準東巨厚煤層分層開采覆巖移動規(guī)律相似模擬試驗?

婁 芳,王 震,賈永勇,金士魁

(1.新疆維吾爾自治區(qū)煤炭科學研究所, 新疆烏魯木齊 830091; 2.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院, 江蘇徐州市 221116)

準東巨厚煤層分層開采覆巖移動規(guī)律相似模擬試驗?

婁 芳1,2,王 震1,賈永勇1,金士魁1

(1.新疆維吾爾自治區(qū)煤炭科學研究所, 新疆烏魯木齊 830091; 2.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院, 江蘇徐州市 221116)

針對新疆準東大井礦區(qū)二號井B1煤層賦存地質特征,運用關鍵層理論對其覆巖結構進行判斷分析,采用試驗研究的方法建立相似模擬試驗模型,研究巨厚煤層分層開采過程中覆巖破斷、沉降規(guī)律。試驗結果表明:巨厚煤層分層開采覆巖破壞高度達到221.24 m,其中跨落帶98.3m,裂隙帶138.2m;基本頂及各亞關鍵層破斷失穩(wěn)后急劇下沉,隨工作面的推進不斷被壓實、巖層間離層(橫向裂隙)逐漸閉合,形成具有一定承載能力的“鉸接結構”,當?shù)谌謱踊夭赏戤?主關鍵層下部與下位巖層的離層空間達到最大。

巨厚煤層;分層開采;覆巖移動規(guī)律;相似模擬

0 引 言

目前,國內(nèi)外很多學者在厚煤層開采技術方面做了大量的研究,尤其是對厚煤層開采的基礎研究與現(xiàn)場實踐均積累了豐富的研究成果,但大多數(shù)研究成果主要集中在20m厚以下煤層,而對賦存超過20m的巨厚煤層開采研究較少。新疆準東煤田位于新疆準噶爾盆地東部的奇臺、吉木薩爾等縣境內(nèi),資源預測儲量達3900億t,是中國目前最大的整裝煤田[1]。準東煤田分為五彩灣、大井、西黑山和將軍廟4個礦區(qū),其中大井礦區(qū)位于準東中部,礦區(qū)內(nèi)主要含煤地層為中侏羅統(tǒng)西山窯組,主要發(fā)育1個煤層,厚度19～87m,為巨厚煤層。針對礦區(qū)內(nèi)巨厚煤層賦存條件,目前設計采用分層綜放開采工藝,未來該巨厚煤層將面臨“大尺度開采空間”及“多次重復開采擾動”等現(xiàn)象[2],這使得巨厚煤層開采的技術顯著區(qū)別于中厚煤層開采。應用傳統(tǒng)的厚煤層開采理論已經(jīng)難以適應巨厚煤層開采的需要,因此目前亟需相應的理論指導來確保巨厚煤層安全高效開采。本研究針對準東礦區(qū)巨厚煤層的地質賦存特征展開深入研究,這不但能夠進一步豐富巨厚煤層理論體系,為巨厚煤層安全高效開采提供理論依據(jù),而且可為礦區(qū)開采地表沉陷控制、脆弱生態(tài)區(qū)保水開采等提供參考借鑒,對國家能源戰(zhàn)略西部轉移及可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。

1 工程概況

準東大井礦區(qū)二號井處于礦區(qū)中南部,規(guī)劃規(guī)模為30.0Mt/a。其主采煤層為B1煤層,可采厚30.30～70.57m,平均53.16m,屬全區(qū)可采、穩(wěn)定的巨厚煤層,煤層傾角較緩,僅1°～3°,局部較陡,最大約6°。煤層頂板為粗－中砂巖、細砂巖、泥巖、含炭泥巖為主,個別為粉砂質泥巖、砂礫巖、高炭泥巖、含礫粗砂巖。根據(jù)煤層賦存特點,設計采用分層綜放采煤方法,全部垮落法管理頂板。B1煤層上覆巖層的賦存情況及物理力學參數(shù)見表1。

2 覆巖關鍵層判別

2.1 關鍵層判別方法

根據(jù)關鍵層理論[3-5],關鍵層判別方法分為以下3個步驟進行:

第1步,由下往上確定覆巖中的堅硬巖層位置,堅硬巖層是指那些在變形中撓度小于其下部巖層,而不與其下部巖層協(xié)調(diào)變形的巖層,其判別式為:

式中,hi,Vi,Ei分別為第i巖層的厚度、容重、彈性模量(i＝1,2……m)。

第2步,計算各硬巖層的破斷距,硬巖層破斷距采用兩端固支梁模型計算,則第k層硬巖層破斷距Lk可由下式計算:

式中,hk為第k層硬巖層的厚度,m;ek為第k層硬巖層的抗拉強度,MPa;qk為第k層硬巖層承受的載荷,MPa。

第3步,按以下原則對各硬巖層的破斷距進行比較,確定關鍵層位置。

(1)第k層硬巖層若為關鍵層,其破斷距應小于其上部所有硬巖層的破斷距,即滿足:

(2)若第k層硬巖層破斷距Lk大于其上方第k＋1層硬巖層破斷距,則將第k＋1層硬巖層承受的載荷加到第k層硬巖層上,重新計算第k層硬巖層的破斷距。若重新計算的第k層硬巖層的破斷距小于第k＋1層硬巖層的破斷距,則取Lk＝Lk＋1;說明此時第k層硬巖層破斷受控于第k＋1層硬巖層,即第k＋1層硬巖層破斷前,第k層硬巖層不破斷,一旦第k＋1層硬巖層破斷,其載荷作用于第k層硬巖上,導致第k層硬巖隨之破斷。

(3)從最下一層硬巖層開始逐層往上判別Lk＜k＋1,(k＝1,2,…)是否成立,及當Lk＞Lk＋1時重新計算第k層硬巖層破斷距。

2.2 關鍵層判別結果

根據(jù)關鍵層的判別條件,結合表2中B1煤層上覆巖層分布情況,確定了B1煤上覆巖層各個關鍵層,計算結果見表2。

表1 B1煤層上覆巖層賦存情況及物理力學參數(shù)

表2 關鍵層判定結果

3 巨厚煤層分層開采相似模擬試驗

3.1 物理相似模型的建立

物理模型鋪設規(guī)格為:長×寬×高＝3.0m× 0.3m×1.75m,結合確定的物理模型規(guī)格,運用相似理論三定律,確定模型的主要相似系數(shù):幾何比為al＝200;容重比ar＝1.6;時間比at＝10;材料強度相似比為aR＝al×ar＝320:模型兩端留設50cm的邊界煤柱,相當于實際100m,煤層分層開采長度為200cm,等于實際情況下開采長度400m。煤層采用下行分層開挖模式,共分3層,分層采高18m,煤層分層開采煤層開切眼位于模型左側,自左向右開挖工作面,每次開挖5cm等于實際情況下每天工作面開采10m。

根據(jù)相似材料選擇及其配比的相關基本原理,物理模擬試驗中以水、碳酸鈣、沙子和石膏為相似材料,按強度相似比ar＝320配成,參考B1煤層覆巖實際巖石力學參數(shù),相似模擬材料配比方案如表3所示。

為監(jiān)測田B1巨厚煤層不同巖層位移變化特征,在模型主要巖層布置了6條位移監(jiān)測線,其中測線1位于直接頂下部,測線2位于老頂上部,測線3,4分別位于亞關鍵層2、亞關鍵層3,在主關鍵層上部及下步分別布置2條測線。每條監(jiān)測線設置29個測點,覆巖位移的監(jiān)測采用DigiMetric天遠三維攝影測量系統(tǒng),模型各測點及位移監(jiān)測線具體布置方案如圖1所示。

3.2 模擬結果分析

3.2.1 覆巖破壞特征模擬結果分析

當工作面推進至25m時,直接頂垮落,見圖2;隨著工作面的向前推進,直接頂跨落范圍不斷增加,造成基本頂懸露面積加大,基本頂下步巖層開始失穩(wěn)破斷,當工作面向前推進55m時基本頂初次垮落,工作面發(fā)生初次來壓,見圖3,基本頂初次來壓跨落步距約50～65m。推進至100m時,基本頂再次垮落,工作面第二次周期來壓;隨工作面推進,距離工作面后方較遠處采空區(qū)冒落帶逐漸壓實,其上方巖層移動趨于穩(wěn)定,裂隙基本不再發(fā)育,而工作面附近覆巖裂隙隨工作面推進而不斷增大。此后基本頂發(fā)生周期性斷裂,周期來壓步距約為40～45m,破斷的基本頂形成具有一定穩(wěn)定性的“鉸接”結構。

表3 相似材料配比

第一分層開挖完畢,亞關鍵層1發(fā)生破斷,裂隙發(fā)育高度延伸到亞關鍵層3的下部,但亞關鍵層3的下沉變形量不大,仍保持較好的連續(xù)性,垮落帶達到亞關鍵層2下部,跨落區(qū)呈梯形分布。第一分層回采完畢后,垮落帶高度為36m,裂隙帶高度55 m。如圖4所示。

圖1 測線布置

圖2 直接頂初次跨落

圖3 基本頂初次跨落

圖4 第一分層回采完畢

待第一分層回采結束覆巖運動穩(wěn)定之后,進行第二分層開挖。由于第二分層第一分層的采空區(qū)下方,處于應力降低區(qū),第二分層的周期來壓沒有第一分層明顯。第二分層工作面直接頂為第一分層回采后冒落矸石,相對比較松散,隨第二分層工作面的推進,頂板隨采隨冒。受二次采動的影響,基本頂在第一分層回采時形成的鉸接結構進一步破斷,工作面推進120m時亞關鍵層2下沉量迅速增大,導致其失穩(wěn)破斷。第二分層開挖結束后裂隙帶發(fā)育到主關鍵層下部,垮落帶進一步增加達到54m。

第三分層開挖后,煤層采出的空間進一步增大,對上覆巖層再次造成擾動。隨工作面的推進,采空區(qū)上方頂板巖層冒落并最終被上覆巖層壓實,上覆巖層產(chǎn)生更大彎曲下沉,導致覆巖破壞高度繼續(xù)向上發(fā)育。當工作面推進160m時,亞關鍵層3的位移急劇增加,亞關鍵層3發(fā)生破斷。如圖5所示,隨著第三分層繼續(xù)開挖,裂隙逐漸發(fā)展到主關鍵層的下部,且主關鍵層與其下部巖層產(chǎn)生較大的離層空間,第三分層開挖結束后,主關鍵層沒有破斷,主關鍵層的存在有效阻止了裂隙繼續(xù)向上發(fā)育,對上覆巖層起著主要的支撐作用。

3.2.2 覆巖位移變化模擬結果分析

隨各分層開采完畢,直接頂、亞關鍵層2及主關鍵層的下沉曲線。直接頂最大下沉量隨各分層的開采逐步增加,增大幅度基本一致;亞關鍵層2在第二分層開采時失穩(wěn)破斷,其二分層下沉量相對第一分層急劇增加,但二、三分層開采后亞關鍵層2下沉量變化不大,表明其下位巖層基本頂和亞關鍵層1形成了具有一定承載能力的“鉸接結構”;主關鍵層在3個分層開采后下沉量變化不大,表明主關鍵層僅發(fā)生彎曲變形,沒有破斷。見圖6～圖8。

圖6 各分層開采后直接頂下沉曲線

圖7 各分層開采后關鍵層2下沉曲線

圖8 各分層開采后主關鍵層下沉曲線

4 結 論

(1)結合B1巨厚煤層覆巖分布特征,利用關鍵層及材料力學等相關理論確定了B1煤層上覆巖層共賦存四層主亞關鍵層,分別為亞關鍵層1(細砂巖,8.4m)、亞關鍵層2(細砂巖,15m)、亞關鍵層3 (粉砂巖7.0m)及主關鍵層(中砂巖,49m),距離煤層頂板高度分別為20.8,38.4,105.2m及141.5m。

(2)通過物理相似模擬試驗,B1巨厚煤層第一分層回采完畢亞關鍵層1發(fā)生破斷,裂隙帶迅速發(fā)育至亞關鍵層2下部,覆巖破壞高度為105.11m (垮落帶高度36m,裂隙帶高度70.1m);第二分層的開采導致亞關鍵層2破斷,覆巖破壞高度增大到182.5m,其中跨落帶52.3m,裂隙帶130.2m;第三分層開采亞關鍵層3破斷,覆巖破壞高度向主關鍵發(fā)育,主關鍵層下部產(chǎn)生明顯裂隙,但隨著第三分層的開采主關鍵層并沒有失穩(wěn),覆巖破壞高度達到221.24m,其中跨落帶98.3m,裂隙帶138.2m。

(3)基本頂及各亞關鍵層破斷失穩(wěn)后急劇下沉,隨工作面的推進不斷被壓實、巖層間離層(橫向裂隙)逐漸閉合,形成具有一定承載能力的“鉸接結構”,而“鉸接結構”上位巖層間離層(橫向裂隙)繼續(xù)發(fā)育,當?shù)谌謱踊夭赏戤?主關鍵層下部與下位巖層的離層空間達到最大,為了防止主關鍵層破斷導致地表大面積下沉以及工作面發(fā)生大面積來壓,建議在該關鍵層下部離層區(qū)注漿以維護主關鍵層的穩(wěn)定性。縱向裂隙在停采線出發(fā)育顯著,該處應加強礦井突水防治措施。

[1]新疆準東成我國最大整裝煤田[N].亞洲中心時報(漢), 2009-06-02.

[2]許猛堂.新疆巨厚煤層開采覆巖活動規(guī)律及其控制研究[D].徐州:中國礦業(yè)大學,2014.

[3]錢鳴高,繆協(xié)興.巖層控制中的關鍵層理論研究[J].煤炭學報,1996(3):225-230.

[4]錢鳴高,繆協(xié)興,許家林,等.巖層控制的關鍵層理論[M].徐州:中國煤炭出版社,2003.

[5]許家林,錢鳴高.覆巖關鍵層位置的判別方法[J].中國礦業(yè)大學報,2000,29(5):464-467.

2017-04-28)

婁 芳(1983－),男,山西沁源人,工程師,現(xiàn)主要從事礦山壓力與巖層控制方面的研究,Email:17015536＠

新疆自治區(qū)科研機構創(chuàng)新發(fā)展專項資金項目(2015013).

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