厚煤層開采覆巖破壞及隔水層失穩(wěn)機理分析

白海滔

（山西陽煤集團股份有限公司 五礦，山西 陽泉 045209）

所謂厚煤層，是指井工開采3.5 m以上、露天開采10 m以上的煤層。我國厚煤層產(chǎn)量占原煤總產(chǎn)量的45%左右，是厚煤層儲量、開采大國。為尋求強化厚煤層開采工藝、提升技術(shù)水平和安全水平，研究人員針對厚煤層開采覆巖破壞、粘土隔水層采動失穩(wěn)等提出過多種理論，其中相當(dāng)一部分為實際工作帶來了較大幫助，對上述內(nèi)容進行分析，具有一定的現(xiàn)實意義。

1 厚煤層開采覆巖破壞規(guī)律

1.1 瞬間破壞

厚煤層開采的方法較為多樣，目前常見的是綜采方法，該方法借助大型機械進行割煤。機械工作對煤層及覆巖結(jié)構(gòu)均會產(chǎn)生較大的影響，如果勘察工作不足（比如覆巖巖性組合、厚度、力學(xué)性質(zhì)等），進行綜采工作時，可能導(dǎo)致嚴重的瞬間破壞。瞬間破壞包括厚巖層瞬間破壞、薄巖層瞬間破壞兩類，二者在規(guī)律上存在一定差別。結(jié)合現(xiàn)有資料，發(fā)現(xiàn)厚巖層瞬間破壞規(guī)律為力失衡導(dǎo)致的垂直負載快速增加，覆巖嚴重破碎，甚至造成垮塌事故。薄巖層的破壞規(guī)律為力失衡導(dǎo)致水平拉應(yīng)力和垂直負載同時增加，導(dǎo)致覆巖出現(xiàn)局部破碎。瞬間破壞在厚煤層開采中較為少見，但可能帶來嚴重的生產(chǎn)安全事故。

1.2 長期破壞

厚煤層通常儲量豐富，因此開采時間可能在幾個月甚至1年以上，在長期的煤炭開采作業(yè)中，覆巖會遭受持續(xù)的破壞。這種破壞也分為兩種類型，即厚巖層長期破壞和薄巖層長期破壞。厚巖層長期破壞會導(dǎo)致巖層的不均勻沉降，在自身重力和長期機械外力的作用下，厚巖層的局部位置持續(xù)下降，出現(xiàn)巖體扭曲、擠壓等情況，一般只要機械作用力低于巖體受力上限，扭曲以及擠壓不會導(dǎo)致垮塌事故。薄巖層長期破壞的規(guī)律是巖體完整性、剛度的下降，在長期采煤作業(yè)中，薄巖層也面臨沉降問題，這種沉降往往帶有不均勻性，由于薄巖層本身的剛度不足，沉降的持續(xù)導(dǎo)致巖體不同位置受力差異持續(xù)增加，巖體表明拉應(yīng)力不均勻性日益嚴重，最終導(dǎo)致巖體破裂。與厚巖層長期破壞相同，這種破裂的危害一般不大。

2 厚煤層開采粘土隔水層采動失穩(wěn)機理

2.1 豎向移動變形失穩(wěn)

在厚煤層開采過程中，粘土隔水層與覆巖層同樣十分常見，與一般巖層不同，粘土隔水層的穩(wěn)定性一般更高，較少發(fā)生垮塌，但可能產(chǎn)生裂縫，出現(xiàn)滲水事故，影響采煤工作。結(jié)合現(xiàn)有資料進行研究，發(fā)現(xiàn)豎向移動變形失穩(wěn)是粘土隔水層采動失穩(wěn)的主要機理之一。所謂豎向移動變形失穩(wěn)，是指在厚煤層開采過程中，由于開采強度大，粘土層在豎直位置上出現(xiàn)小幅、緩慢位移，導(dǎo)致原有應(yīng)力平衡被打破，水流等向位移處集中，導(dǎo)致失穩(wěn)。這種失穩(wěn)一般需要通過加設(shè)支護設(shè)備加以解決，避免受力點持續(xù)受力、超過承載上限導(dǎo)致滲水等問題。英國南安普頓在20世紀早期曾出現(xiàn)一次嚴重的滲水事故，該事故的核心原因是安檢人員未能及時發(fā)現(xiàn)受力情況的變化，導(dǎo)致支護結(jié)構(gòu)破損所致，該事故也給我國采煤工作提供了借鑒。

2.2 水平移動變形失穩(wěn)

水位移動變形在粘土隔水層中出現(xiàn)的幾率相對較低，當(dāng)厚煤層不同采煤區(qū)域存在較為明顯的水平落差時，才可能出現(xiàn)粘土隔水層的水平移動變形失穩(wěn)。厚煤層的主要特點是煤層儲量大、厚度較大，而自然形成的煤層往往不會處于同一水平位置；在進行開采作業(yè)時，不同礦井之間也可能存在1 m，甚至5 m以上的落差，這種情況下粘土隔水層就可能出現(xiàn)水平移動變形失穩(wěn)。該變形情況會導(dǎo)致水平拉應(yīng)力、垂直拉應(yīng)力被破壞，受力點改變，粘土隔水層會尋找新的應(yīng)力平衡。在此過程中，小幅位移不斷出現(xiàn)，裂縫也可能因此產(chǎn)生，最終出現(xiàn)滲水事故。

2.3 厚度變化失穩(wěn)

厚度變化失穩(wěn)的發(fā)生率最低，一般粘土隔水層的厚度是相對固定的，即便地下采煤過程中出現(xiàn)較為強大的機械動能，也不會嚴重影響粘土隔水層厚度，但如果地下水水位較高，可能導(dǎo)致沖刷力量改變，在水流沖擊和機械動能、自重的多重影響下，粘土隔水層厚度會漸漸出現(xiàn)少許變化，這種變化帶來的直接影響是受力點的移動，受力點的改變則導(dǎo)致粘土隔水層力平衡的改變，并隨著開采作業(yè)進行而持續(xù)增加，如果粘土層較為松散，很可能出現(xiàn)水流下滲的情況，影響采煤作業(yè)。對國內(nèi)外155起煤礦事故進行分析，獲取粘土隔水層采動失穩(wěn)的三種類型比例如表1所示。

3 厚煤層開采相關(guān)建議

遼寧某地厚煤層井工開采，開采厚度為4.9 m，建有礦井4處，儲量較大，為保證工作安全，礦方選派技術(shù)人員對煤層進行勘測，并應(yīng)用了相關(guān)措施，保證了工作安全。

3.1 詳細勘測煤層狀況

針對上述問題，礦方在厚煤層開采作業(yè)進行前，首先對煤層狀況進行詳細的勘測，了解煤層上下巖質(zhì)、巖體狀況及地下水水位等信息，針對性地擬定開采計劃。煤層周圍巖體結(jié)構(gòu)較為致密、巖層較厚，可以進行常規(guī)綜采作業(yè)；另一部分煤層周圍存在砂石、松散粘土，礦方擬定計劃在開采過程中增加支護，并設(shè)計大量三角形的導(dǎo)力構(gòu)建，將來自煤層上部的應(yīng)力傳導(dǎo)至地下，提升工作安全性。地下水水位方面較為理想，為強化防滲效果，礦方增設(shè)水位監(jiān)測系統(tǒng)，隨時了解水位變化，指導(dǎo)開采作業(yè)，確保了工作安全。

3.2 降低機械工作瞬時強度

結(jié)合現(xiàn)有資料，煤礦人員發(fā)現(xiàn)，無論覆巖的長期破壞、瞬時破壞，還是粘土隔水層出現(xiàn)采動失穩(wěn)，均與機械工作強度密不可分，尤其是瞬時破壞，大量塌方與高強度機械工作相關(guān)。在厚煤層開采作業(yè)中，礦方適當(dāng)降低了機械工作瞬時強度，確保覆巖穩(wěn)固、粘土隔水層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后，再進行高強度機械作業(yè)。此外，為保證工作安全，礦方在進行開采工作時加強了支護結(jié)構(gòu)，提升設(shè)計水平，尤其注重應(yīng)力的傳導(dǎo)。支護設(shè)計的主要作用是在煤層周圍出現(xiàn)力失衡的情況下，改變受力情況，對主要受力點變化后的垂直拉應(yīng)力、水平拉應(yīng)力傳導(dǎo)至地下。設(shè)計人員結(jié)合需要設(shè)計了可靠的支護結(jié)構(gòu)，保證了采煤作業(yè)的安全。煤礦地下支護結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖1。

圖1 煤礦地下支護結(jié)構(gòu)設(shè)計

4 結(jié)語

通過分析厚煤層開采覆巖破壞規(guī)律及粘土隔水層采動失穩(wěn)機理，了解了相關(guān)理論內(nèi)容。厚煤層開采面臨的問題帶有自身特殊性。包括覆巖破壞以及粘土隔水層采動失穩(wěn)等。覆巖破壞受到掘進速度、機械強度影響，包括瞬時破壞和長期破壞兩個類型，粘土隔水層采動失穩(wěn)則體現(xiàn)在豎向、水平、厚度變化三個方面。后續(xù)工作中，應(yīng)詳細勘測煤層狀況、降低機械工作瞬時強度、強化支護結(jié)構(gòu)，以保證工作安全。