安全所覆岩破坏

覆岩破坏与水体下采煤讲座,煤炭科学研究总院北京开采研究所胡炳南研究员,一、覆岩破坏与煤岩柱留设二、减少覆岩破坏的技术措施三、水体下采煤四、补充资料（煤矿安全资料，有关法规，特采室概况）,第一部分覆岩破坏与煤岩柱留设（一）覆岩破坏特征（二）覆岩高度计算（三）安全保护高度（四）煤岩柱留设,（一）覆岩破坏特征1采煤方法分类研究覆岩破坏规律，首先要限定它的采煤方法。在我国，采煤方法的分类方法很多。可按工作面长短，将采煤方法分为壁式体系和柱式体系两大类。长壁开采体系的一般特点：（1）采煤工作面长度较长，通常在80250m；（2）随着采煤工作面推进，顶板暴露面积增大，矿山压力显现较为强烈；（3）引发的覆岩破坏也严重。,采煤方法分类,2不同覆岩破坏的开采状态地下煤层采出之后，上覆岩层的原始应力平衡状态遭到破坏，进行应力重新分布，应力重新分布就产生了岩层产生移动、变形、破坏及渗透性的变化。长壁垮落法开采时，随着回采工作面推进，采空区直接顶板发生垮落堆积，并充填采空区形成垮落带，这时的导水裂缝带高度仅为垮落带的高度，我们把只形成垮落带的开采状态称为水体下采煤的极不充分开采状态；,随着工作面的再推进，上覆岩层发生断裂、开裂形成裂缝带，裂缝带内的岩层按开裂程度的大小分为严重开裂、一般开裂和微小开裂。在微小开裂范围内的岩层一般不断开，连通性较差，因此微小开裂的岩层即为导水裂缝带的顶点，我们把岩层移动破坏仅产生裂缝带而裂缝带高度没有达到最大值的开采状态称为水体下采煤的非充分开采状态。覆岩采动破坏范围是开采尺寸、岩层岩性、地层力学结构、煤层赋存条件等因素共同作用的结果。当工作面推进尺寸达到一定值后，导水裂缝带发展到最大高度，并且当推进长度继续增大时导水裂缝带的高度不再向上发育，此时的开采程度达到了充分开采。,3煤层覆岩破环类型均衡破坏：三带破坏非均衡破坏：煤层抽冒、煤层滑落,4.覆岩三带破坏描述垮落带裂缝带弯曲带,（1）垮落带是指长壁工作面回柱后引起的煤层直接顶板垮落的岩块堆。冒落带内岩块的破坏状况有以下特点：不规则性。冒落岩块的块度大小不一，无一定规则。岩性坚硬、岩层厚度较大时，冒落岩块块度大；岩性软弱，岩层厚度较小时，冒落岩块块度小。冒落岩块的不规则性，是影响顶板再生性和冒落岩块不能隔水的重要原因。,碎胀性。根据测定的结果，冒落岩块在初次采动及未承受其上覆岩层压力的自由堆积状态时，其碎胀系数为1.101.99，平均1.401.62。在自由堆积状态下，冒落岩块的碎胀系数是影响冒落带高度和冒落现象能够自行停止的根本原因。,密实性。冒落岩块堆的密实性是衡量冒落带的透水、透砂能力的重要指标。密实性与冒落岩块的块度，开裂、离层岩层的张开度，岩性及稳定时间长短有密切关系。,（2）导水裂缝带冒落带以上为裂缝带。现场实测表明，裂缝带内岩层的裂缝形式及其分布有一定的规律性。靠近冒落带的岩层，断裂严重；远离冒落带的岩层，断裂轻微，脆性薄层状砂岩会发生断裂，韧性薄层状石灰岩则会发生弯曲缓慢下沉。除了垂直或近于垂直层面的裂缝外，还产生顺层面脱开的离层裂缝。,裂缝带内岩层的破坏状况还具有明显的分带性。裂缝带内上述三个部分的透水能力虽然不同，但都不能透砂。严重断裂。大部分岩层为全厚度断开，但仍然保持原有的沉积层次。裂缝间的连通性好，漏水严重。钻孔观测时，冲洗液漏失量大于1.0升/秒米。一般开裂。岩层在其全厚度内未断开或很少断开，层次完整，裂缝间的连通性较好，漏水程度一般。钻孔观测时，冲洗液漏失量为0.11.0升/秒米。微小开裂。部分岩层有微小裂缝，基本上不断开，裂缝间的连通性不太好，漏水性微弱。钻孔观测时，冲洗液漏失量小于0.1升/秒米。,（3）弯曲带弯曲带指的是自裂缝带顶界到地表的整个岩系。采空区上方弯曲带（整体移动带）内的岩层，基本上是处于水平方向双向受压缩状态，因而其密实性及塑性变形的能力得到提高。特别是当岩层为页岩、泥岩等软弱岩层和土层时，其塑性变形能力更会得到提高。因此，弯曲带或整体移动带内的岩层，在一般情况下具有较好的隔水能力，成为水体下采煤的良好保护层。,现场观测结果表明，弯曲带内的岩层有时也可能产生裂缝。但是裂缝微小，数量较少，裂缝间的连通性不好，导水能力很微弱。而且随着移动过程的发展，岩层受压程度愈来愈高，受到破坏的岩层隔水性也会愈来愈得到恢复。因此，弯曲带或整体移动带具有良好的隔水性能。,值得注意的是，由于拉伸变形的影响，会出现地表开裂现象，但其开裂深度是有限的，除个别采深采厚比较大的情况外一般在10米以内。,非急倾斜煤层采场采动影响的空间关系（分区）,长壁工作面覆岩的破裂结构（地表裂缝）,5.不同倾角覆岩三带破坏形态特征缓倾斜煤层(036)覆岩破坏最终形态中倾斜煤层(3654)覆岩破坏最终形态急倾斜煤层(5490)覆岩破坏最终形态,缓和倾斜煤层覆岩破坏范围最终形态类似于一个马鞍形。其特点是：（1）采空区四周边界上方的破坏范围略高，其最高点位于开采边界以内或以外数米的范围内；（2）采空区中央的破坏范围低于四周边界的破坏范围。当采空区面积相当大，且采厚大体相等时，采空区中央部分的破坏高度基本上是一致的；（3）采空区四周边界冒落带、导水裂缝带的范围与水平面成一定的角度。,缓倾斜煤层覆岩破坏性影响特征（肥城杨庄煤矿东五井302面实测图）,淮北张庄煤矿426工作面覆岩破坏性影响特征及分布形态实测图1-微漏水部分；2-一般漏水部分；3-严重漏水部分,倾斜煤层采场采动影响的空间关系,倾斜煤层采场采动影响的空间关系,急倾斜煤层覆岩破坏范围的最终形态,急倾斜煤层，不仅冒落岩块会发生向下滚动的现象，同时上部阶段的整个冒落岩块堆，在受到下部阶段的采动影响后，也可能发生整体滑动，而且所采煤层本身还可能发生抽冒，使冒落带、导水裂缝带范围呈现出各种不同的类似拱形形态。其主要特点是：（1）破坏性影响更加偏向于采空区上边界，采空区下边界则显著减小。（2）形态类似椭圆型。,急倾斜煤层,急倾斜煤层,垮落带、裂缝带的发育高度主要与煤层采厚、倾角、开采尺寸、覆岩岩性、顶板管理方法、重复采动程度等因素有关。以下介绍垮落带、裂缝带的发育高度的计算公式。它按煤层倾角、岩性、煤层厚度和是否煤层群来区分，分为：（1）煤层倾角54度以上和以下；（2）极坚硬顶板和坚硬顶板；（3）中厚煤层单层开采和厚煤层分层开采；（4）是否近距离煤层群开采。,（二）覆岩破坏高度计算,1煤层倾角在54度及其以下的计算垮落带高度计算A对于极坚硬顶板，采后能形成悬顶时，中厚煤层开采垮落带高度（单位：m）的计算公式为：,B对于坚硬、中硬、软弱、极软弱顶板或互层时，中厚煤层开采垮落带高度（单位：m）的计算公式为：式中w为与垮落过程中的顶板下沉量，单位m,C对于坚硬、中硬、软弱、极软弱顶板或互层时，厚煤层分层开采垮落带高度（单位：m）的计算公式为,导水裂缝带高度计算对于单一中厚煤层和厚煤层分层开采时，不同上覆岩层的裂缝带高度（单位：m）的计算公式为：,2煤层倾角在55度及其以上的计算对于急倾斜煤层，煤层顶、底板为坚硬、中硬、软弱岩层，用垮落法开采时的垮落带和导水裂缝带高度公式：,3近距离煤层群开采条件的计算（1）上、下两层煤的最小垂距h大于回采下层煤的垮落带高度Hxm时，上、下层煤的导水裂缝带最大高度可按上、下层煤的厚度分别计算，取其中标高高者作为两层煤的导水裂缝带最大高度。,（2）下层煤的垮落带接触到或完全进入上层煤范围内时，上层煤的导水裂缝带最大高度采用本层煤的开采厚度计算，下层煤的导水裂缝带最大高度，则应采用上、下层煤的综合开采厚度计算，取其中标高最高者为两层煤的导水裂缝带最大高度。上、下层煤的综合开采厚度可按以下公式计算（m）：式中M1上层煤开采厚度；M2下层煤开采厚度；h1-2上、下层煤之间的法线距离；y2下层煤的冒高与采厚之比。,（3）如果上、下层煤之间的距离很小时，则综合开采厚度为累计厚度（m）：,（三）水体下开采保护层厚度,1.煤层倾角54以下A防水安全煤岩柱的保护层厚