特厚煤層開采主亞關鍵層活動特征及其對覆巖移動的控制規律研究

吳洪勝 董立軍 張國紅 徐文達 胡鵬軍

（中海油新能源（準格爾）煤基能源有限公司，內蒙古自治區準格爾旗，010300）

特厚煤層開采主亞關鍵層活動特征及其對覆巖移動的控制規律研究

吳洪勝 董立軍 張國紅 徐文達 胡鵬軍

（中海油新能源（準格爾）煤基能源有限公司，內蒙古自治區準格爾旗，010300）

主亞關鍵層的活動特征及其對覆巖移動的控制規律是研究特厚煤層開采頂板控制的主要依據。本文依據老三溝井田地質條件和賦存狀況，通過物理相似模擬試驗的方法，分析研究準格爾中部礦區老三溝井田煤層開采中主亞關鍵層活動特征及其對覆巖移動的控制作用。研究表明，基本頂（亞關鍵層）初次來壓步距在45m左右，周期來壓步距在15～20 m之間；當工作面向前推進約130m，主關鍵層彎曲下沉量增大，且在兩端發育縱向裂紋，而采空區中部覆巖壓實，裂隙逐步閉合；由于關鍵層位結構的存在，使得開采過程中覆巖的大范圍劇烈活動降低了對工作面的影響。

煤層開采 特厚煤層 關鍵層 覆巖移動 移動規律 老三溝井田

地下開采破壞了巖體內部原有的力學平衡狀態，使上覆巖層不同程度地變形、移動和破壞。雖然在關鍵層理論和覆巖控制方面有不少研究成果，但針對準格爾中部礦區的研究尚無系統性的闡述。為此，本文依據準格爾中部礦區老三溝井田地質條件和賦存狀況，通過物理相似模擬試驗的方法，分析研究特厚煤層開采主亞關鍵層的活動特征及其對覆巖移動的控制規律，為類似礦區井田煤層開采提供參考借鑒。

1 老三溝井田地質條件概況

老三溝井田地處內蒙古自治區鄂爾多斯市境內，屬準格爾旗大路鄉管轄。井田內大部被第四系黃土覆蓋，在溝谷及兩幫可見白堊系下統基巖零星出露。含煤地層為上石炭統太原組和下二疊統山西組。太原組巖層以灰黑、黑色為主體色，以濱海沼澤相、泥炭沼澤相的細碎屑巖、泥巖和煤為主體巖性；山西組巖層以灰－黑灰泥巖和砂質泥巖、灰白色砂巖為主，以沖洪相、河漫相和沼澤相的粗碎屑巖為主體巖性。井田含可采和局部可采煤層3層，分別是6＃、9＃、9下＃煤層，其中主采煤層為6＃煤層和9＃煤層，平均厚度分別為9.45m和10.84 m，煤層結構較復雜，賦存較穩定，地質構造簡單。

2 物理模擬實驗設計

根據老三溝礦鉆孔綜合柱狀圖以及煤巖石力學參數，確定相似模擬材料配比。為清晰直觀地研究6＃煤層開采后上覆巖層變形狀況，模型采用1∶100的比例設計。試驗使用簡易立體模型架，模型架長2500mm，高1730mm，如圖1所示。老三溝井下開采作業為“四六制”，工作面年進度為1584m，每天約推進4.8m。據此確定，在模型回采中，開挖步距取為50mm，開挖時間間隔為20min，按此速度回采，一直到工作面的終采線。

圖1 物理模擬原始模型

左邊留設500mm邊界，右邊留設500mm邊界，工作面每步開采50mm，采高為35mm，開挖間隔按照時間相似比進行。每開采一步記錄一次數據并拍照，同時當有明顯現象時亦對模型進行素描。

3 主亞關鍵層活動特征及覆巖垮落規律

由文獻［6］可知，基巖厚度大于60m，覆存兩層關鍵層（一個稱主關鍵層，一個稱亞關鍵層），主關鍵層位于垮落帶之上，基本頂為亞關鍵層。

至模型邊界500mm處開挖100mm（對應原型值10m，圖中尺寸均為原型值）作為切眼，6＃煤層工作面直接頂初次垮落與周期垮落情況如圖2所示。

圖2 6＃煤層工作面直接頂垮落狀況

工作面推進15m時直接頂初次垮落，垮落的巖塊較破碎，塊度較小。工作面繼續向前推進，直接頂隨采隨垮；工作面推進40m后，直接頂發生多次垮落，并造成采空區基本頂懸空現象，此時采空區基本頂中部可隱約看到縱向裂隙，基本頂呈現出一定的承載特性。

圖3 6＃煤層工作面基本頂初次來壓及周期來壓狀況

6＃煤層工作面基本頂初次來壓及周期來壓狀況如圖3所示?；卷攽铱蘸螅蚯巴七M至45m后，直接頂再次垮落，基本頂同時達到極限跨距，發生初次垮落，造成工作面初次來壓，見圖3（a）；基本頂初次來壓時，由于直接頂厚度較小，難以充滿采空區，因此，基本頂回轉空間較大，發生回轉失穩，頂板下沉量較大，來壓強烈，對工作面及下伏垮落巖層沖擊作用較大。當工作面開挖65m后，基本頂下分層再次破斷，同時基本頂上覆巖開始出現離層現象，見圖3（b）。繼續開挖15m后，基本頂上分層垮落，上覆巖層出現較大離層，見圖3（c）。當工作面開挖至85m處時，基本頂再次破斷來壓，其上覆巖離層裂隙變大，特別是在粗砂巖層組之下，其最大離層量達到4m左右，呈現出關鍵層承載特性，見圖3（d）。

隨著工作面向前推進，關鍵層下方離層裂隙繼續向前發展，推進距離達到105m時，基本頂再次來壓，基本頂破斷塊具有以實體煤壁為支點向采空區旋轉的趨勢，并在工作面推進110m后，觸矸穩定，此時仍處于不穩定狀態，又出現了以觸矸點為支點向工作面方向旋轉的趨勢。工作面繼續推進，當推進至115m時，基本頂再次發生周期性破斷，基本頂破斷塊體出現了穩定的鉸接結構，此時上覆巖層中的關鍵層開始彎曲下沉，而關鍵層下方的離層開始逐漸壓實，只是在開切眼上方和工作面上方仍有較大離層裂隙，為“O”形圈的主要組成部分，即為覆巖離層注漿或瓦斯抽采所重點關注的區域，這也是粗砂巖覆巖關鍵層為主關鍵層的主要佐證之一，這一過程如圖4所示。這表明基本頂即為亞關鍵層。

圖4 關鍵層彎曲下沉過程示意

4 覆巖三帶發育特征及主亞關鍵層的控制作用

末采期間覆巖移動情況如圖5所示，從圖5（b）可以看出，開采6＃煤層后，其覆巖的破斷角約為65°左右，垮落帶高度約為45m，導水裂隙帶（即裂隙帶、垮落帶）約為130m，導水裂隙帶發育至含礫粗砂巖層組中。在開切眼和停采線附近有縱向裂隙貫通區，有可能成為采空區和工作面的導水通道。采空區中部重新壓實，裂隙基本完全閉合。

從圖2～圖5中可以看出，6＃煤層開采過程中，基本頂初次來壓步距在45m左右，周期來壓步距在15～20m之間。在試驗中采空區頂板基巖總是自下而上周期性地產生離層裂隙。隨著工作面的不斷推進，頂板離層裂隙及豎向破斷裂隙自下而上不斷發育、發展，但由于冒矸充填部分采空區阻礙了亞關鍵層破斷塊體的回轉，形成暫時的鉸接平衡。由于中部運動受阻，在上覆載荷作用下，破斷巖塊朝反方向回轉而使靠采空區上方離層裂隙一定程度上被擠壓閉合。

圖5 末采期間覆巖移動狀況

隨著工作面的繼續推進，亞關鍵層繼續周期來壓，采空區中部部分導水裂隙在工作面后方1～2個周期來壓步距后逐漸壓實閉合。當工作面向前推進130m左右，主關鍵層彎曲下沉量增大，且在兩端發育縱向裂紋。而采空區中部覆巖壓實，裂隙逐步閉合。由于亞關鍵層巖層形成了穩定的砌體梁結構，末采位置處裂隙發育相對滯后，隨著時間的推移，工作面端的裂隙場逐步與切眼端裂隙場趨于一致。工作面停采時，采空區中部斷裂帶內導水裂隙已基本壓實閉合，導水貫通裂隙僅在工作面和開切眼附近較發育。整體來說，雖然開采過程中覆巖會產生大范圍的劇烈活動，乃至垮落，但由于各巖層結構的存在，特別是關鍵層位結構的存在，使得覆巖的大范圍劇烈活動對工作面的影響大大降低了。

5 觀測結果分析

圖6～圖7是開采6＃煤層時覆巖中監測點的垂直位移變化曲線，從監測點垂直位移曲線可知，隨著工作面不斷推進，各個測點的垂直位移不斷增大，在工作面推進到50m時，垂直位移開始變化，說明亞關鍵層破斷，覆巖開始受到采動影響，當工作面推進到110m左右時，垂直位移達到最大，說明主關鍵層受到采動影響產生破壞。

不同開挖距離時水平位移曲線呈中心對稱曲線，如圖8所示。從水平位移曲線圖可以看出，隨著工作面的推進水平位移同時增大。當工作面推進到150m時，在采空區中部位置水平位移為0，說明工作面中部處在下沉盆地中部。

6 結論

（1）當工作面開挖至85m處時，基本頂再次破斷來壓，其上覆巖離層裂隙變大，呈現出關鍵層承載特性；當推進至115m時，基本頂再次發生周期性破斷，基本頂破斷塊體出現了穩定的鉸接結構，此時上覆巖層中的主關鍵層開始彎曲下沉，而主關鍵層下方的離層開始逐漸壓實，只是在開切眼上方和工作面上方仍有較大離層裂隙，這也是粗砂巖覆巖關鍵層為主關鍵層的主要佐證之一。而基本頂即為亞關鍵層。

（2）基本頂（亞關鍵層）初次來壓步距在45m左右，周期來壓步距在15～20m之間；當工作面向前推進130m左右，主關鍵層彎曲下沉量增大，且在兩端發育縱向裂紋，而采空區中部覆巖壓實，裂隙逐步閉合。

（3）在工作面推進到50m時，垂直位移開始變化，說明亞關鍵層破斷，覆巖開始受到采動影響，當工作面推進到110m左右時，垂直位移達到最大，說明主關鍵層受到采動影響產生破壞。整體來說，由于關鍵層位結構的存在，使得開采過程中覆巖的大范圍劇烈活動降低了對工作面的影響。

［1］ 杜計平，汪理全.煤礦特殊開采方法［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2003

［2］ 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

［3］ 張東升，馬立強，劉玉德.厚硬頂板硬頂煤壓縮性分析與綜放開采方案選擇［J］.巖石力學與工程學報，2006（9）

［4］ 錢鳴高，繆協興，許家林.巖層控制的關鍵層理論［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2003

［5］ 范鋼偉，張東升，馬立強.神東礦區淺埋煤層開采覆巖移動與裂隙分布特征［J］.中國礦業大學學報，2011（1）

［6］ 張羽強.一種新型物理相似模擬實驗架結構設計［D］.西安：西安科技大學，2008

［7］ 王樹忠，王繼林，于洋等.厚煤層開采覆巖移動規律的現場監測研究［J］.中國煤炭，2011（11）

Main and sub－key strata activities characteristics and their control laws on movements of overburden stratum in mining of especially－thick coal seam

Wu Hongsheng，Dong Lijun，Zhang Guohong，Xu Wenda，Hu Pengjun
（CNOOC New Energy（Zhungeer）Coal－based Energy Co.，Ltd.，Zhungeer，Inner Mongolia 010300，China）

Main and sub－key strata activities characteristics and their control laws on movements of overburden stratum are the main basis of studying the roof control in mining of especially－thick coal seam.According to the geological and the occurrence conditions of Laosangou mine field，with method of physical simulation experiment，the paper analyzes the main and sub－key strata activities characteristics and their control laws on movements of overburden stratum in coal mining of Laosangou mine field in central part of Zhungeer.The result shows that the first weighting interval of basic roof（sub－key stratum）is 45mor so，and the periodic weighting interval is between 15～20m；when the working face advances about 130m，the bending subsidence of the main key stratum will increase，and the longitudinal cracks will happen at its two ends，while the overburden stratum in the central part of the gob is compact，and cracks are gradually closed；the existence of the key strata structure decreases the impact of wide ranging severe activities of overburden stratum in the mining process on the working face.

coal mining，especially－thick coal seam，key stratum，movement of overburden stratum，movement law，Laosangou mine field

TD323

A

吳洪勝（1968－），男，經濟師，現為中海油新能源（準格爾）煤基能源有限公司總經理。

（責任編輯 張毅玲）