放頂煤開采覆巖破壞高度的統計分析①

李紅濤 王軼波 齊黎明

(華北科技學院安全工程學院,北京東燕郊 101601)

放頂煤開采覆巖破壞高度的統計分析①

李紅濤②王軼波 齊黎明

(華北科技學院安全工程學院,北京東燕郊 101601)

由于采場覆巖破壞高度及破壞程度是上行開采研究的最重要內容,因此,在對我國放頂煤開采典型覆巖工程地質條件分析的基礎上,本文對放頂煤開采覆巖破壞高度進行現場實測統計分析,找出放頂煤開采覆巖破壞高度受地質因素的影響規律,從而為放頂煤條件下上行開采研究提供科學依據。

放頂煤;覆巖;直接頂;采厚比

0 引言

采場覆巖破壞高度及破壞程度是上行開采研究的最重要內容,在我國礦山壓力及巖層控制[1]的研究中,將上覆巖層按破壞程度由下至上劃分為3個帶,即垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶,簡稱“三帶”。影響“三帶”的因素很多,其中地質因素包括：煤層厚度、煤層傾角和上覆巖層的巖性,根據文獻[2]的研究,對采場覆巖破壞具有重要影響的地質因素為煤層厚度和上覆巖層的巖性。國內外在中厚煤層和厚煤層分層開采條件下已對覆巖破壞規律進行了深入的分析研究,取得了突出的成果。

放頂煤開采由于一次采出煤層厚度的增大,由此引起采場上覆巖層破壞高度與中厚煤層或厚煤層分層開采相比發生變化,加之受覆巖巖性條件的影響[3],必然引起放頂煤條件下覆巖破壞高度因地質影響因素的不同而具有新的特點和規律。

1 放頂煤開采典型覆巖工程地質條件分析

我國煤層賦存條件復雜多樣,不同的煤層賦存條件和開采技術條件將造成不同的采場覆巖破壞規律。顯然,放頂煤條件下的上行開采,煤層間巖層的巖性賦存狀況和垮落規律是最終影響能否進行上行開采的關鍵。

因此,分析我國放頂煤工作面典型的覆巖巖性賦存特征并進行歸類,可為進一步分析其影響上行開采的機理和條件等奠定基礎。

1.1 三河尖煤礦7131工作面

該工作面所采煤層為7#煤,平均厚度9.0m,最大厚度達10.4m。該工作面煤層直接頂為深灰色粉砂巖,夾中砂巖條帶,厚度為3.87～7.56m,平均為5.7m;其上頂板由多層細砂巖和粉砂巖組成,由下至上分別為：①灰色細砂巖,矽泥質膠結,厚度6.20～13.3m,平均9.77m;②為灰色粉細砂巖互層,礦物成分以石英、長石為主,厚度為3.83～6.92m,平均5.33m;③為石英細砂巖,厚度為1.27～3.85m,平均2.55m。

直接底為灰色粉砂巖,厚度1.17～2.25m,平均1.86m;老底為深灰色粉細砂巖互層水平層理,厚度4.25～7.9m,平均5.9m。工作面綜合柱狀圖,如圖1所示。

圖1 三河尖礦煤層柱狀圖

由上述地質賦存條件可知,三河尖煤礦主采煤層覆巖呈全硬分布特征。

1.2 龍口礦區北皂煤礦H2101工作面

北皂煤礦H2101工作面開采煤層2層,分別為1煤和2煤,2煤位于1煤下方,2煤為主采煤層平均厚4.40m。煤層傾角0°～4.6°硬度系數f=1.5。

2煤層頂板上距第四系地層底界距離為227～236.9m,2煤層直接頂為15.87m褐黑色含油泥巖;往上為3.48m褐灰色油頁巖,上部含油較高,比重較小,下部質較差;再往上為1.21m的1煤,褐黑色,成分以亮煤為主,鏡煤、暗煤次之;1煤直接頂為6.57m灰色含油泥巖,具有水平層理,平坦狀斷口,上部含鈣質,下部含油稍高;往上為3.9m灰色泥巖,質純、性脆。工作面綜合柱狀圖,如圖2所示。

圖2 北皂礦煤層柱狀圖

由該工作面地質條件可知,龍口礦區北皂煤礦主采煤層2煤覆巖巖性呈全軟分布特征。

1.3 王莊煤礦4309工作面

該工作面主采3#煤層,煤層賦存穩定,煤層厚度5.61～7.23m,平均厚度7.02m,煤層傾角一般在3°～5°。

工作面煤層具有偽頂,全區發育不全,厚度0～0.30m,節理較發育,巖性一般為黑色炭質泥巖、泥巖,堅硬程度較低,穩定性差,易冒落。直接頂為泥巖和砂質泥巖,有時呈砂泥巖互層狀,厚度不穩定,一般為3～8m,平均5m,層理、節理發育。老頂為灰白色石英長石粒砂巖,有時變為條帶狀砂巖,致密堅硬,節理不發育,厚度不穩定,最厚達到28m,最薄僅1.38m,一般厚為8～12m,平均10m,一般不易冒落,造成周期來壓。

直接底為灰黑色泥巖或砂質泥巖,厚度不均,一般為0.50～2.0m,平均1.2m,屬中等硬度底板;老底為中細粒石英長石砂巖。厚度3～5m,膠結較致密,中等硬度,裂隙不發育,穩定性好。工作面綜合柱狀圖,如圖3所示。

圖3 王莊礦煤層柱狀圖

由以上地質條件可知,王莊煤礦主采煤層3煤層的覆巖呈下軟上硬分布特征。

1.4 興隆莊煤礦5306工作面

該工作面所采煤層為二迭紀山西組三煤,煤層硬度系數f=2.44,厚度5.9～9.1m,平均7.83m;開采深度392～433m;直接頂為深灰色粉砂巖,厚度7.0m左右,老頂為淺灰色中砂巖,厚30.6m;直接底為黑色泥巖,遇水膨脹,厚度0.2～0.7m,平均厚度0.3m,老底為淺灰色細砂巖,工作面綜合柱狀圖,如圖4所示。

興隆莊5306工作面的煤層賦存條件表明,其主采的3#煤層覆巖巖性呈下硬上軟分布特征。

以上為在分析我國放頂煤開采工作面煤巖賦存條件的基礎上歸類的典型覆巖工程地質條件,考慮到覆巖賦存分布結構對覆巖破壞的影響,從有利于上行開采研究的角度,把放頂煤開采覆巖的巖性分布結構由下至上可簡單歸納為：堅硬—堅硬、軟弱—軟弱、軟弱—堅硬和堅硬—軟弱四種類型。上述四種類型和目前常用的堅硬、中硬和軟弱三種類型相對應。

圖4 興隆莊礦煤層柱狀圖

2 放頂煤開采覆巖破壞高度的現場實測統計分析

我國對放頂煤開采條件下覆巖的破壞高度進行了大量的現場觀測,觀測結果為上行開采的相關深入研究奠定了基礎,文獻[4-5]對放頂煤工作面的直接頂垮落高度進行了實測分析,如表1。

通過對表1中煤層厚度和直接頂垮落高度兩組統計數據的回歸分析得到如圖5所示的變化關系。由圖5可見,由于放頂煤開采一次采出厚度顯著增加,直接頂垮落帶高度也相應增大,并且仍然與煤層的厚度顯著相關,因此,煤層厚度仍然是放頂煤開采覆巖破壞高度的基本影響因素。

表1 全國部分礦井綜放工作面實測冒落帶高度統計

由圖5可發現,在放頂煤直接頂垮落帶高度與煤層厚度之間呈較為明顯的遞增對數函數關系,在這種關系下,覆巖破壞高度隨煤層厚度的變化速率較小。這與以往在中厚煤層條件下煤層厚度與覆巖破壞高度之間一般呈線性或分式關系的研究成果有較明顯的差別。分析認為,由于放頂煤開采一次采出煤層厚度的增加,由此引起垮落帶內巖性構成發生變化,相比于中厚煤層條件下相對單一的巖性構成,厚煤層放頂煤條件下垮落帶巖層一般由不同巖性巖層構成。因此,導致厚煤層放頂煤開采與中厚煤層開采條件下垮落帶高度的發展規律存在較為明顯的差別。

圖5 直接頂垮落高度隨煤層厚度變化關系

另外,通過對表1中煤層厚度M和垮高采厚比H/M兩組數據的統計分析,不難發現,直接頂垮高采厚比H/M變化區間主要集中在2.0～2.5之間,最大值2.76,最小值1.83,平均值2.22,如圖6。直接頂垮高采厚比H/M并不隨煤層厚度的增加而發生較大變化。

圖6 直接頂垮高采厚比與煤層厚度的關系

因此,在放頂煤開采條件下,煤層厚度對覆巖破壞高度的影響規律可以總結為兩點,一方面,煤層厚度與覆巖破壞高度呈遞增對數函數關系,另一方面,覆巖垮高比并不隨煤層厚度增加而發生較大變化。

除了煤層厚度對覆巖破壞高度的影響外,覆巖巖層性質對覆巖破壞高度和發展狀態也具有重要影響。為了分析巖性構成對覆巖破壞的影響,對四類典型覆巖結構進行分析并列表2。由表2可見,覆巖呈下軟的北皂煤礦和王莊煤礦的煤礦不規則垮高煤厚比分別為1.15和1.08;而覆巖呈下硬的興隆莊煤礦和三河尖煤礦不規則垮高煤厚比分別為1.46和1.17,不難發現,覆巖下硬的不規則垮高煤厚比大于覆巖下軟的不規則垮高煤厚比。另外,由表2也可發現,覆巖呈上硬的王莊煤礦和三河尖煤礦的規則垮高煤厚比分為0.94和1.15;而覆巖呈上軟的興隆莊煤礦和北皂煤礦的規則垮高煤厚比分別為0.80和0.90,顯然,覆巖上硬的規則垮高煤厚比大于覆巖上軟的規則垮高煤厚比。

表2 典型綜放工作面實測冒落帶高度統計

以上均為單因素分析,為了能夠全面反映上述巖性影響覆巖破壞特點,進一步對王莊煤礦(覆巖呈下軟上硬分布)和興隆莊煤礦(覆巖呈下硬上軟分布)進行分析。王莊煤礦不規則垮高煤厚比H1/M和規則垮高煤厚比H2/M分別為1.08和0.94,而興隆莊煤礦的以上兩項比值分別為1.46和0.80,顯然,王莊煤礦的不規則垮高煤厚比顯然小于興隆莊煤礦,而同時王莊煤礦的規則垮高煤厚比H2/M則比興隆莊煤礦大許多。

由以上分析不難發現,巖性構成對覆巖不規則垮落帶和規則垮落帶的分布具有重要影響。當覆巖下部為軟巖時,由于軟巖的碎脹系數較大,有利于充填采空區,從而有利于直接頂由不規則垮落帶向規則垮落帶過渡。當下部為硬巖時,由于硬巖的碎脹系數相對較小,不利于充填采空區,使得不規則垮落帶高度相對增大,從而不利于直接頂由不規則帶向規則垮落帶過渡。

以上通過對放頂煤開采覆巖破壞高度的現場實測統計分析,可以看出煤層開采厚度和上覆巖層的性質是煤層覆巖破壞高度和發展狀態的最主要的兩個影響因素。其中煤層厚度與直接頂垮落高度呈遞增對數函數關系,是覆巖破壞的基本影響因素;而上覆巖層的性質對直接頂不規則垮落帶和規則垮落帶的分布狀態具有重要影響,是覆巖破壞的重要影響因素。

3 放頂煤開采影響覆巖破壞高度的地質因素分析

煤層厚度是影響覆巖破壞高度基本影響因素,由表1可以看出,放頂煤開采由于一次采出厚度的增大引起覆巖垮落高度的絕對值增大,從而導致垮落帶巖層的巖性構成不再單一,使得垮落帶分布更為復雜。

在煤層厚度相同的條件下,上覆巖層性質對覆巖破壞高度和發展狀態具有重要影響,眾所周知,不同巖性的巖層具有不同的碎脹系數[6]Kp,一般情況下,堅硬巖層取Kp=1.10～1.15,中硬巖層取Kp=1.15～1.20,軟弱巖層取Kp=1.20～1.25;另外覆巖破壞高度和發展狀態與巖性組合特征也密切相關,不同巖性巖層的組合,如硬硬組合、軟軟組合、軟硬組合和硬軟組合,其力學結構特征不同,因而其垮落特征也不相同。

對王莊煤礦和興隆莊煤礦覆巖破壞特征的分析表明不同巖性組合的覆巖對不規則帶和規則帶高度的分布具有顯著影響。從巖性地質因素角度來分析,這是由于不同巖性及其組合的不同垮落特征所導致。

在王莊煤礦覆巖呈下軟上硬的巖性組合條件下,由于下部軟巖的碎脹系數較大,垮落后對采空區充填效果較好,在下部軟巖厚度合適的條件下,幾乎不需要上部硬巖向不規則帶轉化,從而使得不規則垮高煤厚比相對較小,H1/M=1.08。同時也是由于下部軟巖的相對較好的充填效果,使得上部硬巖層垮落活動空間相對較小,加之硬巖垮落塊度較大從而有利于形成規則垮落帶,所以規則垮高煤厚比相對較大,H2/M=0.94。

與王莊煤礦覆巖結構相反,興隆莊煤礦覆巖呈下硬上軟分布,由于下部硬巖垮落碎脹系數較小,垮落后對采空區的充填效果相對較差,在硬巖層厚度不夠大的時候一定厚度的上部軟巖垮落轉化為不規則帶,從而使得不規則垮高煤厚比相對較大, H1/M=1.46。同時由于下部硬巖垮落使得上部軟巖跟隨下沉,在一定程度上減小了規則帶覆巖垮落的空間,加之軟巖一定的變形能力,使得覆巖很快由垮落帶向裂隙帶和彎曲下沉帶轉化,從而使得規則垮高煤厚比相對較小,H2/M=0.80。

4 結論

1)通過對放頂煤開采典型覆巖工程地質條件的分析,考慮到覆巖賦存分布結構對覆巖破壞的影響,從有利于上行開采研究的角度,把放頂煤開采覆巖的巖性分布結構由下至上可簡單歸納為：堅硬-堅硬、軟弱-軟弱、軟弱-堅硬和堅硬-軟弱四種類型。

2)在對放頂煤開采采場覆巖工程地質條件分析的基礎上,對我國部分放頂煤開采采場覆巖破壞高度進行了實測統計分析。結果表明煤層開采厚度和上覆巖層的性質是煤層覆巖破壞高度和發展狀態的最主要的兩個影響因素,其中煤層厚度與直接頂垮落高度呈遞增對數函數關系,是覆巖破壞的基本影響因素;而上覆巖層的性質對直接頂不規則垮落帶和規則垮落帶的分布狀態具有重要影響,是覆巖破壞的重要影響因素。

3)在放頂煤開采影響覆巖破壞高度的地質因素的分析中,分析了放頂煤開采時由于覆巖垮落高度的絕對值的增大,導致垮落帶巖層巖性不再單一,使得垮落帶覆巖結構更為復雜,進而對垮落帶巖層不同巖性及其組合對不規則帶和規則帶高度分布的影響機制進行了地質因素分析。

4)通過對放頂煤開采覆巖破壞高度的現場實測統計分析,為放頂煤條件下上行開采研究提供了科學依據。

[1] 錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業大學出版社,2003

[2] 煤炭科學研究院北京開采所開采室三下采煤組.煤層覆巖破壞的基本規律[J].煤田地質與勘探,1977,(6)：58-66

[3] 張文藝,鐘梅英,蔡建安,等.巖性與覆巖破壞高度關系的模糊聚類分析[J].陜西煤炭, 2001,(1)：37-21

[4] 張頂立.綜放工作面煤巖穩定性研究及控制[D].徐州：中國礦業大學,1995

[5] 尹增德.采動覆巖破壞特征及其應用研究[D].青島：山東科技大學,2007

[6] 汪理全,李中頏.煤層(群)上行開采技術[M].北京：煤炭工業出版社,1995

Statistical Analysis on The Overlying Strata Fa ilure Height in Condition of Top-coal Caving

L I Hongtao,WANG Yibo,Q I L im ing

(Safety Engineering College,North China Institute of Science and Technology,Yanjiao Beijing-East 101601)

Since failure height and destruction degree of the overlying strata in working face are the most research contents to ascendingmining.Based on analyzing on typicaloverburden engineering geological conditions in top-coal caving,fieldmeasurement and statistical analysison the overlying strata failure height in condition of top-coal caving is carried out in this paper.To find the influence law which geological factors influence on overlying strata failure height in condition of top-coal caving.Therefore,scientific basis is provided for ascendingmining study in condition of top-coal caving.

Top-coal Caving;overlying strata; immediate roof;ratio of immediate roof thickness to mining thickness

TD802

A

1672-7169(2011)02-0001-05

2011-02-25

李紅濤(1978-),男,河南商丘人,博士,華北科技學院安全工程學院講師,主要從事采礦工程方面的教學和科研工作。