近距離多層油頁巖水體下重復開采覆巖破壞高度預計

2016-01-11 09:01:01趙秋陽,谷海峰,康永華等

采礦與巖層控制工程學報 2015年1期

趙秋陽1，谷海峰2，康永華3，李磊3，孫萬明3

(1.煤炭科學研究總院開采設計研究分院，北京 100013；2.北方聯合電力巴彥寶力格煤電項目籌備處，內蒙古錫林郭勒盟 026000；

3.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京 100013)

[摘要]以某礦為例，對油頁巖上覆覆巖結構類型及巖性作出分析，在得出上覆巖層為軟弱類型的前提下，分別運用經驗公式法和數值模擬法對多層油頁巖重復開采的覆巖破壞高度作出預計，得出了導水裂縫帶最大波及高度為44.03m和38.40m的2種結果，對比2種方法的預計結果，選取偏于安全的經驗公式法預計結果作為4，5，6，7層油頁巖開采的最終覆巖破壞高度。

[關鍵詞]近距離多層油頁巖；重復開采；覆巖破壞高度

[中圖分類號]TD83[文獻標識碼]A

[收稿日期]2014-09-17

DOI[]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.01.023

[基金項目]中國煤炭科工集團有限公司科技創新基金面上項目(2014MS004)

[作者簡介]趙秋陽(1988-)，男，河北保定人，在讀碩士研究生，主要從事水體下采煤研究。

Prediction of Overlying Strata Failure Height of Repeatedly-mining

Close-distance Oilshales under Water-body

ZHAO Qiu-yang1, GU Hai-feng2，KANG Yong-hua3, LI Lei3, SUN Wan-ming3

(1.Coal Mining & Designing Branch, China Coal Research Institute, Beijing 100013, China;

2.The Headquarters of Coal & Electricity Project of the North United Electric Co.，Ltd.,Bayanbaolige,Xilingol 026000,China；

3.Coal Mining & Designing Department,Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China)

Abstract:After the overlying strata type of oilshales in a mine was analyzed to be soft, applying empirical formula and numerical simulation to predicting overlying strata failure height of repeatedly-mining close-distance oilshales,2 maximum water-connected fissure heights of were obtained to be 44.03m and 38.4m.By comparing 2 results, the result from empirical formula was selected as failure height of 4th,5th,6th and 7th oilshales.

Keywords:close-distance oilshales; repeatedly-mining; failure height of overlying strata

[引用格式]趙秋陽，谷海峰，康永華，等.近距離多層油頁巖水體下重復開采覆巖破壞高度預計[J].煤礦開采，2015，20(1)：78-81.

油頁巖(又稱油母頁巖)是一種高灰分的含可燃有機質的沉積巖，它和煤的主要區別是灰分超過40%，與炭質頁巖的主要區別是含油率大于3.5%。油頁巖屬于非常規油氣資源，以資源豐富和開發利用的可行性而被列為21世紀非常重要的接替能源，它與石油、天然氣、煤一樣都是不可再生的化石能源。

油頁巖開采前，為了更加合理地留設防水巖柱，為后續油頁巖開采提供數據支撐，需要對油頁巖開采后的覆巖破壞高度作出預計，以便于最大限度地解放水體下被壓礦產資源。所謂覆巖破壞高度即指油頁巖開采后所形成的垮落帶、導水裂縫帶和彎曲下沉帶，覆巖的發育情況直接決定著水體下油頁巖開采的安全性和可靠性。搞清覆巖破壞的發育高度及其分布形態是實現水體下安全開采的重要手段，根據覆巖巖性，利用經驗公式對覆巖破壞高度作出預計，結合數值模擬軟件預計結果作出對比分析，最終獲得準確、可靠的覆巖破壞高度數值，近年來已經成為采前覆巖破壞高度預計的主流方法[1-6]。

礦區賦存多層油頁巖且相距較近的情況下，覆巖破壞高度的預計需依據下層油頁巖的垮落帶發育高度采用不同的預計方法，本文以吉林某礦為例，利用數值模擬法分別預計了各層重復開采后的覆巖破壞發育情況，然后利用經驗公式法，依據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》(以下簡稱《“三下”采煤規程》)中關于近距離煤層覆巖破壞高度預計原則對礦井4，5，6，7層油頁巖的垮落帶、導水裂縫帶最大高度作出預計，經過分析2種預計結果的差異、共性及優缺點，最終確定了4層近距離油頁巖重復開采的最大覆巖破壞高度。

1油頁巖上覆覆巖結構類型分析

通過對礦井勘探資料的統計與分析，可知礦井上覆基巖柱巖性構成以頁巖與泥巖類隔水巖層為主，其中4層和5層油頁巖上覆基巖柱隔水巖層合計厚度占該段基巖柱厚度的比例為60%左右，6層和7層油頁巖上覆基巖柱隔水巖層合計厚度占該段基巖柱厚度的比例均為65%左右。

礦層基巖柱巖性主要為中砂巖、細砂巖、粉砂巖、泥質粉砂巖、頁巖、砂質頁巖、泥巖、炭質泥巖及炭質頁巖，分布于礦層的頂底板，巖石膠結普遍差，松散、破碎，層理發育。鉆孔取芯巖石物理力學測試結果表明，粉砂巖抗壓強度為7.24MPa；細砂巖抗壓強度為4.31MPa；泥巖抗壓強度為12.02MPa；粗砂巖抗壓強度為9.84MPa，見表1。

試驗結果表明，本區巖層中巖石強度低，巖性軟，屬軟弱巖層，巖石抗壓強度4.31~12.02MPa，在覆巖巖性分類中應屬于軟弱(抗壓強度10~20MPa)分類區間，結合礦層上覆巖層的巖性構成情況，綜合分析認為，油頁巖礦層上覆巖層屬軟弱類型。

表1　巖石物理力學性質試驗成果

2數值模擬法預計油頁巖重復開采覆巖破壞高度

本例采用數值模擬軟件FLAC3D對油頁巖開采所形成的覆巖破壞高度進行預計。覆巖破壞規律分析模型總長360m，開采長度為200m；模型總高118m，頂面為地表，底面為油頁巖層下部底板，模型共劃分為4896個單元，7665個節點；模型前后和左右邊界施加水平約束，模型底部邊界固定，模型頂部為自由邊界，研究區內巖層劃分為16個層組，分析模型如圖1所示。

圖1　分析模型

本次模擬巖體采用理想彈塑性本構模型：莫爾-庫侖屈服準則描述并以此確定覆巖破壞高度的確定原則。運行模型，得出破壞場的分布情況，如圖2所示。

圖2　4層油頁巖開采后覆巖破壞區分布

由圖2可看出，隨著油頁巖的開采，上覆巖層破壞范圍逐步擴大，塑性區逐步向上發展，因此導水裂縫帶也同樣向上部發育。每層油頁巖開采后，覆巖破壞范圍均呈現出明顯的“馬鞍”型。由于油頁巖層埋藏較淺、覆巖巖性偏軟，且累計開采厚度較大，地表發生的移動變形較劇烈，產生明顯的拉張破壞及裂隙。模型單元在移動變形過程中產生的剪切應變增量大小也是導水裂縫帶發育區域的判斷依據之一。一般認為，剪切應變增量較大的區域即為導水裂縫帶發育區域，本例中剪切應變增量≥0.1即可認為是覆巖導水裂縫帶[7-10]。

數值模擬方法預計4，5，6，7層油頁巖重復開采各層導水裂縫帶高度預計結果見表2。

表2　數值模擬法預計導水裂縫帶成果

3經驗公式法預計油頁巖重復開采覆巖破壞高度

本礦油頁巖的開采條件和賦存情況與煤層開采非常類似，因此可以根據《“三下”采煤規程》中關于煤層開采的覆巖破壞高度計算公式對油頁巖開采的覆巖破壞高度進行預計。

根據礦井初步設計說明書，4層油頁巖設計開采厚度為2.1m，5層油頁巖設計開采厚度為2.5m，6層油頁巖設計開采厚度為1.4m，7層油頁巖設計開采厚度為2.5m。《“三下”采煤規程》中厚煤層分層開采的垮落帶、導水裂縫帶高度計算公式應用范圍為：單層采厚1～3m，累計采厚不超過15m，根據礦層上覆巖石單向抗壓強度及巖性分析，綜合認定，本例4，5，6，7層油頁巖開采的覆巖破壞高度計算公式采用《“三下”采煤規程》中軟弱覆巖巖性計算公式[11]：

垮落帶高度Hm計算公式:

Hm=100ΣM/(6.2ΣM+32)±1.5

(1)

式中，ΣM為油頁巖采厚，m。

導水裂縫帶高度Hli計算公式：

Hli=100ΣM/(3.1ΣM+5.0)±4.0

(2)

根據礦井鉆孔勘探資料揭露情況，礦井設計開采油頁巖層之間間距較小。依據《“三下”采煤規程》規定，設定近距離油頁巖層開采覆巖破壞高度預計原則：當上、下兩層油頁巖的最小垂距h大于回采下層油頁巖的垮落帶高度時，上、下兩層油頁巖的導水裂縫帶最大高度按上、下層油頁巖的厚度分別選用式(2)計算(見圖3)；當下層油頁巖的垮落帶高度接觸或者進入上層油頁巖的開采范圍時，上層油頁巖的導水裂縫帶最大高度采用本層油頁巖的采厚進行預計計算，下層油頁巖的導水裂縫帶高度應采用上下兩層油頁巖的綜合開采厚度按照式(3)進行計算(見圖4)，取其中標高最高者為兩層油頁巖的導水裂縫帶最大高度。上下油頁巖層的綜合開采厚度的計算公式為：

Mz1-2=M2+(M1-h1-2/y2)

(3)

式中，M1為上層油頁巖的開采厚度，m；M2為下層油頁巖的開采厚度，m；h1-2為上下油頁巖層之間的法線距離，m；y2為下層油頁巖的垮落帶高度與采厚之比。

圖3　近距離油頁巖層覆巖破壞高度示意(h>H 垮下時)

值得注意的是，4層和5層油頁巖的導水裂縫帶最大高度為兩者導水裂縫帶標高最高者，而由于油頁巖層間的間距很小，未來6層開采所形成的導水裂縫帶必定會波及到5層采空區，導通上層油頁巖開采所形成的導水裂縫帶，所以4，5，6層油頁巖的導水裂縫帶最大高度為三者導水裂縫帶標高最高者。同理，4，5，6，7層油頁巖的導水裂縫帶最大高度為這4層油頁巖導水裂縫帶標高最高者。

通過上述計算方法，分別得到4，5，6，7層油頁巖重復開采時的垮落帶高度和導水裂縫帶高度，同時，通過對比各層油頁巖開采導水裂縫帶的標高，得出每層開采之后與上覆已開采油頁巖層形成的具有導通性的導水裂縫帶最大標高，此標高距最下一層油頁巖頂板距離即為已采近距離油頁巖層的導水裂縫帶最大波及高度。各層油頁巖開采所形成的與上覆油頁巖層開采所形成的導通性導水裂縫帶最大高度預計結果見表3。

表3　經驗公式法預計導水裂縫帶成果

由表3可看出，隨自上而下開采，重復開采所形成的導水裂縫帶波及高度越來越大，下部礦層開采所形成的導水裂縫帶均已導通上部導水裂縫帶，由于7層開采后，6，7兩層的導水裂縫帶最大高度已經導通上部導水裂縫帶，因此應該選取本層及上層開采所能導通的導水裂縫帶最大標高作為其最大導水裂縫帶波及高度。這種方法計算的導水裂縫帶高度，保證了以后防水巖柱留設和開采上限界定的準確性和安全性，是比較合理且安全可靠的。

4兩種預計方法的對比與選取

通過FLAC3D數值模擬可以知道，4，5，6，7層重復開采時，模擬形成的覆巖破壞區分布與實際覆巖破壞發育情況是吻合的，隨著下層油頁巖的重復開采，導水裂縫帶不斷變大。4，5，6，7層油頁巖單層采厚分別為2.1，2.5，1.4，2.5m時，裂采比約為7。通過礦井勘探資料的統計與分析，4，5層油頁巖間距平均為2.4m；5，6層油頁巖間距平均6.2m；6，7層油頁巖間距平均為10.4m，下層油頁巖的導水裂縫帶發育高度均已波及到上層，則7層油頁巖頂板至4個油頁巖層開采后所能導通的導水裂縫帶最大標高即為4，5，6，7層油頁巖重復開采導水裂縫帶最大波及范圍，結果為38.4m，略小于經驗公式法的44.03m，分析認為是模擬參數設置差異與邊界較理想所致，為了安全起見，選取經驗公式法結果作為最終預計結果。

5結論

(1)為了保證礦井生產安全，運用數值模擬軟件FLAC3D對油頁巖開采所形成的覆巖破壞高度進行預計，模擬預計結果與經驗公式預計結果進行了對比分析和相互驗證。

(2)運用《“三下”采煤規程》中關于軟弱覆巖巖性下的導水裂縫帶高度預計公式對近距離多層油頁巖開采的覆巖破壞高度作出預計，得到了比較理想的結果。

(3)闡明了近距離多層油頁巖重復開采時，已采油頁巖層的導水裂縫帶最大波及高度并不是各層油頁巖開采的高度最大值，而是各層的導水裂縫帶頂點最大標高，即導水裂縫帶所能導通的標高最高點。

[參考文獻]

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