厚松散层薄基岩特厚煤层综放开采覆岩破坏特征研究

韩永斌

(中煤科工生态环境科技有限公司,天津 300450)

0 引言

我国西部地区煤炭资源丰富,是国家大型煤炭基地集中分布区,在西部五省(陕蒙甘宁新)中,保有和预测煤炭资源总计达3.85万亿吨,占全国煤炭资源总量的66%,且煤层埋藏浅、厚度大、构造简单、易开采,多采用综采放顶煤开采。煤炭资源的大规模开发,为我国经济和社会发展带来巨大动力,同时也给当地环境造成了巨大破坏,影响环境、经济的可持续发展。煤炭开采后,无法避免造成覆岩移动、冒落、断裂,引发地表变形,严重区域会形成较大地裂缝、台阶等非连续变形,并引发次生地质灾害[1]。一般综放开采的覆岩移动较普采更加剧烈,对于薄基岩、浅埋藏煤层开采后,其“两带”(冒落带和裂缝带)高度直接发育至地表[2],表现为地表出现台阶状非连续变形。我国研究学者对常规条件开采的岩移规律已形成比较完整的理论成果[3-4],近年来,随着开采技术的发展,综放开采技术被广泛应用,滕永海等对综放开采覆岩破坏规律进行了总结,认为综放开采的覆岩破坏更加剧烈,“两带”发育高度更高[5-6]。戴华阳教授利用有限元方法和通过相似材料模拟实验对非连续变形的力学原因和发生机理进行了深入研究[7-8]。由于厚松散层薄基岩巨厚煤层条件的综放开采的研究成果相对较少[9-10],为此,针对我国西部矿区厚松散层薄基岩特厚煤层的特点,建立地表移动观测站,根据开采进度,对地表变形进行周期性观测,详细掌握地表形变过程。根据地质采矿条件,建立数学模型,探究薄基岩综放开采地表变形机理,进一步定性、定量分析地表出现非连续变形的特征、时间及空间分布规律。以利于指导类似条件下开采,并对矿区地表建筑物保护、生态保护及矿井安全生产提供依据。

1 地质概况

伊犁一矿设计产煤能力1×107t/a,井田地表被第四系地层覆盖,平均厚度90m,下部为泥岩,为厚冲积层薄基岩地质条件。该区地处山前冲积平原带,地势较为平坦,南高北低,海拔标高+1240～+1260m,采用综合机械化放顶煤工艺开采,全部垮落法管理顶板,煤层厚度20m,倾角6°,平均放顶高度12m。

1503工作面回采长度1040m,宽度150m,埋深132～150m,工作面推进速度1.8m/d;1504工作面回采长度1720m,宽度260m,埋深 125～175m,推进速度5.5m/d。煤层顶底板主要由直接顶和直接底构成,局部发育有伪顶和伪底,以细砂岩和泥岩为主,其次为粉砂岩,平均厚度3m。煤层底板以泥岩为主,其次为粉砂岩。

2 地表移动观测

2.1 观测站布设

为解决 “三下”采煤问题,准确掌握矿井厚松散层薄基岩特厚煤层综放开采条件下的地表沉陷规律、覆岩破坏规律、岩层移动机理,在开采工作面上方建立了地表移动观测站,并进行了持续观测。

在1503、1504工作面上方布设2条走向观测线、3条倾向观测线。测线长5km,布设测点323个。其中:走向Z线长1240m,走向H线长1900m,倾向A线长600m,倾向N-B线长660m,倾向S线长420m,平均测点间距20m。观测站布置情况如图1所示。

图1 观测站布置示意图

2.2 观测结果

在地表移动过程中,对各测线共进行了37次全面观测,准确反映了开采影响的移动变形过程,为地表移动规律研究奠定了数据基础。根据实测资料,地表最大移动和变形值见表1。

表1 各观测线实测地表最大移动变形值

观测地表最大下沉值为12.301m,最大倾斜变形为162mm/m,最大水平移动为5.839m,最大水平压缩变形为-256mm/m,最大水平拉伸变形为255mm/m。观测变形值远超出《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中砖混结构建筑物的Ⅳ级损坏变形。

通过对实测数据进行整理、校核,分别计算走向线、倾向线不同观测时段各测点和测点间的移动变形,并绘制地表下沉曲线图,如图2所示。

图2 实测地表下沉曲线图

根据图2观测下沉曲线可知,移动盆地底部下沉值大,顺槽边界附近下沉值减小,约为最大下沉值的1/5,下山方向下沉曲线边界收敛缓慢,边界角较大。在工作面回采过程中发现,地表移动变形异常活跃,以走向H线最大下沉点为例,2021年1月6日～2021年1月21日的15日内,地表下沉值达8984mm,地表平均最大下沉速度达599mm/d。在工作面快速推进过程中,上覆岩层下沉速度加快,相对悬空时间短,地表变形集中。观测地表移动初始期约21天,大约12天后,下沉速度达到最大值,随后下沉速度逐渐减小,活跃期持续时间约75天,衰退期持续时间约250天,地表移动延续时间约为370天。地表持续时间为2.45H0天。形成这一特征主要是由于开采速度快,上覆基岩薄,使覆岩由下而上传递变形的时间缩短。

开采过程中地裂缝异常发育,在开采边界附近出现1～3m台阶,宽度一般20～150mm,最大宽度约为350mm,最大可见深度约5m,并伴有较明显的裂缝带;在下沉盆地边缘(切眼外侧45～66m处)出现明显裂缝带;随工作前推进,在工作面前方每隔20m左右连续出现动态裂缝,与回采线呈弧状,约5～8天发育成熟,随着工作面的推进,裂缝逐渐闭合。总体来看,因煤层厚、基岩薄、埋深浅,综放开采后“两带”高度迅速发育至地表,裂缝异常发育,并伴随明显的挤压变形,在开采边界外侧形成永久台阶。地表破坏情况如图3所示。

3 预计参数反演

根据岩移观测资料绘制主断面实测下沉曲线,通过调整概率积分法岩移预计参数,绘制预计下沉曲线,然后将各测点的预计值与实测值进行比较,并以逐渐趋近的方法按照偏差平方和最小的原则,确定最适宜的概率积分法预计参数,计算结果见表2。实测下沉曲线与预计下沉曲线拟合结果如图4所示。

表2 地表移动变形预计参数拟合值

通过预计参数的反演计算,获取矿井概率积分法岩移预计参数为:下沉系数q=0.83,主要影响角正切tgβ=2.10,水平移动系数b=0.30,开采影响传播系数k=0.6,拐点偏移距s=0.1H。

根据观测数据计算,地表岩移角量参数为:走向边界角δ0=43°,下山边界角β0=45°,上山边界角γ0=47°;走向移动角δ=57°,下山移动角β=56°,上山移动角γ=62°;走向裂缝角δ″=63°,下山裂缝角β″=69°,上山裂缝角γ″=65°。

岩移参数表现出综放开采快速推进的特征,主要表现为:下沉系数大,移动角与裂缝角接近,边界角较小,tgβ值偏大,最大下沉速度偏大,变形集中,在开采边界内部出现大面积的非连续变形。

4 覆岩破断引发地裂缝机理分析

4.1 覆岩破断分析

为掌握综放开采工作面上覆岩层移动规律,矿井对1504工作面进行了矿压监测。经对监测数据统计分析可知,各支架平均来压持续长度为8.5m,工作面直接顶初次垮断步距为28m,平均来压步距为17m。随工作面推进,上覆岩层不断出现破断失稳,煤壁出现片帮,支架后方有零星顶板冒落。

伴随周期来压,软弱顶板随开采同步破坏,上覆薄基岩完全破断,直接顶呈悬臂梁式垮落,垮落的岩块对采空区充填不充分,上部岩层结构失稳回转加剧,岩块砌体相互铰接。随着开采空间增大,覆岩破断剧烈并最终形成岩梁式破断形态,上覆岩层呈梯型断裂,基岩顶及上方离层明显。

煤层顶板垮落后,采空区覆岩在动态变形中强制调整地应力达到新平衡,形成岩层平衡压力拱,压力拱随工作面推进不断扩大,岩组间产生明显离层并向上发育。当达到充分采动时,平衡压力拱达到极限状态,随后关键层基岩在内部构造应力和自重应力的作用下失稳破断,地表受到剧烈扰动,出现突然下沉,平衡压力拱达到极限后不再沿竖向向上扩大,而是在水平方向上随开采移动形成动态拱,此时覆岩内多个层位完全离层,岩层裂隙发育充分,地表最大下沉值不再变化,最大下沉点随开采向前移动,最终形成移动盆地的“盆底”。平衡压力拱的发育过程如图5所示。

图5 采空区压力拱与地表下沉关系图

4.2 地裂缝成因分析

煤层顶板垮落后,各岩组间形成水平方向的沿层裂隙和竖直方向的穿层裂隙。横向裂隙发育到一定高度时闭合,纵向裂隙会随覆岩断裂贯通至地表,形成贯通型裂缝,纵向裂隙的发育时间晚于横向离层裂隙,但在持续周期上相对较长。综放开采垮落带及导水裂缝带异常发育,“两带”在受影响的覆岩中占比较大,地表移动变形集中,大量离层裂隙发育为地裂缝,当地裂缝处于采空区上方地表移动盆地压缩变形区时,地裂缝张开量受到压缩变形影响呈减小甚至闭合趋势。若地表压缩变形值未超过表土层抗压极限变形值,工作面开采结束后,裂缝不能完全闭合,仍然表现为拉伸状态,成为永久型张开裂缝;在地表压缩变形值超过表土层的抗压极限变形值时,裂缝就会闭合并且地表形成隆起状态,此时会成为挤压闭合型裂缝。

地裂缝分为在工作面推进过程中出现的动态临时裂缝和在开采边界附近形成的永久裂缝[11]。临时裂隙随工作面推进动态发育并自然闭合,永久裂缝出现在开采边界内侧5～10m位置,且裂缝宽度大、发育深、难自愈,多形成台阶状裂缝。造成地表破碎、水土流失、植被退化,对地表生态环境的影响较大。

煤层开采后,地表任意点都会产生竖直方向和水平方向的位移,当地表变形超过岩土体本身强度时,将产生拉伸、压缩等各种形态裂缝。当粘土的拉伸变形大于6mm/m,砂质粘土的拉伸变形大于3mm/m时,会产生拉伸型裂缝;当压缩变形大于3.5mm/m时,挤压型裂缝发育。

对于浅埋煤层而言,上覆岩层结构简单,基本顶以上不存在关键层,地表松散冲积层缺乏坚硬基岩支撑,覆岩破断的剧烈影响直达松散层并引起集中变形,因此基本顶断裂会直接引起上覆岩层的剧烈运动,表现为地表出现台阶,其出现的时间与基本顶断裂时间一致。

5 结论

(1) 通过地表实测数据分析,得出在我国西部矿区厚松散层薄基岩巨厚煤层综放开采条件下,地表移动的初始期、活跃期短,总移动持续时间为2.45H0天。岩移预计参数较常规条件开采下沉系数大,移动角与裂缝角接近,边界角小,最大下沉速度大,下山方向下沉曲线边界收敛慢。在开采边界内侧5～10m位置形成永久台阶,其下沉值约为充分采动最大下沉值的1/5。

(2) 井上下监测对比分析表明,上覆基岩随开采同步破坏,顶板初次垮断步距为28m,周期来压步距为17m,顶板在水平方向上形成动态压力拱,地表出现动态台阶,距离与周期来压步距一致。

(3) 薄基岩条件的基本顶以上不存在关键层,顶板呈悬臂梁式垮落,上覆岩层呈梯型断裂,覆岩破断后,变形迅速发育至地表,形成动态台阶。