榆神矿区中深埋厚煤层开采覆岩破坏规律研究_陈真.pdf

*基金项目:陕西煤业化工集团科研项目(2 0 1 8 S MHK J-B-J-2 4);陕煤联合基金项目(2 0 2 1 J L M-0 9);陕西省科技厅中央引导地方科技发展专项资金计划项目(2 0 2 0 Z Y-J C-0 3).榆神矿区中深埋厚煤层开采覆岩破坏规律研究*陈真1,荣统瑞2,贾栋栋1,张萌2,张慧峰1,白坤1,马旭1,马越1,侯恩科2(1.陕西小保当矿业有限公司,陕西 榆林市 7 1 9 3 0 2;2.西安科技大学 地质与环境学院,陕西 西安 7 1 0 0 5 4)摘 要:中深埋煤层覆岩破坏规律及裂隙发育特征与煤矿安全开采密切相关。为揭示陕北侏罗纪煤田中深埋工作面高强度开采下的覆岩破坏规律以及导水裂隙带发育规律,以榆神矿区小保当一号煤矿1 1 2 2 0 1工作面为研究区域,采用数值模拟和现场实测相结合的方法开展了风沙滩地区中深埋煤层高强度开采下的煤层覆岩破坏规律研究。研究表明:1 1 2 2 0 1工作面的初次来压步距约为1 0 0m,2-2煤充分采动后,导水裂隙带最终发育高度为1 6 9.2m,裂采比为2 9.2 7。根据高密度三维地震探查,导水裂隙带发育高度为1 7 8.4 2m,裂采比为3 0.8 7。研究成果可为中深埋煤层开采矿井水害防治和水资源保护提供指导。关键词:覆岩破坏;导水裂隙带高度;小保当煤矿;高密度三维地震探查0 引言我国陕北矿区浅埋煤层群储量丰富,煤层开采过程中形成的采动裂隙发育至基岩含水层内部甚至达到松散层含水层,导致含水层的水沿覆岩破坏裂隙漏出,严重时导致发生顶板失水事故13。对于采动覆岩破坏高度及分布特征,国内众多学者利用数值模拟、相似材料模拟实验,以及结合理论分析等方法,分析并研究了煤层开采过程移动覆岩破坏运动过程及高度的发育规律,并取得了诸多成果46。对于中深埋煤层采动覆岩破坏机理方面,赵春虎等7针对榆神矿区中深煤层开采,利用M o h r-C o u l o m b塑性破坏准则识别出采掘扰动下导水裂隙带的发育范围,以上研究成果基本阐明了中深埋煤层开采过程的覆岩破坏规律。目前,大量学者81 5相继开展了一系列的理论研究和工程实践。赵高博等1 0通过分析煤层上方岩层悬伸破断机制和岩块结构失稳机制,进而提出一种综放开采导水裂隙带高度理论预测方法。疏义国等1 1利用光纤传感技术对采煤过程进行动态监测,对中深埋特厚煤层采动影响下覆岩变化规律进行总结提炼。石磊1 2采用离散元颗粒流软件P F C3 D建立数值模拟三维模型,清晰地掌握煤层开采覆岩裂隙发育演化情况,确定覆岩破坏高度,并采用钻孔实时彩色成像技术对模拟结果进行全面验证。李江华等1 3通过对比分析覆岩类型划分方法和覆岩破坏经验公式,构建近距离特厚煤层开采垮落带高度与层间距关系数学模型,明确了覆岩破坏高度预计选取标准。利用数值计算模型,模拟工作面采场覆岩破坏特征,并采用分布式光纤测试技术。冯学文等1 4分析回采过程中采场覆岩不同时间、空间应变变化,总结回采工作面覆岩移动、变形及演化规律。吕玉广等1 5对采后覆岩结构进行深入研究,提出了覆岩结构“新四带”模型。上述研究对煤层覆岩破坏和裂隙发育的基本特征及规律进行了全面深入的分析,由于地质条件对覆岩破坏的影响明显,随着煤炭开采深度的增加,覆岩破坏规律会呈现出差异性,与浅部煤炭资源开采有所不同,因此需要对埋深较大或采深较大的浅埋煤层覆岩破坏与导水裂隙带发育特点进一步深入研究。本文以榆神矿区小保当煤矿1 1 2 2 0 1工作面为例,通过数值模拟与现场实测结合的方法,对采动覆岩破坏特征及导水裂隙带发育规律进行研究,得出了煤层覆岩的垮落及导水裂隙带的发育规律,为中深埋煤层开采水害防治提供参考。1 矿井地质概况小保当一号煤矿位于陕北黄土高原北端,毛乌素沙漠东南缘。大部分地域被第四系风积半固定沙I S S N1 6 7 1 2 9 0 0C N4 3 1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第2期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.22 0 2 3年3月M a r.2 0 2 3DOI:10.13828/ki.ckjs.2023.02.012丘和固定沙丘所覆盖,以风蚀风积沙漠丘陵地貌为主。按井田地下水赋存条件及水力特征,主要含水层可划分为第四系上更新统萨拉乌苏组孔隙潜水含水层(Q3 s)、风化岩基岩孔隙裂隙承压水含水层、侏罗系中统安定组、直罗组、延安组基岩裂隙承压水含水层。主要隔水层为保德组红土隔水层。1 1 2 2 0 1工作面开采的2-2煤赋存于延安组第四段顶部,是区内最厚的主要可采煤层。地面标高+1 2 8 3+1 3 3 0m,2-2煤埋深为2 9 6.7 0 3 8 0m。2-2煤直接顶为厚度2.6 7 3.3 7m的细粒砂岩,老顶为厚度1 4.2 3 3 5.2 9m的中粒砂岩,直接底为厚度2.0 5 2.6 7m的砂质泥岩及粉砂岩,老底为厚度2.99.5 5m的砂质泥岩。具体岩层力学参数见表1。表1 岩层力学参数岩层岩性厚度/m天然容重/(k N/m3)抗拉强度/M P a弹性模量/G P a内聚力/M P a内摩擦角/()细砂6.81.4 50.10.1红土8 3.21.5 50.10.10.0 32 5.8粉砂岩1 1.7 72 3.61.0 21 9.5 82.4 43 8.7 5细粒砂岩5.4 32 3.21.2 62 5.4 72.8 83 8.8 4粉砂岩2 1.22 3.21.12 1.2 42.3 43 8.6 9细粒砂岩9.72 2.91.2 53 6.83.8 23 6.9 7砂质泥岩5.9 82 3.71.6 23 0.2 73.1 93 7.8 7粉砂岩1 3.2 12 4.11.2 52 3.2 52.4 43 8.7 5细粒砂岩8.52 2.91.9 63 6.5 83.8 23 6.9 7砂质泥岩3.62 3.71.6 23 0.2 73.1 93 7.8 7细粒砂岩1 0.92 2.91.9 63 6.5 83.8 23 6.9 7粉砂岩2 5.9 52 3.51.3 22 4.3 22.6 73 7.9 3细粒砂岩3 0.8 52 3.11.52 6.5 72.8 83 8.8 4粉砂岩1 6.9 12 3.60.9 81 6.5 81.9 43 9.2 9砂质泥岩6.12 3.71.6 23 0.2 73.1 93 7.8 7细粒砂岩8.8 92 3.21.42 7.52.83 7.4 2中粒砂岩1 9.3 52 2.81.7 53 2.4 53.4 93 8.3 5细粒砂岩9.0 52 3.21.42 7.4 52.2 83 7.4 21-1煤0.6 51 3.20.5 68.5 80.9 23 5.9 6粉砂岩3.2 52 3.51.3 42 4.6 82.2 73 7.4 2煤0.5 51 3.20.5 61 0.1 20.9 23 5.9 6粉砂岩1.22 3.91.22 1.4 73.5 33 8.1 6细粒砂岩1 3.52.3 12.2 14 1.24.4 93 8.3 5细粒砂岩1.42 2.11.8 53 1.2 73.5 93 7.1 1 续表岩层岩性厚度/m天然容重/(k N/m3)抗拉强度/M P a弹性模量/G P a内聚力/M P a内摩擦角/()粉砂岩1 0.7 12 3.91.2 32 6.52.1 43 9.8 5中粒砂岩3 5.2 92 3.11.9 83 1.0 73.2 93 9.1 7细粒砂岩3.3 72 3.31.6 52 9.8 73.1 23 7.3 52-2煤5.7 81 3.10.4 87.5 40.6 13 8.4 82 采动覆岩破坏数值模拟研究2.1 模型建立根据工作面布置(如图1所示),左右预留5 0m保护煤柱,前后各预留5 0m,模型选取:长宽高=8 0 0m 3 5 0m 3 6 5.7m,倾向倾斜角度为1。单元格规格为1 0m1 0m2m,共计1 5 20 0 0个单元。建立的模型如图2所示。图1 工作面示意图2 模型示意2.2 采动覆岩破坏规律2.2.1 采动覆岩塑性破坏特征11陈真:榆神矿区中深埋厚煤层开采覆岩破坏规律研究在2-2煤开挖的塑性区模拟中,沿X Z平面剖开得到2-2煤及其覆岩剖面(见图3)。(a)2-2煤层开挖1 0 0m塑性区(b)2-2煤层开挖2 0 0m塑性区(c)2-2煤层开挖3 0 0m塑性区(d)2-2煤层开挖4 0 0m塑性区(e)2-2煤层开挖5 0 0m塑性区(f)2-2煤层开挖6 0 0m塑性区(g)2-2煤层开挖7 0 0m塑性区图3 2-2煤开采塑性破坏煤矿地下开采过程中,随着地下开采工作面的推移,破坏了覆岩体的自然应力平衡状态,采空区上覆岩层由于重新分布的次生应力场的作用,岩层内部的应力也重新分布达到新的平衡。上覆岩层发生断裂、冒落、弯曲和下沉,这种运动变化由下向上逐步发展至地表而形成地表沉陷。当工作面推进到1 0 0m处时(见图3(a),塑性区发生变化,上覆岩体出现张拉 剪切应力,塑性区高度发育至2 2m处。当工作面推进到2 0 0m处时(见图3(b),塑性区影响范围扩大,上覆岩体出现明显的张拉 剪切应力,剪切破坏在煤壁处与切眼处上升,塑性区近似呈现出“马鞍”状,塑性区高度发育达到5 4.2 8m处。当工作面推进到3 0 0m处时(见图3(c),塑性区影响范围进一步扩大,两侧对称发育,塑性区高度进一步上升,发育达到9 4.7m处。当工作面推进到4 0 0m处时(见图3(d),塑性区影响范围进一步扩大,上部塑性区上升,且采空区上方出现多组岩层张拉破坏,此时塑性区近切眼与近煤柱处发育较缓,中间发育较快,塑性区呈现隆起,塑性区高度发育达到1 2 6.8m处。当工作面推进到5 0 0m处时(见图3(e),采空区上方张拉作用明显,塑性区高度增长,呈“马鞍”状,且对称发育,塑性区高度发育达到1 5 9.2m处。当工作面推进到6 0 0m处时(见图3(f),塑性区影响范围进一步扩大,左右两侧塑性区高度略有上升,呈对称形态,上覆岩体张拉作用明显,塑性区高度发育达到1 6 9.2m。当工作面推进到7 0 0m处时(见图3(g),塑性区影响范围进一步扩大,形状依然对称,整体呈“马鞍”状,塑性区高度发育达到1 6 9.2m处,此后基本趋于稳定。2.2.2 采动覆岩应力演变特征在2-2煤开挖模拟中沿X Z平面剖开得到2-2煤层及其覆岩剖面(见图4)。当工作面推进1 0 0m时(见图4(a),由于张拉应力的出现,采空区上方应力值加大,达到1.9M P a,由于左右预留了煤柱,应力最大区域位于煤柱与切眼,煤柱与煤壁的交界区域,最大达到1 7.8M P a,应力最低处发生在底板与地表附近。当工作面推进2 0 0m时(见图4(b),工作面上方拉应力进一步扩大,采空区上方应力相对于前1 0 0m21采矿技术2 0 2 3,2 3(2)(a)2-2煤层开挖1 0 0m应力区(b)2-2煤层开挖2 0 0m应力区(c)2-2煤层开挖3 0 0m应力区(d)2-2煤层开挖4 0 0m应力区(e)2-2煤层开挖5 0 0m应力区(f)2-2煤层开挖6 0 0m应力区(g)2-2煤层开挖7 0 0m应力区图4 2-2煤开采应力区应力值加大,应力最大区域仍位于煤柱与切眼,煤柱与煤壁的交界区域,达到2 2.4M P a,最低处仍位于底板与地表。当工作面推进3 0 0m时(见图4(c),工作面上方拉应力数值增大,在煤柱与切眼,煤柱与煤壁的交界区域,应力达到2 6.8M P a,采空区上部覆岩应力较稳定。当工作面推进4 0 0m时(见图4(d),工作面上方拉应力仍呈增大趋势,煤壁承受更大的压应力,距离采空区距离较远的覆岩应力也增大,图形对称发育,在煤柱与切眼,煤柱与煤壁的交界区域应力值仍为最大。当工作面推进5 0 0m时(见图4(e),工作面上方拉应力仍呈增大趋势,煤壁承受更大的压应力,达到3 0.8M P a,图形对称发育,当工作面推进6 0 0m时(见图4(f),工作面上方拉应力仍呈增大趋势,煤壁承受压力进一步增加,达到3 1.6M P a。当工作面推进7 0 0m时(见图4(g),工作面上方拉应力仍呈增大趋势,煤壁承受压力,为3 1.9M P a,由于模型区域稳定,采空区垮落后,左右煤壁承受的压力向采空区中心聚集,压力值基本稳定。3 高密度三维地震探查裂隙带发育范围及高度如图5、图6所示。从图5、图6中可以看出,裂隙带在采空区上方发育,发育边界比采空边界外扩2 0m左右。结合地震属性、反演剖面特征可以计算得出,裂隙带顶部标高为+9 6 0+1 1 5 7m,相对于煤层顶板发育高度为0 1 7 8.4 2m。平行工作面裂隙带高度发育形态为南高北低特征,垂直工作面裂隙带高度发育形态为两边高中间低特征。采空区南部裂隙带发育高度达到最大,发育高度约1 7 8.4 2m。向两侧采空边界处裂隙图5 裂隙带顶部裂隙发育范围示意31陈真:榆神矿区中深埋厚煤层开采覆岩破坏规律研究图6 裂隙带发育高度示意带发育高度逐渐减小,西部保留煤柱附近裂隙带发育高度约为0m。本区含水层为2-2煤上部风化基岩裂隙承压水和延安组的含水层,以及位于新生界的萨拉乌苏组的含水层,图7为裂缝、地震数据叠合时间剖面。由图7可以看出,导水裂隙发育至直罗组,未贯通基岩,尚未发育到风化基岩底界面。结合数值模拟结果,工作面上部裂隙带高度发育形态为两边高中间低,特征相符合,且由塑性区法可得导水裂隙带高度为1 6 9.2m,裂采比为2 9.2 7,符合实测数据。为确保安全生产,综合确定采用高密度三维地震实测结果,即导水裂隙带高度为1 7 8.4 2m,裂采比为3 0.8 7。导水裂隙带对地下水影响分以下3个方面。图7 裂缝、地震数据叠合时间剖面 (1)对第四系上更新统萨拉乌苏组含水层的影响。导水裂隙带不会贯通第四系更新统相对隔水层,而萨拉乌苏组含水层在第四系离石组(Q2 l)、午城组(Q1 w)之上,故导水裂隙不会波及萨拉乌苏组含水层。(2)对第四系更新统相对隔水层的影响。第四系离石组(Q2 l)、午城组(Q1 w)是潜水和承压水之间的隔水层,厚度一般是4 08 0m,而本区基岩面标高大于裂隙带最大发育高度3 2m,故导水裂隙不会沟通第四系更新统相对隔水层。(3)对延安组(J2 y)含水层和直罗组(J2 z)碎屑岩类含水层的影响。导水裂隙已经贯穿延安组含水层和直罗组碎屑岩含水层。延安组含水层和直罗组含水层的富水性较弱,因此可以判断导水裂隙带基本不充水。4 结论(1)数值模拟结果表明:2-2煤初次来压步距为1 0 0m,充分采动后,塑性区法确定的导水裂隙带发育高度为1 6 9.2m,裂采比为2 9.2 7。(2)2-2煤层开挖应力最大区域在煤柱与切眼,煤柱与煤壁的交界区域,应力最低处发生在底板与地表附近。开挖结束后,采空区中部应力发生集中,导致煤壁压力趋于稳定。(3)根据高密度三维地震观测,导水裂隙发育至直罗组,未贯通基岩,尚未发育到风化基岩底界面,经计算其最大发育高度为1 7 8.4 2m,可以判断导水裂隙带基本不充水。综合确定采用高密度三维地震实测结果,即导水裂隙带高度为1 7 8.4 2m,裂采比为3 0.8 7。参考文献:1 王双明,黄庆享,范立民,等.生态脆弱区煤炭开发与生态水位保护J.中国煤炭地质,2 0 1 0,3 5(0 1):7-1 4.2仵拨云,彭捷,向茂西,等.榆神府矿区保水采煤受保护萨拉乌苏组含水层研究J.采矿与安全工程学报,2 0 1 8,3 5(0 5):9 8 4-9 9 0.41采矿技术2 0 2 3,2 3(2)3缪协兴,王长申,白海波.神东矿区煤矿水害类型及水文地质特征分析J.采矿与安全工程学报,2 0 1 0,2 7(0 3):2 8 5-2 9 1+2 9 8.4杨达明,郭文兵,赵高博,等.厚松散层软弱覆岩下综放开采导水裂隙带发育高度J.煤炭学报,2 0 1 9,4 4(1 1):3 3 0 8-3 3 1 6.5车晓阳,侯恩科,谢晓深,等.煤层开采导水裂隙带发育高度分析J.中国科技论文,2 0 1 6,1 1(0 3):2 7 0-2 7 3.6陈峰,潘一山,钟勇.采动影响下覆岩应力变化规律的数值模拟分析J.中国地质灾害与防治学报,2 0 1 4,2 5(0 3):7 4-7 8.7赵春虎,靳德武,王皓,等.榆神矿区中深煤层开采覆岩损伤变形与含水层失水模型构建J.煤炭学报,2 0 1 9,4 4(0 7):2 2 2 7-2 2 3 5.8石磊.基于P F C的覆岩破坏高度数值模拟及实测分析J.矿业安全与环保,2 0 2 1,4 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