孟加拉國Barapukuria礦厚煤層分層開采覆巖破壞機理

解慶典，穆 馳

(1.徐州礦務集團孟巴項目部，江蘇 徐州 221116；2.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054)

0 引言

孟加拉國巴拉普庫利亞煤礦(以下簡稱“孟巴礦”)是中國在孟加拉國承包的第一座煤礦，也是目前唯一的地下開采煤礦。礦井生產能力為1.0 Mt/a，采用豎井單水平下山開采。地表附近有新近系Upper DupiTila組(UDT)承壓含水層砂層，被稱為孟加拉國地下水庫。孟巴礦煤層開采一旦破壞主要隔水層，古近系Lower DupiTila組(簡稱LDT)將與UDT含水層相連，由此造成的水損害對該礦是致命的[1]。因此，開展覆巖破壞機理研究，保護LDT隔水層的完整性，提高UDT強含水層下安全開采的可靠性，降低巖爆威脅，已成為孟巴礦安全生產亟待解決的科學問題。

國內外許多學者對水體下覆巖開采的運動與破壞規律進行了大量的研究。英國、美國、波蘭等國也對地表水(河流、湖泊)和松散含水層下采煤進行了大量試驗研究，并采用經驗方法對安全防水煤巖柱作出了相應規定。其中，BOOTH等[25]先后通過各自的研究確認了中間隔水巖組的重要性，確認了在水體下開采的中間隔水巖組的存在，避免了水體與地下高滲透采空區的直接連通；學者ASTON[6]指出，采空區周圍崩落帶和下部斷裂帶地層以及煤柱上方地層水力參數的復雜變化是含水層與采空區連通的重要原因。

我國學者對煤礦災害進行了大量的研究，并取得了一定的成果。在頂板水害防治方面，王雙明等[7]提出了限制開采高度的方法，實現了保水開采。當煤層上覆的隔水巖組厚度大于開采高度的33～35倍時，煤層開采不會破壞隔水層；黃炳香和柴敬等[89]分別采用流固耦合相似材料實驗和光纖光柵技術計算導水斷裂帶高度，確定采場隔水關鍵層的穩定性；黃慶享等[10]根據陜北淺埋煤層含水賦存條件，揭示了淺埋煤層隔水巖層“上向裂隙”和“下向裂隙”的發育規律。在巖爆的形成機理和防治方面，謝和平等[11]首次將分形理論引入到巖石力學分析中，提出巖爆中的振動分布具有分形特征；竇林名等[12]認為，巖爆的發生必須滿足強度條件、能量條件和沖擊傾向條件，并提出了巖爆動靜載荷疊加的沖擊誘發機理。潘一山等[1315]結合理論分析和數學模型研究了巖爆的物理過程，提出了巖爆的發生階段，形成了巖爆的判斷依據。

孟巴礦水文地質條件復雜，災害多，開采難度大，嚴重制約了孟巴礦的安全開采。因此，提高礦山覆巖結構的穩定性，保護UDT含水層不滲漏，對孟巴礦的安全經濟開采具有重要意義。為此，針對孟巴礦特殊的地質開采條件，探究厚煤層分層開采覆巖破壞機理，以期為孟巴礦安全開采提供技術支持。

1 孟巴礦地質條件綜合分析

1.1 礦井地層構造

孟巴礦煤系地層位于太古界閃長巖基底上，屬于不整合地層。根據揭露地層，可確定礦田地層自上而下為新生代第四系沖積層Madhupur黏土層和新生代松散層、古生代石炭-二疊系含煤地層、砂巖和冰磧的復合基底，礦井綜合柱狀如圖1所示。孟巴礦位于典型的岡瓦納大陸地層結構中，對煤礦開采具有一定的特殊性。由于成巖作用差，巖層整體巖性強度低，孔隙度大，含水量高，缺乏中生代地質沉積痕跡，因此能在地層中發揮有效隔水能力的巖層很少。

圖1 孟巴礦綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of Mengba Mine

孟巴礦覆巖巖體的物理力學性質與覆巖結構特征、覆巖破壞及開采引起的應力變形密切相關。它不僅是厚松散承壓含水層下開采覆巖破壞工程地質評價的重要指標，也是煤礦開采覆巖移動破壞的重要依據。

通過補充勘探鉆孔提取礦層的巖芯。上第三系UDT地層主要為松散構造，導致在鉆井時無法取芯；古近系LDT組主要由鋁黏土和砂質黏土組成。天然狀態下的平均抗壓強度為1.8 MPa，整體強度相對較軟。通過測試，古近系LDT組的鋁黏土總量占73%。岡瓦納組頂部的風氧化帶主要由中粒砂巖組成。天然狀態下的平均抗壓強度為5.49 MPa，整體強度相對較軟。

1.2 礦井水文地質條件

礦井主要含水層為新近系松散含水層(UDT)、基巖風化帶含水層和岡瓦納巖層裂隙含水層。大氣降水滲入地表，補充松散含水層。松散含水層(UDT)通過LDT缺失區域直接補充煤系地層。孟巴礦含微承壓潛水的新近系松散含水層(UDT)、基巖承壓含水層和高密度張力斷裂帶。礦井水文地質剖面如圖2所示。

圖2 礦井水文地質剖面Fig.2 Section of mine hydrogeological

孟巴礦水文地質類型為較復雜，屬大水礦井。影響礦山開采的含水層主要為新近系松散含水層(UDT)、古近系岡瓦納組風氧化帶底部隔水層(LDT)、岡瓦納煤系地層基巖含水層。根據含水層的位置和富水性，研究區含水層自上而下的賦存特征較為明顯。最上層為新近系上松散含水層(UDT)，屬于微承壓含水段，為研究區主要含水層；岡瓦納組風氧化帶含水層，位于礦井相對隔水層LDT下方，該組厚度在區域內分布不均，南部厚度較大；Ⅲ煤層以上煤層巖層含水層僅存在于盆地中部，含1～3號煤層，厚度分布不均勻；Ⅲ～Ⅳ煤層組間含水層巖性主要為灰白色中粗粒長石砂巖和含礫粗砂巖；Ⅳ～Ⅴ煤巖組間含水層主要為灰白色中粗粒長石砂巖和含礫粗砂巖，厚度24.3～30.0 m，平均厚度29.77 m；Ⅵ煤砂巖含水層，主要分布在該組地層研究區域，風化間隙含水層、各向異性層位徑流和塊體非均質性導致裂隙退化。

2 分層開采高度對覆巖破壞影響

在地下開采過程中，巖體的破壞范圍隨著開采范圍的擴大而增大。以孟巴礦地質開采條件為研究對象，利用UDEC離散元數值計算軟件，揭示了孟巴礦不同開采高度關鍵層的破壞情況。在FLAC3D數值計算模擬的力學參數的基礎上，增加了內摩擦角、粘聚力、抗拉強度力學參數，見表1。

表1 巖體物理力學參數

采用UDEC 5.0數值模擬軟件，對Ⅵ煤不同開采厚度(3 m和5 m)的頂板和覆巖破壞特征進行計算分析，模型設計600 m×300 m(寬×高)，其中預留底板40 m。由于Ⅵ煤頂板具有完整性好、孔隙率高、脆性大的特點，塊體設置較小，塊體隨著遠離煤層逐漸變大，松散層的作用可視為重力作用下模型上施加的垂直應力。模型左右兩側預留50 m煤柱，消除邊界效應。Ⅵ煤布置4個工作面，模型左右邊界采用橫向約束，下邊界采用豎向約束，上邊界采用應力約束，UDEC數值計算模型圖如圖3所示。

圖3 分層開采計算模型Fig.3 Layered mining calculation model

圖4(a)和(b)分別顯示了煤層開采高度為3 m時的覆蓋層破壞和垂直應力演化規律。可見，4個工作面開采后63 m范圍內，煤層堅硬厚頂板破壞較為明顯。頂板垂直應力演化規律也可以間接反映覆巖破壞高度，如圖4(b)所示，圖中紅色為垂直應力為0的區域，紅色部分最高點約為65 m，該數據與圖4(a)所示的63 m破壞高度非常一致。當開采高度為3 m時，頂板破壞高度為64 m。此時，關鍵層不受開采影響，完整性良好，它可以起到承載表土的作用，結構關鍵層不僅控制了覆巖移動變形，而且還限制了導水裂隙帶發育高度。

圖4 開采高度3 m時覆巖破壞規律Fig.4 The overlying rock failure law at a mining height of 3 m

圖5(a)和(b)分別顯示了煤層開采高度為5 m時的頂板破壞和垂直應力演化規律。與3 m開采高度相比，5 m開采高度處巖石節理頂點高度為116 m；垂直應力為0的區域的最高點達到119 m。如圖5(b)所示，此時，關鍵層被破壞，整個覆蓋層下移，覆蓋層導水斷裂帶高度突增，Ⅵ煤頂板砂巖含水層和Ⅳ、Ⅴ煤之間含水層受到擾動，礦井涌水量可能顯著增加，由于礦井排水能力的限制，礦井安全生產受到威脅。

圖5 開采高度5 m時覆巖破壞規律Fig.5 The overlying rock failure law at a mining height of 5 m

3 分層開采覆巖破壞演化機理

3.1 覆巖導水裂隙帶發育規律

孟巴礦厚煤層采用限高開采，控制覆巖破壞高度，實現基巖水逐級排泄，多次釋放頂板破斷能量。分層開采的關鍵技術是保證結構關鍵層的穩定性，避免厚硬頂板一次斷裂引起的巖爆災害。根據文獻[16]，通過方程(1)計算結構關鍵層穩定的充分必要條件。根據式(1)，在分層工作面開采高度小于5 m，工作面寬度小于150 m的條件下，可滿足分層開采后結構關鍵層的穩定性，實現Ⅵ煤頂板砂巖的分段破壞。

(1)

式中，l為關鍵層結構穩定的跨度，m；q為上覆巖層施加的載荷，N/m；h為結構關鍵層的厚度，m；D為結構關鍵層的抗彎剛度。

3.2 覆巖巖性演化機理

Ⅵ煤層頂板砂巖厚度大，完整性強，構造關鍵層位于頂板巖層上部。在關鍵層結構穩定狀態下，覆蓋層僅在構造關鍵層下部破碎，形成斷裂帶。一旦關鍵結構層斷裂并失去穩定性，覆蓋層的破壞高度將進入Ⅵ煤頂板上方。雖然Ⅴ煤至LDT煤頂板上方的巖層主要由砂巖組成，但該段砂巖的強度較低，遇水時強度大幅減小且脆弱，覆蓋層破壞裂縫較發育。在覆蓋層移動過程中，由于厚松散層的荷載作用，巖體進一步破碎弱化，覆蓋層綜合巖性由中硬變軟弱。分層開采地表移動變形規律如圖6所示。

圖6 分層開采地表移動變形規律Fig.6 The law of surface movement and deformation in layered minin

通過對工作面25號地表觀測線上測點沉降速度變化進行分析，可以得出,1208工作面地表沉降活躍期為162 d，最大沉降速度為28.7 mm/d；1308工作面地表沉降活躍期縮短為91 d，最大沉降速度為37.4 mm/d。沉降速度增大，這是覆巖結構由構造關鍵層向非構造關鍵層演化后的結果，在地表松散層荷載作用下，工作面上覆巖層的綜合巖性由中硬向軟弱演化。

4 結論

(1)孟巴礦覆蓋層和地表沉降是分段的。覆巖結構變形和地表沉降是關鍵層構造斷裂失穩前后變化的重要標志。在關鍵層結構失穩前，覆巖和地表的移動形式取決于關鍵層的變形量和破壞形式。關鍵層以上覆蓋層移動緩慢，持續時間長；關鍵層結構破壞后，覆巖和地表移動變形迅速而劇烈，主要是由于分層開采厚度和松散層受力程度的影響。

(2)孟巴礦地表變形盆地的移動范圍大于常規條件下的移動范圍，移動邊界張力帶伴有階梯狀交錯裂縫，臺階錯動裂隙的破壞程度主要取決于分層開采的厚度和分層布置。

(3)隨著UDT松散層對LDT隔水層的結合張力降低，地表沉降盆地拉伸區的破壞特征也會在LDT沉降盆地拉伸區出現向下的破壞裂縫。在UDT水壓侵蝕作用下，當隔水層底板較薄時，LDT隔水層可能被破壞。因此，分層交錯布置對于UDT水體下的安全開采至關重要。