孟加拉国Barapukuria矿厚煤层分层开采覆岩破坏机理

解庆典，穆 驰

(1.徐州矿务集团孟巴项目部，江苏 徐州 221116；2.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054)

0 引言

孟加拉国巴拉普库利亚煤矿(以下简称“孟巴矿”)是中国在孟加拉国承包的第一座煤矿，也是目前唯一的地下开采煤矿。矿井生产能力为1.0 Mt/a，采用竖井单水平下山开采。地表附近有新近系Upper DupiTila组(UDT)承压含水层砂层，被称为孟加拉国地下水库。孟巴矿煤层开采一旦破坏主要隔水层，古近系Lower DupiTila组(简称LDT)将与UDT含水层相连，由此造成的水损害对该矿是致命的[1]。因此，开展覆岩破坏机理研究，保护LDT隔水层的完整性，提高UDT强含水层下安全开采的可靠性，降低岩爆威胁，已成为孟巴矿安全生产亟待解决的科学问题。

国内外许多学者对水体下覆岩开采的运动与破坏规律进行了大量的研究。英国、美国、波兰等国也对地表水(河流、湖泊)和松散含水层下采煤进行了大量试验研究，并采用经验方法对安全防水煤岩柱作出了相应规定。其中，BOOTH等[25]先后通过各自的研究确认了中间隔水岩组的重要性，确认了在水体下开采的中间隔水岩组的存在，避免了水体与地下高渗透采空区的直接连通；学者ASTON[6]指出，采空区周围崩落带和下部断裂带地层以及煤柱上方地层水力参数的复杂变化是含水层与采空区连通的重要原因。

我国学者对煤矿灾害进行了大量的研究，并取得了一定的成果。在顶板水害防治方面，王双明等[7]提出了限制开采高度的方法，实现了保水开采。当煤层上覆的隔水岩组厚度大于开采高度的33～35倍时，煤层开采不会破坏隔水层；黄炳香和柴敬等[89]分别采用流固耦合相似材料实验和光纤光栅技术计算导水断裂带高度，确定采场隔水关键层的稳定性；黄庆享等[10]根据陕北浅埋煤层含水赋存条件，揭示了浅埋煤层隔水岩层“上向裂隙”和“下向裂隙”的发育规律。在岩爆的形成机理和防治方面，谢和平等[11]首次将分形理论引入到岩石力学分析中，提出岩爆中的振动分布具有分形特征；窦林名等[12]认为，岩爆的发生必须满足强度条件、能量条件和冲击倾向条件，并提出了岩爆动静载荷叠加的冲击诱发机理。潘一山等[1315]结合理论分析和数学模型研究了岩爆的物理过程，提出了岩爆的发生阶段，形成了岩爆的判断依据。

孟巴矿水文地质条件复杂，灾害多，开采难度大，严重制约了孟巴矿的安全开采。因此，提高矿山覆岩结构的稳定性，保护UDT含水层不渗漏，对孟巴矿的安全经济开采具有重要意义。为此，针对孟巴矿特殊的地质开采条件，探究厚煤层分层开采覆岩破坏机理，以期为孟巴矿安全开采提供技术支持。

1 孟巴矿地质条件综合分析

1.1 矿井地层构造

孟巴矿煤系地层位于太古界闪长岩基底上，属于不整合地层。根据揭露地层，可确定矿田地层自上而下为新生代第四系冲积层Madhupur黏土层和新生代松散层、古生代石炭-二叠系含煤地层、砂岩和冰碛的复合基底，矿井综合柱状如图1所示。孟巴矿位于典型的冈瓦纳大陆地层结构中，对煤矿开采具有一定的特殊性。由于成岩作用差，岩层整体岩性强度低，孔隙度大，含水量高，缺乏中生代地质沉积痕迹，因此能在地层中发挥有效隔水能力的岩层很少。

图1 孟巴矿综合柱状图Fig.1 Comprehensive histogram of Mengba Mine

孟巴矿覆岩岩体的物理力学性质与覆岩结构特征、覆岩破坏及开采引起的应力变形密切相关。它不仅是厚松散承压含水层下开采覆岩破坏工程地质评价的重要指标，也是煤矿开采覆岩移动破坏的重要依据。

通过补充勘探钻孔提取矿层的岩芯。上第三系UDT地层主要为松散构造，导致在钻井时无法取芯；古近系LDT组主要由铝黏土和砂质黏土组成。天然状态下的平均抗压强度为1.8 MPa，整体强度相对较软。通过测试，古近系LDT组的铝黏土总量占73%。冈瓦纳组顶部的风氧化带主要由中粒砂岩组成。天然状态下的平均抗压强度为5.49 MPa，整体强度相对较软。

1.2 矿井水文地质条件

矿井主要含水层为新近系松散含水层(UDT)、基岩风化带含水层和冈瓦纳岩层裂隙含水层。大气降水渗入地表，补充松散含水层。松散含水层(UDT)通过LDT缺失区域直接补充煤系地层。孟巴矿含微承压潜水的新近系松散含水层(UDT)、基岩承压含水层和高密度张力断裂带。矿井水文地质剖面如图2所示。

图2 矿井水文地质剖面Fig.2 Section of mine hydrogeological

孟巴矿水文地质类型为较复杂，属大水矿井。影响矿山开采的含水层主要为新近系松散含水层(UDT)、古近系冈瓦纳组风氧化带底部隔水层(LDT)、冈瓦纳煤系地层基岩含水层。根据含水层的位置和富水性，研究区含水层自上而下的赋存特征较为明显。最上层为新近系上松散含水层(UDT)，属于微承压含水段，为研究区主要含水层；冈瓦纳组风氧化带含水层，位于矿井相对隔水层LDT下方，该组厚度在区域内分布不均，南部厚度较大；Ⅲ煤层以上煤层岩层含水层仅存在于盆地中部，含1～3号煤层，厚度分布不均匀；Ⅲ～Ⅳ煤层组间含水层岩性主要为灰白色中粗粒长石砂岩和含砾粗砂岩；Ⅳ～Ⅴ煤岩组间含水层主要为灰白色中粗粒长石砂岩和含砾粗砂岩，厚度24.3～30.0 m，平均厚度29.77 m；Ⅵ煤砂岩含水层，主要分布在该组地层研究区域，风化间隙含水层、各向异性层位径流和块体非均质性导致裂隙退化。

2 分层开采高度对覆岩破坏影响

在地下开采过程中，岩体的破坏范围随着开采范围的扩大而增大。以孟巴矿地质开采条件为研究对象，利用UDEC离散元数值计算软件，揭示了孟巴矿不同开采高度关键层的破坏情况。在FLAC3D数值计算模拟的力学参数的基础上，增加了内摩擦角、粘聚力、抗拉强度力学参数，见表1。

表1 岩体物理力学参数

采用UDEC 5.0数值模拟软件，对Ⅵ煤不同开采厚度(3 m和5 m)的顶板和覆岩破坏特征进行计算分析，模型设计600 m×300 m(宽×高)，其中预留底板40 m。由于Ⅵ煤顶板具有完整性好、孔隙率高、脆性大的特点，块体设置较小，块体随着远离煤层逐渐变大，松散层的作用可视为重力作用下模型上施加的垂直应力。模型左右两侧预留50 m煤柱，消除边界效应。Ⅵ煤布置4个工作面，模型左右边界采用横向约束，下边界采用竖向约束，上边界采用应力约束，UDEC数值计算模型图如图3所示。

图3 分层开采计算模型Fig.3 Layered mining calculation model

图4(a)和(b)分别显示了煤层开采高度为3 m时的覆盖层破坏和垂直应力演化规律。可见，4个工作面开采后63 m范围内，煤层坚硬厚顶板破坏较为明显。顶板垂直应力演化规律也可以间接反映覆岩破坏高度，如图4(b)所示，图中红色为垂直应力为0的区域，红色部分最高点约为65 m，该数据与图4(a)所示的63 m破坏高度非常一致。当开采高度为3 m时，顶板破坏高度为64 m。此时，关键层不受开采影响，完整性良好，它可以起到承载表土的作用，结构关键层不仅控制了覆岩移动变形，而且还限制了导水裂隙带发育高度。

图4 开采高度3 m时覆岩破坏规律Fig.4 The overlying rock failure law at a mining height of 3 m

图5(a)和(b)分别显示了煤层开采高度为5 m时的顶板破坏和垂直应力演化规律。与3 m开采高度相比，5 m开采高度处岩石节理顶点高度为116 m；垂直应力为0的区域的最高点达到119 m。如图5(b)所示，此时，关键层被破坏，整个覆盖层下移，覆盖层导水断裂带高度突增，Ⅵ煤顶板砂岩含水层和Ⅳ、Ⅴ煤之间含水层受到扰动，矿井涌水量可能显著增加，由于矿井排水能力的限制，矿井安全生产受到威胁。

图5 开采高度5 m时覆岩破坏规律Fig.5 The overlying rock failure law at a mining height of 5 m

3 分层开采覆岩破坏演化机理

3.1 覆岩导水裂隙带发育规律

孟巴矿厚煤层采用限高开采，控制覆岩破坏高度，实现基岩水逐级排泄，多次释放顶板破断能量。分层开采的关键技术是保证结构关键层的稳定性，避免厚硬顶板一次断裂引起的岩爆灾害。根据文献[16]，通过方程(1)计算结构关键层稳定的充分必要条件。根据式(1)，在分层工作面开采高度小于5 m，工作面宽度小于150 m的条件下，可满足分层开采后结构关键层的稳定性，实现Ⅵ煤顶板砂岩的分段破坏。

(1)

式中，l为关键层结构稳定的跨度，m；q为上覆岩层施加的载荷，N/m；h为结构关键层的厚度，m；D为结构关键层的抗弯刚度。

3.2 覆岩岩性演化机理

Ⅵ煤层顶板砂岩厚度大，完整性强，构造关键层位于顶板岩层上部。在关键层结构稳定状态下，覆盖层仅在构造关键层下部破碎，形成断裂带。一旦关键结构层断裂并失去稳定性，覆盖层的破坏高度将进入Ⅵ煤顶板上方。虽然Ⅴ煤至LDT煤顶板上方的岩层主要由砂岩组成，但该段砂岩的强度较低，遇水时强度大幅减小且脆弱，覆盖层破坏裂缝较发育。在覆盖层移动过程中，由于厚松散层的荷载作用，岩体进一步破碎弱化，覆盖层综合岩性由中硬变软弱。分层开采地表移动变形规律如图6所示。

图6 分层开采地表移动变形规律Fig.6 The law of surface movement and deformation in layered minin

通过对工作面25号地表观测线上测点沉降速度变化进行分析，可以得出,1208工作面地表沉降活跃期为162 d，最大沉降速度为28.7 mm/d；1308工作面地表沉降活跃期缩短为91 d，最大沉降速度为37.4 mm/d。沉降速度增大，这是覆岩结构由构造关键层向非构造关键层演化后的结果，在地表松散层荷载作用下，工作面上覆岩层的综合岩性由中硬向软弱演化。

4 结论

(1)孟巴矿覆盖层和地表沉降是分段的。覆岩结构变形和地表沉降是关键层构造断裂失稳前后变化的重要标志。在关键层结构失稳前，覆岩和地表的移动形式取决于关键层的变形量和破坏形式。关键层以上覆盖层移动缓慢，持续时间长；关键层结构破坏后，覆岩和地表移动变形迅速而剧烈，主要是由于分层开采厚度和松散层受力程度的影响。

(2)孟巴矿地表变形盆地的移动范围大于常规条件下的移动范围，移动边界张力带伴有阶梯状交错裂缝，台阶错动裂隙的破坏程度主要取决于分层开采的厚度和分层布置。

(3)随着UDT松散层对LDT隔水层的结合张力降低，地表沉降盆地拉伸区的破坏特征也会在LDT沉降盆地拉伸区出现向下的破坏裂缝。在UDT水压侵蚀作用下，当隔水层底板较薄时，LDT隔水层可能被破坏。因此，分层交错布置对于UDT水体下的安全开采至关重要。