专题-浅埋深煤层开采上覆岩层破断机理及人工关键层思想的探讨

专题部分 ：浅埋深煤层开采上覆岩层破断机理及人工关键层思想的探讨摘要 本文在前人对于浅埋深薄表土层的煤层开采后的上覆岩层的破断方式以及岩层移动的机理做了系统的整理和归纳，从数值模拟，理论推导，现场实测，相似模拟四个方面进行了总结，表明浅埋深煤层老顶岩层的破坏的主要顺序仍为“离层断裂垮落”，在薄松散层浅埋煤层开采时，当关键层完全垮落后，覆岩将会发生直达地表的整体切落现象，这也是为什么浅深埋煤层开采时，矿山压力显现有时会比深埋深的煤层开采时矿山压力显现更加严重的原因，在这里我给予了新的浅埋深煤层开采时强烈突然冲击矿压的防止方法，并提出了如何构造人工假关键层的构想。0 引 言 前人对煤层开采后的上覆岩层的破断机理提出了很多不同的想法和假说，如最早的压力拱假说，就是由德国人 W.Hack 和 G.Gillitzer 于 1928 年提出的，该假说认为，长壁采煤工作面自切眼开挖开始后，其顶板就形成了一个压力拱，并且压力拱随工作面推进而不断增大，直至压力拱拱顶直达到地表为止。然后出现了后来的悬臂梁假说、铰接岩块假说和预成裂隙假说，而我国的科学工作者总结以上假说，根据工程实际情况和自己的想法，综合提炼得出了普遍认可的关键层的砌体梁理论取得了巨大的成功。浅埋煤层的上覆岩层活动有其自身的特殊性，其移动属性和运动复杂性，都不能单单只从其表现形式（地表沉陷）及机理（理论研究）研究方面就能获得较为完善的结论，借助其它的方法和手段对其进行综合性研究，才能正确的认识覆岩的移动规律，由此推出新颖的防治方法。 (1)上覆基岩层一般是由多个岩层分层构成,并且是以厚度为210m以上的且具有较高强度的岩层分层为主要构成部分; (2)基岩层中部一般不含有较厚的软弱岩层,基岩层的上部有时为风化的基岩,有时候下部紧邻煤层的还有赋存煤线、泥岩等的复合岩层分层; (3)典型的薄基岩浅埋深煤层,其基岩厚度均比较小,观测研究及数值的分析结果表明,当其顶板基岩的厚度较大时,回采工作面的矿压的显现规律接近于普通工作面的矿压显现,通常基岩厚度应小于等于3050m； （4）浅埋深煤层的上覆薄基岩层可以视为是横观各向同性的,破坏前可以视为横观各向同性的弹性体。2 RFPA数值模拟 2.1 模拟 岩石破裂过程分析（RFPA）数值模拟系统软件对于浅埋深薄基岩煤层工作面顶板的上覆岩层的活动规律进行了动态的数值模拟，其主要的目的是提高对薄基岩浅埋深煤层的上覆岩层活动规律的认识程度，另一方面则是通过对模拟结果的分析，为已研究出的有关浅埋深薄基岩的煤层覆岩的活动的规律提供一些实验的依据。 2.2上覆岩层的破断过程与形态 第一阶段覆岩下部岩层的破断阶段（直接顶的垮落下位老顶的初次破断） 随着采场工作面的不断推进，上覆岩层逐渐悬露，岩梁的悬露长度达到一定的跨度后，在重力的作用下弯曲，当弯曲到一定的限度，梁的中部开始开裂并离层，并形成“假塑性梁”。随顶板悬露面积不断的加大，离层也将逐步的发展，将导致直接顶垮落。随着工作面进一步的推进，老顶岩梁开始弯曲下沉，离层向老顶上部基岩内扩展，老顶此时出现大范围的移动，工作面前后煤壁的上方基岩将破断，老顶下位的岩梁出现垮落，此阶段覆岩破坏的主要特征一是顶板的离层破坏，二是老顶的弯曲和断裂。图1.1 直接顶垮落向左开挖距距离开切眼煤壁30cm图1.2下位老顶初次垮落 向左开挖距离开切眼煤壁50cm时 第二阶段上位老顶以及上部岩层的破坏阶段 根据关键层理论，关键层将对上覆岩层的稳定性起到控制性作用，一旦关键层出现破断，关键层上方较弱的岩层也将随之垮落图1.3老顶岩梁垮落第三阶段工作面的老顶出现台阶式的下沉浅埋深煤层与深埋深的煤层的开采，上覆岩层活动规律的最大区别就在于，当关键层上覆的松散层厚度较薄时，浅埋煤层的开采时,上覆岩层的关键承载层一旦遭到破坏后,覆岩将很快地破坏至地表并产生类似台阶式的下沉进而造成工作面的切顶现象发生。 图1.4煤柱两侧岩层冒裂至地表3 相似材料的模拟实验 实验设计如下:相似材料的模拟实验将在3 m的模型架上进行,采用模拟线比为1：100的较大的比例,从煤层的底板一直模拟到地表,模拟的材料采用石膏、河沙、大白粉等来配制,根据岩层的强度参数来确定实验的相似配比,而煤层则是采用细煤粉、石膏、大白粉来配制,分层材料则是采用云母粉,模型的开挖按照几何相似比和时间相似比进行，实验结果与数值模拟的结果十分接近。4 实测研究 -以阳泉矿区为例 针对阳泉矿区的岩移的观测资料的分析证明,主关键层的破断不仅会造成其上覆基本所有岩层的同步破断,也即将引起地表的快速下沉.实测工作面为阳泉一矿70310工作面,采用走向长壁全部冒落的方法来开采3号煤层,煤层倾角为36,采厚约为212 m,采面斜长约为70 m,走向长度约为217 m. 70310工作面从1964年08月21日投产直到1964年12月01日回采结束,生产期间基本上保持了正规的循环作业.该工作面的地表为一沿煤层走向倾斜的缓斜山坡,在开切眼下的采深约为211m,停采线附近的采深约为150 m.钻孔取芯的结果表明, 3煤的覆岩共有5层分层的厚度大于6 m的硬岩层,按关键层的判别方法可以确定出距离3煤煤层顶板约78103 m间的邻近的3层硬岩层(累计厚度20 m)组成的复合关键层并称为覆岩主关键层。 为了准确观测上覆岩层的活动及地表的移动规律,工程中从70310工作面的地面垂直打了6个岩移观测钻孔,同时还布置了相对的走向地表的下沉测线及倾向地表的下沉测线.其中岩移观测孔I位于工作面的倾向的中部,距离切眼134 m,孔内由下往上总共布置了4个测点,其中测点4距3煤层顶板有179 m,位于所确定的覆岩主关键层上.地表下沉走向测线则是位于工作面倾向中部。 表1, 2分别为钻孔I中测点4的下沉速度与地表走向测线中各测点下沉速度的实测结果表1.1钻孔I中测点4(即主关键层)下沉速度观测结果表1.2 地表走向测线各测点下沉速度的观测结果图2为不同日期地表沿走向测线的下沉曲线由上表1,2分别是钻孔I中测点4的下沉速度与地表走向测线中各测点下沉速度的实测结果,而图2为不同日期的地表沿着走向测线的下沉曲线.钻孔I中测点4位于主关键层内,因此该测点的下沉过程可以代表覆岩主关键层的整个下沉的过程.由表1显而易见,覆岩主关键层在工作面采过钻孔I 31(1964年11月07日)57 m(1964年11月20日)范围时下沉速度时最快的,其下沉的速度最大可达到23.3 mm/d,可以推断出钻孔I处的主关键层是在此期间发生破断.由表2及图2可见,地表各测点在1964年11月17日下沉的速度达到最大,因此,沿工作面的走向地表，最大的下沉速度出现的时间基本上与覆岩主关键层的破断时间同步重合,而且由钻孔I中得测点4可以观测所得出的主关键层的破断为主关键层的初次破断。根据上述的分析可知,覆岩主关键层的初次破断引起了地表的同步快速的下沉,由此可以证明覆岩主关键层的运动对地表下沉具有的控制作用。 其实主关键层对其上覆岩及地表移动的控制作用有很多典型工程实例,如大同矿区的直接赋存于煤层上方的厚硬砂岩、新汶华丰矿的靠近地表的厚层的砾砂岩的破断垮落,不仅会造成采场强烈的矿压显现,而且其破断后上部直至地表的所有的岩层将随之同步下沉。再如,乌克兰卢图金煤矿,在采深800 m的条件下,距开采煤层约180 m处有一层厚约60 m的砂岩控制着整个上覆岩层直至地表的移动。上述3个典型的实例的主关键层的距地表的位置分别位于下、上、中部,采深有的浅有的深,正巧说明在不同的关键层的位置与采深条件下,主关键层对其上覆岩和地表的控制作用都是存在的.5 理论研究 大多数情况下,工作面的来压最猛烈、最不易控制的时期是初次来压时期,老顶岩块的结构及其性质将会直接决定初次来压的显现的强烈程度,对于薄基岩浅埋深煤层的初次来压的强度相比其他将会更大,一旦处理不好将会对工作面的安全生产产生极大的威胁。随着工作面的推进,顶板基岩岩层的裸露的跨度就会逐渐的增加,基岩岩层必然将会发生挠曲变形,当工作面推进到一定距离后,基岩层下部分层将沿分层的界面产生滑移,在其上岩层离层垮落,即直接顶的初次冒落,随后关键层(组)裸露出来。这在物理的模拟试验中,也得到了充分的证明。当工作面持续推进至关键层的初次破断距时,关键层随即开始破坏,此时工作面就会呈现初次来压。 工作面的初次来压基本上经历如下三个阶段: (1)关键层的破断垮落,来压从此开始; (2)关键层上部基岩分层岩层的破坏垮落,形成第一次的冲击载荷; (3)松散载荷层的滞后垮落,形成第二次的冲击载荷。 三个阶段间隔时间很短， 煤矿回采工作面的矿山压力控制主要是控制老顶的断裂后引起的工作面的来压,工作面的老顶岩层随工作面的推进将产生周期性的断裂活动,即是周期来压,准确预报工作面的周期来压,弄清晰来压的机理是做好工作面的安全生产的必要的保障,对减少采场的冒顶事故具有十分重要意义 典型的薄基岩浅埋深煤层的工作面矿压观测表明,工作面周期来压的显现具有以下几个明显特征: (1)来压步距小,来压持续时间较短; (2)顶板沿煤壁出现台阶式的下沉或在工作面支架后形成切落;（3)地表将会出现裂缝以及地堑 (4)有一定的动压现象。 根据上述基岩浅埋深煤层工作面的周期来压的特征,我们可以构建描述关键层的周期来压破断后运动的承压砌块模型,如图2所示。承压砌块的活动与工作面周的期来压基岩关键层经过初次的垮断,工作面的顶板经历初次来压过程以后,随着工作面的持续推进,关键层形成类似悬壁梁式的周期性的破断, 关键层的周期性的破断形成工作面周期来压。承压砌块模型的活动及其工作面的周期来压显现特点如下: (1)关键层的悬壁梁的破裂垮落成B块,其上层的基岩层以及松散层紧随之垮落并对工作面形成瞬间的冲击载荷; (2)在关键块B及其以后的运动过程中,由于工作面的覆岩协同活动的特点,其上始终作用着由松散层及上层基岩层重量构成的载荷 +; (3)而关键块B得一端由C块及其冒落的矸石支撑,另一端则是由工作面支架经直接顶顶板传递的工作阻力及A块共同支撑;(4)工作面推进到B块后, B块即沿架后切落直至冒矸上,不能形成之前的砌体梁式的结构,工作面周期来压结束。6浅埋煤层开采覆岩移动与裂隙分布特征关于开采后上覆岩层移动与裂隙的分布特征主要是从神华神东矿区作为实际环境来进一步研究。矿区概况：神东矿区地处中国内蒙古南部和陕西省北部，其探明储量达2236亿t约占全国的四分之一，属世界八大煤田之一.2005年以来年总产量均超1亿吨为中国最大的现代化矿区。煤层埋藏浅（大部分在100m以内）、上覆基岩薄、地表为厚风积沙覆盖层且层下蕴藏着的宝贵的潜水，是神东矿区煤层赋存条件的突出特点，大规模长壁开采浅埋煤层导致井下开采活动对地表的影响更为敏感和强烈，采动裂隙可直接沟通地表，易引起煤层自燃、地下水流失与地表植物死亡等安全与环境灾害，掌握覆岩中采动裂隙扩展与分布特征，是有效解决上述难题的重要基础。文献(2-3)已通过实测证实了采动裂隙对上覆含水层的不利影响，并认为只要覆岩中存在合适的岩层组，采后一定时间，含水层受采动影响而降低的水位仍可恢复；文献(4)通过物理模拟分析了坚硬岩层在水平面上的垮落特征，可用于指导放顶煤开采的可行性文献5-7对比分析了地表深陷和采动裂隙对土壤质量和植物生长的影响，但上述文献对采动裂隙在覆岩中的动态分布特征都没有论证，虽然在浅埋煤层的矿压控制方面有不少研究成果，但对浅埋煤层采动裂隙的时空演变规律还没有系统性的阐述，岩层控制的关键层理论为这一问题的研究提供了新的指导，此理论认为，关键层运动对离层产生、发展的时空分布起控制作用，覆岩离层一般出现在关键层下。矿区典型煤层赋存条件与覆岩力学参数6.1 3类典型煤层赋存条件通过对神东矿区的煤层钻孔柱状图及相关地质资料分析，按基岩厚度、对覆岩运动起控制作用的较坚硬岩层数（即关键层层数）及风积沙松散层厚度与煤层上覆基岩厚度比(K)的不同，神东矿区有3类典型煤层赋存条件：1) 第一类，当岩层厚度小于30m，只赋存一个较坚硬岩层（称之为关键层），且K大于等于1，如表6.1所示。2) 第二类，当基岩厚度大于等于30m，而又小于60m，只赋存一层关键层，但是K小于1，如表6.2所示3) 第三类，急眼的厚度大于等于60m，赋存2层关键层（一个称之为主关一个称之为亚关键层），主关键层位于垮落带之上，基本顶为亚关键层，而且K小于1.如表6.3所示。6.2覆岩主要力学参数1)类煤层（大柳塔矿12305工作面）大柳塔12305工作面基岩厚度16-18m覆风积沙松散层30m，松散含水层厚度在14m左右，煤厚3.74m，采用长壁采煤法开采%工作面长240m，煤层及顶、底板岩层的主要力学指标参见表6.1.2）类煤层（上湾矿51201工作面）上湾煤矿51201工作面煤层平均厚度5.8m设计最大采高5.3m，上覆岩层厚度为40m左右，松散含水层厚度在10m左右。具体覆岩参数参见表6.2.3）类煤层（补连塔矿32201工作面）补连塔煤矿32201工作面基岩厚度78m，岩性主要为砂岩，上覆松散含水层厚度约10m。具体覆岩参数参见表6.3.6.2.1 模拟方法与目的采用PFPA专业软件进行计算机数值计算和实验室相似材料试验两种模拟方法。应用RFPA软件主要分析覆岩赋存单一关键层（和两类煤层）时，随工作面的开采，采动裂隙在垂直面沿工作面推进方向与垂直面沿工作面倾向的动态演化规律。而应用实验室相似材料模拟试验，主要针对覆岩赋存单一关键层和两层关键层（和两类煤层）时，分析在水平面岩层及垂直面沿工作面推进方向的覆岩采动裂隙扩展与分布特征，并与同类的数值计算结果进行对比。6.2.2. RFPA数值分析RFPA可以计算并动态演示材料从受载到破裂的完整过程#整个系统具有较强的开放性，可扩展性，具有较好的后处理功能。在分析煤层顶板的离层、冒落、垮落、裂隙扩展情况方面。RFPA软件是较为理想的模拟软件。此软件在计算过程中执行分步开挖功能，每开挖一步，模型自动计算一步，并将单元的破坏移动过程通过弹性模量图或应力图显示出来，图中颜色灰度越亮表示压应力越大，灰度越暗表示拉应力越大。6.3.1垂直面沿工作面推进方向6.3.1.1类煤层（大柳塔矿12305工作面）1）模型建立为了尽量减小边界情况的影响，模型划分为30070个单元。采用连续开采的力学模型，覆岩各层相变力学参数如表1中所示.2) 利用RFPA中的分步开挖功能，从第2步开始开挖，为符合工作面快速推进（15m/d）要求，开挖步距为1.8m。共开挖135m。采场开挖后，工作面推进到30m时直接顶初次冒落。当推进到42m时，基本顶初次来压连同地表一起切落。工作面推进至58m时，基本顶发生第1次周期性整体切落(工作面推进到73m时，基本顶发生第2次周期性整体切落，如图1所示(a）基本顶初次垮落(b）基本顶周期性垮落图1 类覆岩垮落状况3）模拟结果分析工作面基本顶初次来压时，覆岩直至地表整体切落，顶板周期性切落时，顶板及其上覆厚松散风积沙层也几乎是整体下沉。随着工作面快速推进，整体破断的顶板岩块可以挤压并快速闭合，仍具有阻水作用。6.3.1.2 类煤层（上湾矿51201工作面）模型、参数和加载方式等同上，覆岩各层相变力学参数如表2中所示1） 基岩（厚度40m）破断过程工作面开挖到28m时，直接顶开始冒落(工作面开挖到40m时，基本顶开始垮落，到55m时，基本顶初次垮落，但未涉及到松散层，如图2a所示(当工作面开挖到近76m时，基本顶出现第1次周期来压，上覆松散层开始破坏，如图2b所示。(a）基本顶初次垮落（b）基本顶周期垮落图2 类覆岩垮落状况2）模拟结果对比分析可见，与基岩厚18m的模拟结果相比，在基岩厚度增加到40m时，相应的来压步距也增大。且基本顶初次与第1次周期性垮落时，覆岩没有整体性垮落，更不会波及到地表。但在第2个周期来压时，地表与覆岩同步运动。6.3.2垂直面沿工作面倾向以上湾矿51201工作面为代表的类煤层为模拟分析基础条件。1）开采方案先掘出3条顺槽，两相邻顺槽间的间距分别为30m（区段煤柱的宽度）和230m（工作面的宽度），然后再进行开采。2）模型建立模型长400m，高100m，共划分400100个基元，采用单元自身重力实现加载。在试验过程中，采用库仑准则作为破坏的判别准则。3）覆岩垮落与裂隙扩展过程采空区最终垮落情况，如图3所示.图3 覆岩垮落最终状况可见，大尺寸工作面开采导致上覆岩层不断产生离层与断裂，并一直发展到地表#最终导致自采空区到地表之间的岩层沿倾向整体切落。覆岩整体切落，将采动产生的离层压实#使断裂岩块闭合，且地表下沉宽缓底平、地表裂缝不发育且被挤实；工作面越长，裂缝密度越小。以上特征不仅有利于保水开采，也有利于井下工作面防灭火，而且由于整体切落，对土壤结构破坏小，还有利于生态建设。7 浅埋深煤层冲击矿压防治的