不同層間巖性組合覆巖垮落規律研究

董洪凱劉公君

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶市九龍坡區,400039; 2.貴州安和礦業科技工程股份有限公司,貴州省貴陽市,550023)

不同層間巖性組合覆巖垮落規律研究

董洪凱1,2劉公君2

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶市九龍坡區,400039; 2.貴州安和礦業科技工程股份有限公司,貴州省貴陽市,550023)

為了探討不同層間巖性組合上覆巖層開采時的移動變形規律,以郭屯煤礦首采區為工程背景,采用UDEC數值模擬方法,對煤層開采后不同層間巖性組合的上覆巖層運動規律進行研究。研究結果表明:上覆巖層的下沉量與垮落帶高度與上覆巖層的軟硬巖的組合密切相關,并給出垮落帶最大高度與軟硬巖厚度比值的關系式。

煤炭開采 上行開采 上履巖層 巖性結構 垮落帶

郭屯煤礦因生產任務及經濟效益問題首先開采條件較好的3下煤層,隨著3下煤層資源的枯竭,開始回采3上煤層,由于3上煤層與3下煤層層間距從0～28 m變化不等,受3下煤層開采影響,3上煤層的穩定性成為制約3上煤層開采的主要因素。本文對不同層間巖性的覆巖垮落規律進行研究,為郭屯煤礦3上煤層開采提供技術支持,對類似開采條件下的煤礦開采提供有價值的理論基礎。

1 工程概況

郭屯煤礦首采區主要可采煤層為3上和3下煤層,3上煤層與3下煤層由3＃煤層分叉而來的,其層間距變化范圍在0～28 m。3下煤層已開采一定程度,上部遺留了儲量可觀的3上煤層。3下煤層可采范圍內的煤層平均厚度為3.5 m,屬較穩定厚煤層;煤層頂板以中、細砂巖為主,厚1.44～17.79 m;煤層底板主要為泥巖、炭質泥巖,厚0.72～6.19 m,平均傾角12°。3上煤層可采范圍內煤層厚度為0～3.50 m,平均1.60 m,屬大部可采的較穩定薄煤層,平均傾角大于10°;煤層頂板以中、細砂巖為主,厚2.77～19.02 m;煤層底板以粉砂巖為主,厚0.78～10.90 m。

2 不同巖性組合覆巖變性規律數值計算模型

模型建立以郭屯煤礦首采區煤巖層賦存條件為依據,并根據研究需要進行條件變化。模型尺寸為200 m×60 m(寬×高),煤層層間距12 m。上邊界載荷按采深850 m計算,模型底邊界垂直方向固定,左右邊界水平方向固定。根據郭屯煤礦工作面初次來壓與周期來壓步距,設定模型工作面開采走向長度為60 m。各巖層塊體力學參數和接觸面的物理力學參數見表1和表2。模擬不同軟巖與硬巖比例條件下覆巖垮落規律。

表1 煤巖層物理力學參數

表2 煤巖層節理面力學參數

3 數值模擬結果分析

3.1 全軟巖層間結構

當上下兩層煤之間為全軟弱型巖性構成時, 3下煤層頂板的下位巖層隨采隨冒。當3下煤層推進10 m,頂部已發生大面積垮落,垮落高度約為5.9 m;當工作面繼續推進,垮落帶高度繼續向上擴展,推進30 m時,垮落帶高度約為11.2 m;當推進距離大于40 m時,垮落帶高度不再變化,此時,垮落帶高度約為11.8 m,中間地帶裂隙壓實閉合,3上煤層局部處于垮落帶內,仍保持整體性和連續性。

3.2 全硬巖層間結構

當上下兩層煤之間為堅硬型巖性構成時,3下煤層開采后。當3下煤層推進距離小于20 m時,覆巖無垮落現象,只發生彎曲下沉;當推進距離為30 m時,3下煤層頂板發生大面積垮落,垮落高度約為10.1 m;當推進距離為40 m時,垮落帶破壞范圍已影響到3上煤層,工作面繼續推進,垮落帶高度繼續向上擴展;當推進距離為60 m時,采空區已被冒落矸石充填,垮落高度不再變化,垮落帶最終高度約為15.1 m。

3.3 上軟下硬層間結構

3.3.1 硬巖與軟巖厚度比為3∶1

當硬巖層厚度與軟巖層厚度之比為3∶1時, 3下煤層開采后,當推進距離小于20 m時,覆巖無垮落現象,只發生彎曲下沉;當推進距離為30 m時,3下煤層頂板發生大面積垮落,垮落帶高度大于層間距,約為17.2 m,受垮落帶影響,3上煤層破壞嚴重;工作面繼續推進,垮落帶繼續向上擴展,當推進距離大于50 m時,采空區被冒落矸石充填,垮落帶高度不再變化,其值約為18.8 m。

3.3.2 硬巖與軟巖厚度比為2∶1

當硬巖層厚度與軟巖層厚度之比為2∶1時, 3下煤層開采后,當推進距離小于20 m時,覆巖無垮落現象,只發生彎曲下沉;當推進距離為30 m時,3下煤層頂板發生大面積垮落,垮落帶高度約為10.3 m;工作面繼續推進,垮落帶繼續向上擴展,當推進距離為40 m時,垮落帶高度約為13.7m,受垮落帶影響,3上煤層破壞嚴重;當推進距離大于50 m時,采空區被冒落矸石充填,垮落帶高度不再變化。

3.3.3 硬巖與軟巖厚度比為1∶1

當硬巖層厚度與軟巖層厚度之比為1∶1時, 3下煤層開采后,當推進距離小于20 m時,覆巖無垮落現象,只發生彎曲下沉;當推進距離為30 m時,3下煤層頂板發生大面積垮落,垮落帶高度約為13.5 m;工作面繼續推進,垮落帶高度繼續向上擴展,當推進距離為40 m時,垮落帶高度約為14.2 m,受垮落帶影響,3上煤層破壞嚴重;當推進距離大于50 m時,采空區被冒落矸石充填,垮落帶高度不再變化。

3.3.4 硬巖與軟巖厚度比為1∶2

當硬巖層厚度與軟巖層厚度之比為1∶2時, 3下煤層開采后,當推進距離為10 m時,覆巖無垮落現象;當推進距離為20 m時,層間硬巖全部垮落,軟巖部分垮落,垮落高度約為7.9 m;當推進距離為30 m時,垮落高度約為10 m;工作面繼續推進,采空區被冒落矸石充填壓實,垮落帶高度不再變化。

3.3.5 硬巖與軟巖厚度比為1∶3

當硬巖層厚度與軟巖層厚度之比為1∶3時, 3下煤層開采后,當推進距離為10 m時,覆巖無垮落現象;當推進距離為20 m時,層間硬巖全部垮落,軟巖部分垮落,垮落高度約為7.6 m;當推進距離為30 m時,垮落高度約為8.1 m;工作面繼續推進,采空區冒落矸石充填壓實,垮落帶高度不再變化。

3.4 上硬下軟巖層間結構

3.4.1 硬巖與軟巖厚度比為3∶1

當硬巖層厚度與軟巖層厚度之比為3∶1時, 3下煤層開采后,當推進距離為10 m時,軟巖基本全部垮落,垮落高度約為2.8 m;當推進距離為20 m時,軟巖不完全垮落,硬巖只產生裂隙;工作面繼續推進,垮落帶高度向上延伸,當推進距離為40 m時,垮落帶高度約為4 m;推進距離大于50 m時,采空區冒落矸石充填壓實,垮落帶高度不再變化。

3.4.2 硬巖與軟巖厚度比為2∶1

當硬巖層厚度與軟巖層厚度之比為2∶1時, 3下煤層開采后,當推進距離為10 m時,軟巖基本全部垮落,垮落高度約為3.2 m;當推進距離為20 m時,軟巖不完全垮落,硬巖只產生裂隙;工作面繼續推進,垮落帶繼續向上延伸,當推進距離為40 m時,垮落帶高度約為6.3 m;推進距離大于50 m時,采空區冒落矸石充填壓實,垮落帶高度不再變化。

3.4.3 硬巖與軟巖厚度比為1∶1

當硬巖層厚度與軟巖層厚度之比為1∶1時, 3下煤層開采后,當推進距離為10 m時,軟巖未全部垮落,垮落高度約為3.8 m;當推進距離為20 m時,軟巖不完全垮落,硬巖只產生裂隙;工作面繼續推進,垮落帶高度向上延伸,當推進距離為40 m時,垮落帶高度約為6.7 m;推進距離大于50 m時,采空區冒落矸石充填壓實,垮落帶高度不再變化。

3.4.4 硬巖與軟巖厚度比為1∶2

當硬巖層厚度與軟巖層厚度之比為1∶2時, 3下煤層開采后,當推進距離為10 m時,軟巖部分垮落,垮落高度約為4 m;當推進距離為20 m時,軟巖垮落不完全,硬巖只產生裂隙;工作面繼續推進,垮落帶高度向上延伸,當推進距離為50 m時,垮落帶高度約為8 m;推進距離大于60 m時,采空區冒落矸石充填壓實,垮落帶高度不再變化。

3.4.5 硬巖與軟巖厚度比為1∶3

當硬巖層厚度與軟巖層厚度之比為1∶3時, 3下煤層開采后,當推進距離為10 m時,軟巖部分垮落,垮落高度約為4.2 m;當推進距離為20 m時,軟巖垮落不完全,硬巖只產生裂隙;工作面繼續推進,垮落帶高度向上延伸,當推進距離為40 m時,垮落帶高度約為9.1 m;推進距離大于60m時,采空區冒落矸石充填壓實,垮落帶高度不再變化。

綜上,當層間結構為上硬下軟情況時,隨著下部軟巖厚度的增加,3下煤層開采后形成的垮落高度逐漸增大,增加幅度較上軟下硬情況小。

4 層間巖性結構對覆巖變形及破壞的影響機制

從數值模擬結果可知,煤層間的巖性結構、厚度及其組合分布情況決定覆巖的垮冒和失穩特征,因而會造成上煤層不同的完整性狀況。因此,下層煤開采后上層煤是否處于垮落帶上位的規則垮落帶或下位裂隙帶主要取決于間隔層的巖性結構、厚度及其組合分布情況。

不同巖性組合條件下的覆巖垮落帶高度值見表3。

對表3中的結果進行回歸分析,得出不同巖性構成時覆巖垮落帶高度和層間軟硬巖厚度比的關系曲線,如圖1所示。

覆巖垮落帶高度與層間軟硬巖厚度比值關系可分別表示為:

式中:Hm——覆巖垮落帶高度,m;

Hr——軟巖厚度,m;

Hy——硬巖厚度,m。

式(1)適用于上軟下硬層間結構,式(2)適用于上硬下軟層間結構。

表3 不同巖性構成時覆巖垮落帶最大高度值

圖1 軟硬巖厚度之比變化對覆巖垮落帶高度的影響

由圖1可以看出,當層間巖性為上軟下硬結構時,在煤層厚度及層間距不變的條件下,隨著下位巖層厚度的逐漸增大,垮落帶高度呈遞增趨勢。而上硬下軟結構更有利于減小垮落帶影響范圍,也將更有利于上位煤層的開采。

根據回歸分析式(1)和(2),即可根據層間巖性結構判斷出垮落帶的最大高度。

5 結論

(1)層間巖性呈不同的組合分布狀況,如上軟下硬和上硬下軟分布對覆巖垮落帶高度有不同的影響。兩者相比較而言,上硬下軟結構條件更有利于減小垮落帶影響范圍,也將更有利于上位煤層的開采。

(2)根據層間軟硬巖層厚度的比值和覆巖垮落帶高度相關關系,即可判斷覆巖垮落帶高度的大小,從而為該條件下上行開采的可行性提供定量條件進行判定。

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(責任編輯 張毅玲)

24項涉煤行業標準將自2015年9月1日起實施

依據《國家能源局關于印發〈能源領域行業標準化管理辦法(試行)〉及實施細則的通知》有關規定,經審查,國家能源局批準203項行業標準,包括能源標準106項和電力標準97項,自2015年9月1日起實施。

其中,涉煤行業標準有低煤階煤層含氣量測定方法、煤的多組分氣體等溫吸附實驗方法、煤層氣的取樣和組分分析方法、煤層氣地震資料處理成果驗收規范、煤層氣測井作業規范、煤炭工業礦井施工組織設計規范、煤礦地震透射圍巖檢測方法、煤礦井巷工作面注漿工程施工與驗收規范等24項。

Research on the overlying strata caving law of different lithologic combinations between rock layers

Dong Hongkai1,2,Liu Gongjun2
(1.China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute, Jiulongpo,Chongqing 400039,China; 2.Guizhou Anhe Mining Technology Engineering Co.,Ltd,Guiyang,Guizhou 550023,China)

In order to discuss the overlying strata movement and deformation law of different lithological combinations between rock layers,the author conducted a study by using UDEC software on the motion law of overlying strata with different lithological combinations after coal mining on the engineering background of the first mining area in Guotun Coal Mine.The research results showed that the deflection of overlying rock and the height of caving zone were closely related to the combinations of soft and hard overlying rocks,then the author provided the relational expression of the specific value of the maximum height of caving zone and the thickness of soft and hard rocks.

coal mining,upward mining,overlying strata,lithological structure,caving zone

TD 327

A

董洪凱(1985－),男,山東濰坊人,工程師,中煤科工集團重慶研究院有限公司瓦斯分院主任,現從事煤礦瓦斯災害防治和煤層氣開發利用技術研究工作。