界至地面均为弯曲下沉带。从图3(c)中可以看到,煤层所在位置(图中黑色虚线)上覆岩层一定范围内呈现高阻分布,且电阻率等值线平稳、连续,层状分布,说明工作面上覆岩层经过1 a的运动已达到稳定状态,岩层的松散与裂隙是造成高阻的原因,稳定后的岩层重新恢复了层状分布。

图4为2号测线不同阶段大地电阻率二维反演(图中双黑虚线为煤层位置)。在图4(a)中可以看到,在水平方向80～300 m,标高在800～900 m有一高阻闭合圈(图4(a)中红色虚线所示),其上部电阻率等值线平稳、连续,层状分布,而且该异常区域范围与图1中所示的8100综放工作面的范围吻合,因此推断此高阻异常区为8100综放面开采后形成的垮落带,影响高度约100 m。图中蓝色虚线为工作面开采后断裂带发育高度的边界,影响高度约170 m。由断裂带的边界至地面均为弯曲下沉带。图4(b)中形成的高异常带的形态与范围基本与第一阶段形成的图4(a)中的基本一致,推断工作面垮落带影响高度约100 m,断裂带影响高度约170 m。在图4(c)同样是电阻率等值线平稳、连续,层状分布,说明工作面上覆岩层经过1 a的运动已达到稳定状态,稳定后的岩层重新恢复了层状分布。

图3 1号测线大地电阻率二维反演Fig.3 EH-4 two-dimensional inversion profile of No.1 survey line

图4 2号测线大地电阻率二维反演Fig.4 EH-4 two-dimensional inversion profile of No.2 survey line

通过上述分析,同忻煤矿8100工作面开采后形成的覆岩破坏高度为150～170 m(表4),采高按15 m计算,其覆岩破坏高度与采厚之比为10.0～

11.3,随着开采结束时间的增长及覆岩远离工作面,垮落带内岩层被压实,断裂带的发育程度越来越小,物理探测时可能捕捉不到微小裂隙造成的电性变化,因此实际中断裂带的高度可能要稍大于探测结果。

表4 “两带”高度探测结果Table 4 Exploration results of two zones the height

4 覆岩破坏高度数值的模拟分析

4.1 数值计算模型的建立

为研究8100工作面采后上覆岩层破坏分布规律,建立FLAC3D数值计算模型。模型采用摩尔-库伦准则,模型尺寸为400 m×200 m×250 m(长×宽×高),共建立303 000个单元,468 180个节点,煤层厚15.3 m,模拟工作面长度为 193 m,推进长度为200 m,模型共计28层。在模型x轴方向施加21.2～16.5 MPa的梯度应力;模型 y轴方向施加6.5～5.1 MPa的梯度应力;模型上部施加11.3 MPa的等效载荷,z轴方向设定自重载荷。

4.2 数值计算结果分析

图5为工作面充分采动时塑性区分布。由图5可知,自煤层顶板由下自上为拉伸破坏、拉伸裂隙、剪切破坏和未破坏区。采空区中间覆岩破坏高度低于两侧的“马鞍型”破坏形态分布。在顶板的65 m范围内,覆岩同时发生剪切和拉伸破坏,认为此区域为“三带”中的垮落带;在顶板之上65～172 m范围内,覆岩进入剪切破坏区域,认为此区域是覆岩破坏“三带”中的断裂带。因此,可以确定8100工作面覆岩破坏高度约为172 m,该结果与EH-4大地电磁法探测结果相吻合。

图5 工作面充分采动时塑性区分布范围Fig.5 Range of plastic zone under full mining

5 覆岩破坏高度综合分析

对开采石炭二叠系煤层的同忻煤矿8100工作面进行物理探测和数值模拟,确定了8100工作面覆岩破坏发育高度为150～172 m,与理论计算结果相一致。3～5号煤层平均采厚为15 m,覆岩破坏发育高度为采厚的10.0～11.5倍。

8100工作面与侏罗系煤层相距175～194 m,大于确定的覆岩破坏高度,未出现采空区裂隙联通现象。而8106工作面与侏罗系煤层相距125～140 m,小于确定的覆岩破坏高度,出现了采空区裂隙联通现象,进一步验证了该结果的正确性。在两系间距小于180 m的区域可通过控制有效采高、充填开采等方法减小覆岩破坏发育高度,防止侏罗系煤层采空区有毒有害气体涌入石炭二叠系煤层工作面而引起安全事故。

6 结 论

(1)采用关键层理论和材料力学相关理论,确定综放工作面开采的覆岩破坏高度为174.6 m。各亚关键层控制着覆岩破坏的发育,主关键层抑制覆岩破坏。

(2)采用EH-4大地电磁法和数值模拟方法,综合确定同忻煤矿8100工作面综放开采后覆岩破坏高度为150～170 m,验证了理论计算结果的正确性,采用该理论计算方法可对覆岩破坏高度进行有效预计。

(3)通过分析同忻煤矿各工作面与上部侏罗系煤层采空区相互联通情况,进一步对覆岩破坏高度进行验证,与采空区裂隙联通情况相互吻合。

[1] 杜 锋,白海波.厚松散层薄基岩综放开采覆岩破断机理研究[J].煤炭学报,2012,37(7):1105-1110.

Du Feng,Bai Haibo.Mechanism research of overlying strata activity with fully mechanized caving in thin bedrock with thick alluvium [J].Journal of China Coal Society,2012,37(7):1105-1110.

[2] 刘洪永,程远平,陈海栋,等.高强度开采覆岩离层瓦斯通道特征及瓦斯渗流特性研究[J].煤炭学报,2012,37(9):1437-1443.

Liu Hongyong,Cheng Yuanping,Chen Haidong,et al.Characteristics of mining gas channel and gas flow properties of overlying stratum inhigh intensity mining[J].Journal of China Coal Society,2012,37 (9):1437-1443.

[3] 许家林,朱卫兵,王晓振.基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法[J].煤炭学报,2012,37(5):762-769.

Xu Jialin,Zhu Weibing,Wang Xiaozhen.New method to predict the height of fractured water-conducting zone by location of key strata [J].Journal of China Coal Society,2012,37(5):762-769.

[4] 施龙青,辛恒奇,翟培合,等.大采深条件下导水裂隙带高度计算研究[J].中国矿业大学学报,2012,41(1):37-41.

Shi Longqing,Xin Hengqi,Zhai Peihe,et al.Calculating the height of water flowing fracture zone in deep mining[J].Journal of China University of Mining&Technology,2012,41(1):37-41.

[5] 张宏伟,朱志洁,霍丙杰,等.基于改进的FOA-SVM导水裂隙带高度预测研究[J].中国安全科学学报,2013,23(10):9-14.

Zhang Hongwei,Zhu Zhijie,Huo Bingjie,et al.Water flowing fractured zone height prediction based on improved FOA-SVM[J].China Safety Science Journal,2013,23(10):9-14.

[6] 王连国,王占盛,黄继辉,等.薄基岩厚风积沙浅埋煤层导水裂隙带高度预计[J].采矿与安全工程学报,2012,29(5):607-612.

Wang Lianguo,Wang Zhansheng,Huang Jihui,et al.Prediction on the height of water-flowing fractured zone for shallow seam covered with thin bedrock and thick windblown sands[J].Journal of Mining &Safety Engineering,2012,29(5):607-612.

[7] 许家林,王晓振,刘文涛,等.覆岩主关键层位置对导水裂隙带高度的影响[J].岩石力学与工程学报,2009,28(2):380-385.

Xu Jialin,Wang Xiaozhen,Liu Wentao,et al.Effects of primary key stratum location on height of water flowing fracture zone[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009,28(2):380-385.

[8] 林海飞,李树刚,成连华,等.覆岩采动裂隙带动态演化模型的实验分析[J].采矿与安全工程学报,2011,28(2):299-303.

Lin Haifei,Li Shugang,Cheng Lianhua,et al.Experimental analysis of dynamic evolution model of mining-induced fissure zone in overlying strata[J].Journal of Mining&Safety Engineering,2011,28 (2):299-303.

[9] 张玉军,李凤明.高强度综放开采采动覆岩破坏高度及裂隙发育演化监测分析[J].岩石力学与工程学报,2011,30(S1): 2994-3001.

Zhang Yujun,Li Fengming.Monitoring analysis of fissure development evolution and height of overburden failure of high tension fullymechanized caving mining[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011,30(S1):2994-3001.

[10] 王 开,康天合,李海涛,等.坚硬顶板控制放顶方式及合理悬顶长度的研究[J].岩石力学与工程学报,2009,28(11):2320-2327.

Wang Kai,Kang Tianhe,Li Haitao,et al.Study of control caving methods and reasonable hanging roof length on hard roof[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009,28(11): 2320-2327.

[11] 张 杰,余学义,成连华.浅煤层长壁间隔工作面隔水土层破坏机理[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2008,27(6): 801-804.

Zhang Jie,Yu Xueyi,Cheng Lianhua.Failure mechanism of soil layer in long wall face intermission advance in shallow seam mining [J].Journal of Liaoning Technical University(Natural Science), 2008,27(6):801-804.

[12] 许家林,钱鸣高.覆岩关键层位置的判别方法[J].中国矿业大学学报,2000,29(5):463-467.

Xu Jialin,Qian Minggao.Method to distinguish key strata in overburden[J].Journal of China University of Mining&Technology, 2000,29(5):463-467.

[13] 柳建新,罗 曦,童孝忠,等.EH-4时频数据联合处理及其在煤矿采空区的应用[J].地球物理学进展,2012,27(5):2160-2167.

Liu Jianxin,Luo Xi,Tong Xiaozhong,et al.Joint analysis of EH-4 data in time-frequency domain and application in gob areas of coal mine[J].Progress in Geophysics,2012,27(5):2160-2167.

[14] 蔡 盛,柳建新,胡子君,等.EH-4电导率成像系统在煤矿采空区的应用[J].工程地球物理学报,2011,8(6):687-691.

Cai Sheng,Liu Jianxin,Hu Zijun,et al.Application of EH-4 electric conductivity imaging system to coal coaf[J].Chinese Journal of Engineering Geophysics,2011,8(6):687-691.

[15] 吴银龙,陆明锋,李 琴.EH-4野外工作方法的研究与应用[J].四川地质学报,2011,31(4):476-480.

Wu Yinlong,Lu Mingfeng,Li Qin.The study and application of EH-4 electromagnetic image system[J].Acta Geologica Sichuan, 2011,31(4):476-480.

Overburden failure height of superhigh seam by fully mechanized caving method

ZHANG Hong-wei1,ZHU Zhi-jie1,HUO Li-jie2,CHEN Ying1,HUO Bing-jie1,3
(1.College of Mining Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China;2.Datong Coal Guodian Tongxin Coal Mine Co.,Ltd.,Datong 037003,China;3.Datong Coal Mine Group Co.,Ltd.,Datong 037003,China)

In order for further research on the overburden failure height of fully mechanized caving face,taking 15 m extra-thick coal seam of Tongxin Coal Mine as the research object,the demonstration was carried out by many methods.Applied critical layer theory and material mechanics theory,overburden failure was analyzed as mining face moving.The results show that overburden failure maximum height is 174.6 m,the inferior key strata controlls overburden failure development and the main key stratum restrains overburden failure development.By adopting EH-4 magnetotelluric methods and numerical simulation methods,the height of overburden failure was determined as 150-172 m result,in consistent with theoretical calculation,theoretical calculation method can be highly effectively predicted.The studies show that the overburden failure height of fully mechanized caving face is 10.0-11.5 times the height of mining in Tongxin Coal Mine and key strata controlls overburden failure development.

extremely thick coal seam;fully mechanized caving;overburden failure height;key stratum;EH-4 magnetotelluric method

TD82;TD325

A

0253-9993(2014)05-0816-06

张宏伟,朱志洁,霍利杰,等.特厚煤层综放开采覆岩破坏高度[J].煤炭学报,2014,39(5):816-821.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0641

Zhang Hongwei,Zhu Zhijie,Huo Lijie,et al.Overburden failure height of superhigh seam by fully mechanized caving method[J].Journal of China Coal Society,2014,39(5):816-821.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0641

2013-05-16 责任编辑:王婉洁

国家自然科学基金资助项目(51274117,51104085);辽宁省教育厅基金资助项目(L2012106)

张宏伟(1957—),男,黑龙江汤原人,教授,博士。Tel:0418-3350473,E-mail:kyzhw@263.net