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★ 科技与工程 ★

浅埋薄基岩重复采动条件下“两带”高度发育规律实测研究

冉星仕1 于秋鸽2,3

(1.神木县隆德矿业有限责任公司,陕西省榆林市,719316;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京市朝阳区,100013;3.煤炭科学研究院有限公司开采研究分院,北京市朝阳区,100013)

摘 要 为了研究浅埋薄基岩重复采动条件下覆岩“两带”高度发育规律,以隆德煤矿实际地质采矿条件为工程背景,采用理论计算、现场实测的分析方法研究了隆德煤矿101工作面单一煤层开采及209工作面重复采动条件下的“两带”高度发育规律。研究结果表明:浅埋薄基岩煤层单一工作面开采的垮采比为5.34~5.64,裂采比16.31~16.66,与理论值相近,厚及巨厚坚硬岩层对导水裂缝隙带发育具有抑制作用;重复采动条件下,上部煤层的垮采比增大,下部煤层垮采比减小,现行采煤规范中重复采动条件下的“两带”高度计算公式忽略了两层煤的相互影响;隆德煤矿浅埋薄基岩条件下101、209工作面重复开采的导水裂缝隙带高度约为90.31~99.95 m,裂采比为22.58~24.99。

关键词 浅埋薄基岩 重复采动 两带高度 发育规律 安全开采

煤层开采以后,上覆岩层平衡状态遭到破坏,覆岩垮落、移动、变形形成垮落带、裂缝隙带和弯曲下沉带,垮落带和裂缝隙带合称导水裂缝隙带,当导水裂缝隙带波及煤层顶板水体时将造成工作面淋水增多,严重时发生工作面突水、溃砂,危及矿井安全生产[1]。因此,准确观测导水裂缝隙带的顶点位置对防止地下水流失及矿井突水事故具有重要的指导意义。目前,针对单层煤开采造成的导水裂缝隙带高度发育规律,国内外学者作了大量的研究工作并取得丰硕的研究成果。基于相似模拟和现场实践,刘天泉[2]提出采动影响线下覆岩存在“横三区”、“竖三带”,归纳得出了导水裂缝隙带高度经验公式;钱鸣高[3]对上覆岩层采动裂隙分布特征进行研究,揭示了长壁工作面覆岩采动裂隙的两阶段发展规律与“O”形圈分布特征;黄庆享[4]通过陕北浅埋煤层保水开采实践,认为采动覆岩裂隙主要由上行裂隙和下行裂隙构成,采动裂缝隙带的导通性决定着覆岩隔水层的稳定性;马立强[5]对神东矿区沙基型薄基岩浅埋煤层覆岩导水通道分布特征展开研究,得到了裂隙演化机理、发育过程及分布特征;Palchik V[6]发现长壁开采覆岩裂隙和形态方面存在3个不同的移动带。随着矿井开采逐渐向深部延伸,不可避免会遇到重复采动问题。重复采动影响下与普通地质条件下“两带”高度发育规律具有显著差别,尤其当上覆基岩较薄时,采动造成的导水裂缝隙带更容易波及地表松散层裂隙水。目前,关于浅埋深薄基岩水体下重复采动引起的覆岩破坏规律研究较少。王振荣等[7]通过对布尔台煤矿重复采动形成的“两带”高度进行现场实测发现多煤层重复采动条件下的裂采比可达24.02;王庆照等[8]研究了厚煤层重复采动条件下的覆岩破坏规律,得到下部煤层开采造成的覆岩裂缝隙带发育高度随着上部煤层采空区形成时间的增加而降低。笔者以隆德煤矿101工作面和209工作面下行开采为背景,对浅埋薄基岩重复采动造成的覆岩破坏规律进行研究。

1 隆德煤矿地质采矿条件

隆德煤矿位于陕西省榆林市神木县境内,现生产能力5.0 Mt/a。隆德煤矿101工作面是1-1号煤层首采工作面,位于隆德煤矿西翼采区,工作面斜长288.9 m,推进长度2529 m,煤层厚度1.40~2.46 m,平均1.88 m,设计采高2.15 m,煤层平均埋深153 m,为近水平煤层。101工作面下部的2-2号煤层209工作面斜长300 m,推进长度3477 m,煤层厚度3.3~4.7 m,平均厚度4.17 m,设计采高4.0 m,煤层平均埋深210 m,为近水平煤层。101工作面和209工作面的相对位置关系如图1所示。

图1 101工作面与209工作面的相对位置关系

101工作面与209工作面上覆地表为毛乌素沙漠风积砂覆盖层,平均厚度45 m左右,为区内中等至强富水含水层。101工作面上覆岩层基岩厚度小于150 m并且无坚硬关键层存在,101工作面与209工作面之间基岩厚度约为57 m,采厚大,基岩薄,属于典型的浅埋薄基岩煤层开采[9-10]。开采后的覆岩破坏高度可能导通地表风积砂裂隙水含水层,造成矿井涌水量急剧增加、地表水位大幅下降等问题。

2 重复采动条件下的“两带”高度理论计算

101工作面开采以后,开采209工作面,属于重复采动问题。按照《建筑物下、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》(简称“《三下采煤规范》”)要求,当上下两层煤的最小垂距大于回采下煤层的垮落带高度时,上下两层煤的导水裂缝带高度可按照两层煤的厚度分别计算,取其中标高最高者作为两层煤开采的导水裂缝带最大高度;当下层煤开采的垮落带接触或者完全进入上层煤范围内时,上层煤的导水裂缝带高度按照本层煤的采厚计算,下层煤的导水裂缝带高度则应取上下层煤的综合开采厚度计算[11]。根据钻孔柱状图,工作面上覆岩层厚度及实测岩性参数如表1所示。

表1 工作面上覆岩层厚度及其岩性参数

岩性厚度/m抗压强度/MPa风积砂27.000红土25.502.145细粒砂岩3.0015.532粉砂岩15.9023.362细粒砂岩3.6018.750粉砂岩22.8038.005细粒砂岩15.0038.131粉砂岩18.0045.931泥岩1.2018.835粉砂岩8.0029.613细粒砂岩2.6010.592粉砂岩3.0029.613细粒砂岩4.9010.592中粒砂岩2.4021.6301-1号煤层2.1515.000泥岩3.0018.835粉砂岩8.0029.613细粒砂岩9.2042.375粉砂岩8.6058.432细粒砂岩21.0037.968粉砂岩4.3050.5752-2号煤层4.0015.000

工作面上覆岩层综合抗压强度P满足:

P

(1)

式中:pi——各分层岩层抗压强度,MPa;

hi——各分层岩层厚度,m;

h——209工作面上覆岩层总厚度,m。

将表1中的岩层厚度及其抗压强度代入式(1)计算出209工作面上覆岩层综合抗压强度为26.383 MPa,属于中硬偏软岩层。煤层倾角<55°、煤层厚度为3~12 m的中硬岩层单一煤层开采上覆岩层垮落带高度Hk、裂缝带高度Hli[12]

式中:M——煤层厚度,m。

将209工作面煤层厚度M=4 m代入式(2)得到209工作面单一煤层开采覆岩垮落带最大高度为29 m,而209工作面与101工作面之间的基岩厚度约为57 m,209工作面开采覆岩垮落带未接触101工作面。因此,上下两层煤的导水裂缝带高度可按照两层煤的厚度分别计算,取其中标高最高值作为两层煤开采的导水裂缝带最大高度。

101工作面煤层厚度为2.15 m,当煤层倾角小于55°、煤层厚度M小于3 m时,中硬岩层单一煤层开采上覆岩层垮落带高度Hk、裂缝带高度Hli为:

将101工作面采厚M=2.15 m代入式(4)、(5)得到101工作面开采覆岩垮落带高度最大为9.59 m,裂缝带最大高度为39.33 m,垮采比为4.46、裂采比为18.6。将209工作面采厚M=4 m代入式(2)、(3)得到209工作面开采覆岩垮落带高度最大为29 m,裂缝带最大高度为90 m,垮采比为7.25、裂采比为22.5。重复采动后,最大导水裂缝带高度为101工作面采后导水裂缝带发育顶点。

3 重复采动条件下的“两带”高度实测分析

为了获得101、209工作面开采过程中覆岩破坏的“两带”高度发育规律,采用钻孔冲洗液漏失量观测、钻孔水位观测、钻进异常现象观测对“两带”发育高度进行现场实测[13-14]。本着既能准确反映101工作面单层开采,又能准确反映重复开采后的覆岩破坏高度及形态的原则,在101、209工作面范围内分别布设5个采后“两带”观测孔。在101工作面已采区域和下伏209工作面未采区域布置2个101工作面采后“两带”观测钻孔ZK01、ZK02;在101、209工作面重复开采区布置了3个观测钻孔ZK03、ZK04、ZK05,钻孔与工作面的相对位置关系如图2所示。

图2 钻孔与工作面的相对位置关系

ZK01孔的钻孔冲洗液漏失量及钻孔水位变化如图3所示。

图3 ZK01钻孔冲洗液漏失量及水位变化

在孔深113.65 m开始出现钻孔冲洗液消耗量大幅增加,至118.30 m全部漏失;在孔深128.18 m提钻后钻孔水位全部消失,表明自113.65 m开始覆岩受到较明显的采动破坏性影响,增加了岩层渗透性,使得钻孔冲洗液漏失量大幅增加。钻进至136.60 m后多次出现掉钻现象,钻探岩芯破碎杂乱是进入垮落带后的典型特征[15]。ZK01孔处的101工作面顶板埋深为148.72 m。经综合分析计算,ZK01孔观测到的导水裂缝带顶点的孔深为113.65 m,导水裂缝带高度为35.07 m,裂采比为16.31;垮落带顶点的孔深为136.6 m,垮落带高度为12.12 m,垮采比为5.64。

ZK02孔的钻孔冲洗液漏失量及钻孔水位变化如图4所示。

图4 ZK02钻孔冲洗液漏失量及水位变化

在孔深104.48 m开始出现钻孔冲洗液消耗量大幅增加;在孔深121.43 m提钻后钻孔水位全部消失;钻进至128.8 m处,孔内出现掉钻现象。ZK02孔处的101工作面煤层顶板埋深为140.29 m。经综合分析计算,ZK02孔观测到的导水裂缝带顶点的孔深为104.48 m,导水裂缝带高度为35.81 m,裂采比为16.66;垮落带顶点的孔深为128.80 m,垮落带高度为11.49 m,垮采比为5.34。

ZK03孔的钻孔冲洗液漏失量及钻孔水位变化如图5所示。在孔深118.79 m开始出现钻孔冲洗液消耗量大幅增加;在孔深132.51 m提钻后钻孔水位全部消失;在138.90 m和188.50 m两段孔内出现掉钻现象、钻探岩芯破碎杂乱。ZK03孔处101工作面顶板埋深约153.00 m,209工作面顶板埋深209.10 m。经综合分析计算,ZK03孔观测到的导水裂缝带顶点的孔深为118.79 m。101工作面垮落带顶点的孔深为138.90 m,垮落带高度为14.10 m,垮采比为6.56;209工作面垮落带顶点的孔深为188.50 m,垮落带高度为20.60 m,垮采比5.15; 209工作面重复开采的导水裂缝带高度为90.31 m,裂采比为22.58。

图5 ZK03钻孔冲洗液漏失量及水位变化

ZK04孔的钻孔冲洗液漏失量及钻孔水位变化如图6所示。在孔深114.83 m开始钻孔冲洗液消耗量大幅增加;在孔深131.49 m提钻后钻孔水位全部消失;在139.66 m和184 m两段孔内出现掉钻现象、钻探岩芯破碎杂乱。ZK04钻孔处101工作面顶板埋深约153 m,209工作面顶板埋深为210.20 m。经综合分析计算,ZK04孔观测到的导水裂缝带顶点的孔深为114.83 m。101工作面垮落带顶点的孔深为139.66 m,垮落带高度为13.34 m,垮采比为6.20;209工作面垮落带顶点的孔深为184 m,垮落带高度为26.2 m,垮采比6.55; 209工作面重复开采的导水裂缝带高度为95.37 m,裂采比为23.84。

图6 ZK04钻孔冲洗液漏失量及水位变化

ZK05孔的钻孔冲洗液漏失量及钻孔水位变化如图7所示。在孔深111.05 m开始出现钻孔冲洗液消耗量大幅增加;在孔深125.39 m提钻后出现钻孔水位全部消失;在137.91 m和179 m两段孔内出现掉钻现象、钻探岩芯破碎杂乱。ZK05钻孔处101工作面顶板埋深约153 m,209工作面顶板埋深约211 m。经综合分析计算,ZK05孔观测到的导水裂缝带顶点的孔深为111.05 m。101工作面垮落带顶点的孔深为137.91 m,垮落带高度为15.09 m,垮采比为7.02;209工作面煤垮落带顶点的孔深为179 m,垮落带高度为32 m,垮采比8;209工作面重复开采的导水裂缝带高度为99.95 m,裂采比为24.99。

通过现场实测可知,隆德煤矿101工作面单一煤层开采的垮采比为5.34~5.64,裂采比为16.31~16.66,与101工作面单一煤层开采理论值相近;重复采动条件下,101工作面的垮采比为6.20~7.02,相对于101工作面单一煤层开采而言,垮采比增加,这是因为下部209工作面重复开采对上覆101工作面采空区进一步扰动,导致垮落带高度增加。重复采动条件下,209工作面的垮采比为5.15~8.00,与209工作面单一煤层开采理论值相比,垮采比普遍减小,这是因为101工作面开采后下部209工作面处于卸压区,导致垮落带高度减小 [16];当上下煤层间距大于下层煤的垮落带高度时,《三下采煤规范》中重复采动条件下的“两带”计算公式没有考虑到下部煤层开采对上部已采煤层采空区的二次扰动以及上部煤层采空后对下部煤层的卸压作用。

图7 ZK05钻孔冲洗液漏失量及水位变化

通过ZK03、ZK04、ZK05钻孔所测得到的101工作面垮采比分别为6.56、6.20、7.02,由于ZK03、ZK05分别位于209工作面边界,而ZK04位于工作面中部,工作面边界位置处的垮采比大于工作面中部,呈“马鞍形”分布,而在209工作面重复开采后ZK03、ZK04、ZK05钻孔所测得到的209工作面裂采比分别为22.58、23.84、24.99,“马鞍形”分布特征不明显。101工作面单一煤层开采后ZK01、ZK02钻孔位置处的垮落带高度分别为12.12 m、11.49 m,垮落带发育至1号煤层上部8 m厚硬粉砂岩下部,导水裂缝带高度发育至1号煤层上部18 m厚硬粉砂岩,209工作面重复开采后,101工作面垮落带进入1号煤层上部8 m厚硬粉砂岩但未穿透,209工作面垮落带发育至2号煤层上部21 m厚硬细粒砂岩,导水裂缝带发育至1号煤层上部18 m厚硬粉砂岩,由此可见不仅软弱、遇水膨胀类岩层对导水裂缝带发育高度具有抑制作用,厚及巨厚坚硬岩层对导水裂缝带发育同样具有抑制作用。

4 结论

(1)通过钻孔冲洗液漏失量及钻孔水位变化实测得到101工作面单一煤层开采的垮落带高度为11.49~12.12 m,垮采比为5.34~5.64,导水裂缝带高度为35.07~35.81 m,裂采比16.31~16.66,与理论值相近,垮落带和导水裂缝隙带均发育至厚及坚硬岩层,不仅软弱、遇水膨胀类岩层对导水裂缝隙带发育具有抑制作用,厚及巨厚坚硬岩层同样对导水裂缝隙带发育具有抑制作用。

(2)由于重复采动条件下,下部209工作面开采对101工作面采空区的二次扰动作用以及101采空区对209工作面开采的卸压作用,101工作面的垮采比为6.20~7.02,大于101工作面单一煤层开采垮采比,209工作面的垮采比为5.15~8.00,小于209工作面单一煤层开采垮采比;《三下采煤规范》中类似条件下的“两带”高度计算公式忽略了重复采动条件下,两层煤的相互影响。

(3)隆德煤矿浅埋薄基岩条件下101、209工作面重复开采的导水裂缝隙带高度约为90.31~99.95 m,裂采比为22.58~24.99,可为西北地区浅埋薄基岩重复采动条件下的安全开采和保水开采提供一定借鉴。

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Field research on height development law of "two zones" under repeated mining with shallow-buried thin bedrock

Ran Xingshi1, Yu Qiuge2,3

(1.Shenmu Longde Mining Co., Ltd., Yulin, Shaanxi, 719316, China; 2. Coal Mining and Designing Department, Tiandi Science and Technology Co., Ltd., Chaoyang, Beijing 100013, China; 3.Coal Mining Research Branch, CCTEG China Coal Research Institute, Chaoyang, Beijing 100013, China)

Abstract To study the height development law of "two zones" under repeated mining with shallow-buried thin bedrock, based on the practical geological mining conditions in Longde Coal Mine, theory calculation and practical test analysis methods were used to study the height development law of "two zones" under single coal seam mining of 101 working face and repeated mining of 209 working face in Longde Coal Mine. The study results showed that the ratio of caving and mining height of single working face mining in shallow-buried thin-bedrock coal seam was 5.34-5.64, and the ratio of fracturing and mining height was 16.31-16.66, which was close to the theoretical value, and the thick and extremely thick hard rock strata had inhibitory effect on the development of water flowing fracture zone; under repeated mining conditions, the ratio of caving and mining height of upper coal seam increased, while that of lower coal seam decreased, and the height calculation formula of "two zones" under repeated mining conditions in current coal mining standard ignored the mutual influence of two coal seams; under the condition of shallow-buried thin bedrock in Longde coal mine, the height of water flowing fracture zone of 101 and 209 working faces under repeated mining was about 90.31-99.95 m, and the ratio of fracturing and mining height was 22.58-24.99.

Key words shallow-buried thin bedrock, repeated mining, height of "two-zones", development law, mining safety

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引用格式:冉星仕,于秋鸽. 浅埋薄基岩重复采动条件下“两带”高度发育规律实测研究[J]. 中国煤炭,2020,46(8):105-111.

Ran Xingshi, Yu Qiuge. Field research on height development law of "two zones" under repeated mining with shallow-buried thin bedrock[J]. China Coal,2020,46(8):105-111.

基金项目:华能集团科技项目(HNKJ18-H51),国家自然科学基金资助项目(51704161),天地科技开采设计事业部青年基金资助项目( KJ-2018-TDKC2L-09)

中图分类号 TD325

文献标识码 A

作者简介:冉星仕(1964-),男,四川南江人,高级工程师,神木县隆德矿业有限责任公司总工程师,主要从事煤矿生产技术与管理工作。E-mail:ranxingshi@163.com。

(责任编辑 郭东芝)