特厚煤層綜放開采覆巖破壞規(guī)律研究

張建超+雷明安

摘 要：針對長安煤礦4-2煤層埋深淺、煤層厚的開采技術(shù)條件，為了研究在河流下綜放開采的可行性，以該礦4113工作面為實(shí)際工程背景，運(yùn)用相似材料模擬實(shí)驗(yàn)，對工作面開采過程中的覆巖移動和破壞情況進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)得出了工作面頂板垮落步距、覆巖“三帶”變形和破壞特征，分析確定了導(dǎo)水裂隙帶的高度。

關(guān)鍵詞：綜放開采；淺埋煤層；導(dǎo)水裂隙帶；相似材料模擬

中圖分類號：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.01.092

1 引言

我國煤炭儲量豐富、分布廣泛，在一次能源消耗中占主導(dǎo)地位。我國是煤炭產(chǎn)出和消費(fèi)大國，根據(jù)目前的社會發(fā)展形勢和工業(yè)需求，煤炭的需求將穩(wěn)中求升。但是，煤炭資源屬的日益減少，加之其不可再生的本質(zhì)，越來越不能滿足我國工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，煤炭將成為緊缺能源。在我國煤炭資源日益緊張和的受水影響的煤炭資源比重日漸加大的形勢下，安全開采受水威脅的煤炭資源既是經(jīng)濟(jì)增長的需要也是生態(tài)環(huán)境保護(hù)的需要。陜西是我國的煤炭生產(chǎn)大省，地區(qū)煤層普遍具有厚度大、埋深淺的特點(diǎn)，煤炭開發(fā)條件優(yōu)勢十分明顯。淺埋深、厚煤層的開采特點(diǎn)對于水體下安全開采提出了新的挑戰(zhàn)和新的要求。

2 模型建立

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)M對象

4-2煤層埋藏深度為146～192m，煤層平均厚度8m，傾角為2.4°～8.6°，平均3.1°，4113工作面走向長1713.31m，傾斜長180m，推進(jìn)速度平均6m/d，采出率85%。第四紀(jì)黃土層厚度4m，煤層偽頂為0.9m厚的泥巖，直接頂為3.6m厚的細(xì)粒砂巖，基本頂為5m厚的粗粒砂巖；基本底為7.38m厚的泥巖；煤層為低中灰、富硫、低磷、無粘結(jié)性、強(qiáng)結(jié)渣、高熱值的富有煤。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計與參數(shù)確定

實(shí)驗(yàn)采用平面應(yīng)力模型，比例尺為1：200。設(shè)計模型高度為80cm～95cm，長度300cm，寬度20cm。

本次試驗(yàn)參數(shù)按物理量成比例原則，取值如下：

2.3 測點(diǎn)布置

在模型上布置4條位于煤層上方的水平觀測線，從下往上依次為觀測線A、觀測線B、觀測線C和觀測線D，觀測線A距離煤層10cm，觀測線B距離觀測線A為20cm，觀測線C距離觀測線B為20cm，觀測線D距離觀測線C為20cm；每條觀測線上布置14個觀測點(diǎn)。在模型地表安裝了14個位移監(jiān)測百分表，間距為20cm，用來觀察地表下沉量。測點(diǎn)布置示意圖見圖1。

2.4 模型制作

基巖采用石英砂作為骨料，石膏和大白粉作為膠結(jié)劑；土層采用粘土和石英砂作為骨料。經(jīng)計算得到各分層所需要的材料。在模型鋪設(shè)過程中，整個基巖部分以1cm鋪設(shè)，壓制后作節(jié)理與分層處理。模型采用自然風(fēng)干，按照時間相似比進(jìn)行開挖。

3 過程簡述

模型總長3m，兩邊各留0.3m邊界煤柱，開采長度為2.4m（實(shí)際為480m）。擬定開采高度為8m，觀測8m采高覆巖裂隙發(fā)育高度。實(shí)驗(yàn)過程中，設(shè)定開采步距為每天50cm（實(shí)際為100m）。最終觀測時間在模擬開采停采5天后進(jìn)行。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 “三帶”發(fā)育狀況

當(dāng)工作面推進(jìn)到100m時，直接頂初次垮落，冒落帶高度10.8m。當(dāng)工作面推進(jìn)到130m時，基本頂初次垮落，冒落帶高度為26m。當(dāng)工作面推進(jìn)到160m時，基本頂周期性垮落，垮落步距為30m，垮落巖層高度為46m，其上覆巖層出現(xiàn)離層，高度為50m。當(dāng)工作面推進(jìn)到280m時，基本頂周期性垮落，垮落巖層高度發(fā)育為68m（觀測線B處），其上覆巖層出現(xiàn)彎曲下沉現(xiàn)象，離層高度距底板116m（觀測線C與觀測線D之間），快發(fā)育到地表。當(dāng)工作面推進(jìn)到320m時，基本頂周期性垮落，距底板116m的離層區(qū)已經(jīng)閉合，說明離層區(qū)上方巖層緩慢下沉，地表出現(xiàn)3條裂縫，小河溝處為閉裂縫、小河溝左側(cè)48m處出現(xiàn)張裂縫，小河溝右側(cè)62m處出現(xiàn)一條張裂縫。當(dāng)工作面推進(jìn)到480m時，到達(dá)停采線位置，由試驗(yàn)可得出，冒落帶高度為26m（冒高比為3.25），導(dǎo)水裂隙帶高度為116m（裂高比為14.5），地表出現(xiàn)6條裂縫，開切眼處巖層破斷角為55°，工作面覆巖周期性巖層破斷角為49°～54°。

4.2 巖層觀測線移動情況

開采模型穩(wěn)定后，在模型全景圖上按照實(shí)際尺寸對觀測點(diǎn)進(jìn)行下沉素描。經(jīng)過測算，觀測線A上的觀測點(diǎn)最大下沉值為6.409m，觀測線B上的觀測點(diǎn)最大下沉值為4.243m，觀測線C上的觀測點(diǎn)最大下沉值為3.462m，觀測線D上的觀測點(diǎn)最大下沉值為2.68m。

5 結(jié)論

通過相似材料模擬實(shí)驗(yàn)，對4113工作面在淺埋深、大采高綜放開采條件下的覆巖破壞進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

（1）煤層上覆巖層在開采過程中移動和破壞特征明顯，較為明顯地形成“三帶”，即垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。

（2）當(dāng)開采高度為8m時，導(dǎo)水裂隙帶高度為116m（裂高比為14.5），導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度不會與地表河流導(dǎo)通，可以進(jìn)行安全回采。

（3）對地表下沉量進(jìn)行觀測，得出地表最大下沉值為2680mm，位于河溝附近，地表雖出現(xiàn)裂縫和下沉，但并未與導(dǎo)水通道貫通。

參考文獻(xiàn)

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