風化帶下煤層覆巖破壞規律研究

任曉鵬 李緒萍

(1.北京天地華泰礦業管理股份有限公司，北京市朝陽區，100013； 2.內蒙古科技大學礦業研究院，內蒙古自治區包頭市，014010)

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風化帶下煤層覆巖破壞規律研究

任曉鵬1李緒萍2

(1.北京天地華泰礦業管理股份有限公司，北京市朝陽區，100013； 2.內蒙古科技大學礦業研究院，內蒙古自治區包頭市，014010)

為了有效解決松散含水層基巖風化帶下煤層開采問題，本文以許疃煤礦為例，基于理論分析與數值模擬相結合的方法，分析了風化帶劃分依據及其巖石力學特性，采用Plaxis軟件研究了松散含水層基巖風化帶下32煤層開采巖體應力、變形與破壞規律，并對煤層頂板與風化帶間距離分別為60 m、50 m、40 m、30 m、20 m時B-B斷面豎向沉降進行了模擬。結果表明：32煤層頂板與基巖風化帶底板距離為30 m；隨著工作面開采個數的增加，上方巖體產生巖(土)拱效應，巖體內剪應變增加，先開采的工作面位移量逐漸增加，上部巖體松動范圍變化不大。

含水層 基巖風化帶 覆巖破壞 數值模擬

松散含水層下，風化帶巖石強度降低，塑性增強，加大了風化帶下賦存煤層開采難度，因而，風化帶內煤層儲量一直被列為表外儲量，據統計，兩淮礦區有約6億t煤炭列為表外儲量。但由于損失的資源具有勘探程度高、埋藏淺、生產系統齊全、開采技術條件好等顯著特點，因此有必要對這部分資源的開采進行研究。劉天泉院士通過大量試驗于1982年提出了著名的“上三帶”理論；楊本水學者提出了泥質風化巖石具有抑制裂高發展與阻隔水特性，通過在百善礦試驗，分析了風化帶安全開采機理及關鍵技術；宣以瓊等學者分析了風化帶內煤層縮小防護煤柱開采機制，提高了回采上限，增加了開采儲量；柴輝嬋等學者利用回歸分析方法統計了導水裂隙帶高度，首次提出了防水煤柱留設與裂采比關系曲線。以上研究主要針對風化帶內巖石力學性質、開采機制及風化巖石對頂板“兩帶”發育規律進行了研究，對煤層依次開采上覆巖層變形破壞規律研究較少。為此，本文通過對許疃煤礦3235、3237與3239工作面依次開采對上覆巖層破壞影響，研究防水(砂)煤柱留設是否有縮小的可能性，以增加煤層開采儲量。

1 試驗區域概況

許疃煤礦主采煤層8層，平均傾角為8°，開采煤層總厚度約15.3 m。由于主采煤層上方覆蓋280 m 左右的巨厚含水松散層，特別是33采區普遍發育的厚12.56～28.77 m的砂礫石含水層，直接覆蓋在煤系露頭之上，可對煤系地層進行直接滲透補給，給淺部煤層的安全開采構成了明顯威脅。

根據井田120多個鉆孔資料，許疃礦包括4個含水層，4個隔水層，第3隔水層隔水性能較好，能阻隔地表水及1～3含水層地下水與下部第4含水層、基巖各含水層(段)地下水的水力聯系，因此上部含水層對煤礦生產影響不大。主要是第4含水層水通過32煤層露頭或巖層裂隙與煤系裂隙水之間產生水力聯系。32煤層內工作面布置如圖1所示，A-A剖面煤巖層分布如圖2所示。

圖1 工作面位置示意圖

2 風化帶劃分依據

風化帶深度是礦井安全開采的重要指標，也是確定開采上限的重要依據。統計分析大量鉆孔資料知，風化帶在縱向上可分為強風化帶、弱風化帶及微風化帶。巖石風化程度可根據下式計算：

(1)

式中：d——風化系數；

V0——新鮮巖石超聲波速值；

Vw——風化巖石超聲波速值。

圖2 A-A剖面示意圖

不同風化程度巖石的風化系數取值見表1，根據大量風化帶巖樣測試發現，兩淮礦區風化系數d多大于0.2，表明風化巖已進入中等—強風化階段。

表1 不同風化程度巖石的風化系數

3 風化帶巖石力學特性

(1)巖石強度降低。對兩淮礦區風化與未風化巖石進行力學試驗顯示，隨著巖體風化程度的提高，其抗壓強度、抗拉強度降低；風化程度越高，巖體破碎程度越高，強度值下降的幅度越大，如表2所示。

(2)巖石干燥飽和吸水率增大。根據68個風化帶鉆孔統計數據(見表3)可知，隨著風化程度增加，巖石干燥飽和吸水率增加；巖石浸水后，隨著風化程度增加，崩解程度增加，崩解類型由新鮮巖石向微風化巖石開裂向中等風化巖石破裂向強風化巖石泥化變化。

表2 不同風化程度鈣質泥巖物理力學性質

表3 巖石干燥飽和吸水率

(3)塑性能力增強。根據黏土礦物力學實驗，風化帶內巖體黏土礦物增加，塑性增強；單級加載應力不變時，隨著時間增加，應變不斷增加。分級加載，即使應力較小，也會產生大的變形。

(4)風干失水后，強度逐漸增高。許疃礦3235、3237和3239工作面構造部位強風化巖體的測試結果(用點荷載儀和回彈儀共同測定)如圖3所示。由圖中可看出，隨著時間的推移，風化巖體逐漸失水，其強度逐漸增加。因此，為便于風氧化帶內開采工作面頂板管理與控制，待采時間應適當延長。

圖3 風化巖體抗壓強度與時間變化關系

4 基巖風化帶下防水、防砂煤柱留設理論計算

煤層開采引起覆巖移動、破壞規律可按照《三下“采煤”規程》附錄六中的硬巖公式計算，式(1)為防砂安全煤巖柱計算式；式(2)為防水安全煤巖柱計算式。

Hs=Hm+Hb

(1)

(2)

式中:Hs——防砂安全煤巖柱垂高，m；

Hsh——防水安全煤巖柱垂高，m；

Hm——冒落帶最大高度，m；

Hli——導水裂隙帶高度，m；

Hb——保護層厚度，取25 m；

Hfe——基巖風化帶深度，在無下第三系“紅層”覆蓋區風化帶垂深取10 m，在下第三系“紅層”覆蓋區風化帶垂深取15 m；

∑M——累計采厚，取32煤層最大厚度3.5 m。

通過計算，33采區防水煤柱垂高65.1～72.2 m，防砂煤柱垂高42.5 m，取45 m，即32煤層頂板與基巖風化帶底板距離30 m。

5 煤層開采巖體變形破壞數值模擬

5.1 模擬方案

為研究松散層第4含水層水壓力作用下3235、3237、3239工作面布置對上部頂板變形破壞的影響規律，采用Plaxis軟件對3235、3237、3239工作面煤層距基巖風化帶60 m處的B-B剖面(如圖2所示)進行數值模擬。

5.2 數值模擬參數確定

根據圖2及地面兩個第4含水層長觀孔水位觀測值，取松散層第4含水層初始水位為-50 m。初始地應力場由各巖土層的自重應力產生。煤層附近巖體中的應力、應變按平面應變問題分析計算，巖體本構關系采用理想彈塑性模型，屈服準則采用Mohr-Coulomb準則。模型中對煤層下基巖底面施加水平和豎直方向約束，對剖面兩側只施加水平方向約束。第4含水層上下邊界為不透水邊界。采用15節點三角形單元對計算斷面進行網格剖分，如圖4所示。

影響巖體變形的影響因素很多，如地層結構、巖層參數、地下水場的排泄條件、工作面的開采順序等。結合勘察、鉆孔資料及相關圖紙，確定計算模型參數見表4。由于模型為松散層，其中側壓力系數按半經驗半理論JAKY公式計算，見式(3)。

K0=1-sinφ

(3)

式中：K0——側壓力系數；

φ——內摩擦角，(°)。

圖4 網格剖分

巖層重度γ/kN·m-3彈性模量E/MPa泊松比粘聚力c/MPa內摩擦角φ/(°)側壓力系數K0松散層265600002410250057粉砂巖274620001714292051泥巖276500002210362041礫巖273100001816384038基巖風化帶262650001813320047煤層270500002108230061基巖268900001920390037

6 模擬結果分析

6.1 煤層開采后巖體應力分布規律

各工作面依次開采后巖體主應力及豎向應力σy分布如圖5和圖6所示。

由圖中可看出，各工作面開采后，位于工作面上方巖體的主應力方向連線成半橢圓形拱狀，產生巖(土)拱效應，并在工作面兩側預留煤柱中形成應力集中區。沿工作面煤層開采后，煤層原來受到的應力基于巖(土)拱效應傳遞到兩側預留煤柱中，使得采空區上方巖層能繼續保持穩定。當采空區上方應力過大，巖(土)拱效應無法將大部分應力向兩側傳遞時，巖體將會產生坍塌。煤層采空后，采空區上、下底板巖層應力σy急劇減小，預留煤柱上應力σy急劇增大，形成應力集中現象。

6.2 煤層開采后巖體變形破壞特征

剪應變是反映巖(土)體變形的重要參數。各工作面依次開采后巖體內剪應變及巖體內位移增量分布如圖7和圖8所示。由圖中可知，煤層開采后，巖(土)體的剪應變最大值發生在煤層采空區頂部，采空區底部剪應變較小；后期工作面的開采對前期已開采留下的采空區處的剪應變影響較大，后期開采工作面越多，前期開采工作面處剪應變逐漸增加。僅3235工作面開采后，采空區上方的最大剪應變為1.6%。而在3237工作面開采后，3235采空區上方的最大剪應變增大為3.8%，待3239工作面開采后，3235采空區上方的最大剪應變進一步增大為4.4%。整個開采過程中，3235工作面處位移增量均一直大于3237工作面及3239工作面處位移增量，因此，實際開采過程中應加強對煤層采空區頂板位移的監測，防止前期采空區坍塌對后續工作面開采帶來影響，特別要預防后續工作面上部含水層大量充水事故。

6.3 煤層開采后巖體松動區分布

各煤層依次開采后巖體內松動區分布如圖9所示。

圖6 工作面依次開采后巖體豎向應力σy分布云圖

圖7 工作面依次開采后巖體剪應變分布云圖

圖8 工作面依次開采后巖體內位移增量分布圖

圖9 工作面依次開采后巖體內松動區示意圖

單一工作面開采時，工作面上方巖體松動范圍相對較大，合理確定相鄰工作面煤柱寬度(如相鄰工作面距離為10 m)后，再計算剖面方向，隨著開采工作面的增多，各個工作面上部巖體松動范圍變化不大，所有工作面開采后整體下沉明顯。

7 結論

(1)經理論計算，33采區防水煤柱垂高為65.1～72.2 m，防砂煤柱垂高為42.5 m，取45 m，即32煤層頂板與基巖風化帶底板距離30 m，與數值模擬結果吻合。

(2)通過數值模擬發現，隨著開采工作面增加，工作面上方巖體產生巖(土)拱效應，兩側煤柱形成應力集中區；巖體內剪應變最大值位于采空區頂板，其大小隨著工作面依次開采而增加，3235工作面采空區上方的最大剪應變由3235工作面開采后的1.6%增加到3239工作面開采后的4.4%。

(3)隨著工作面開采，首先開采的工作面位移量逐漸增加；工作面開采增加對上部巖體松動范圍影響不大。

[1] 安徽理工大學.淮南潘謝礦區縮小防水煤柱開采的試驗研究總結報告[R].淮南:安徽理工大學,2002

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[9] 國家煤炭工業局．建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程[M].北京:煤炭工業出版社,2000

[10] 于佳佳，程玉印，王曉振等. 祁東礦6163工作面松散承壓含水層下安全回采研究[J]. 中國煤炭，2015(6)

(責任編輯 郭東芝)

Study on failure law of seam overburden under weathering zone

Ren Xiaopeng1, Li Xuping2

(1. Beijing Tiandi Huatai Mining Management Co., Ltd., Chaoyang, Beijing 100013, China; 2. Mining Research Institute, Inner Mongolia University of Science & Technology, Baotou, Inner Mongolia 014010, China)

In order to solve the coal mining problem under weathering zone of base rock in loose aquifer, taking Xutuan Coal Mine as an example, the authors analyzed partition basis and rock mechanical characteristics of weathering zone combining with theory analysis and numerical simulation, and studied stress laws of rock mass, distortion and failure of 32seam under weathering zone of base rock in loose aquifer by adopting Plaxis software, and simulated B-B section's vertical sedimentation when the distance between roof and weathering zone was separately 60 m, 50 m, 40 m, 30 m, 20 m. Study results showed that the distance between roof of 32seam and floor of the base rock weathering zone was 30 m; with increasing of working face in amount, rock arching effect appeared in rock mass over the seam, shearing strain in rock mass increased, firstly mined face's displacement gradually increased and broken range of top rock had little change.

aquifer, weathering zone of base rock, overburden failure, numerical simulation

天地科技技術創新基金項目(KJ-2014-TDHT-01)

任曉鵬，李緒萍. 風化帶下煤層覆巖破壞規律研究[J].中國煤炭，2017，43(3):47-52. Ren Xiaopeng, Li Xuping. Study on failure law of seam overburden under weathering zone[J].China Coal,2017,43(3):47-52.

TD322 TD325

A

任曉鵬(1982-)，男，內蒙古阿拉善盟人，助理研究員，伊泰集團納二礦副總工程師，碩士，從事采礦工程、煤礦瓦斯災害的研究。