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综放工作面采后覆岩移动规律及离层空间发展形态分析

2024-12-13 66 上传者：管理员

摘要：综放工作面大规模开采后容易造成显著的地表沉陷等相关问题，为进一步探究综放工作面采后覆岩运动规律及离层空间发育形态，结合山西晋煤集团晋圣坡底煤业有限公司矿区工程实际情况，以3106工作面为工程背景，采用数值模拟和现场实测两种方法进行综合研究。结果表明，在工作面回采的第一阶段，离层一般可以达到煤层开采厚度的0.31倍，最大可以达到0.58倍的开采厚度；第二阶段分离缝宽度较窄，分离量较小，离层从起裂到达到最大值一般需要20～30 d,相当于工作面推进70～100 m,对应层位高度为200 m。

关键词：
厚煤层综放开采
煤层开采
离层
综放工作面
覆岩
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厚煤层综放开采方法具有煤层一次采出厚度大、覆岩运动影响范围广的典型特征[1]。煤层大规模开采后，易引起显著的地表沉陷，会对区内建(构)筑物的安全使用和矿区生态平衡造成严重影响[2]。近年来，国内外许多专家学者对综放工作面覆岩运动规律和离层发育规律进行了相关的研究和探讨，取得了一系列有益的研究结论。研发了厚煤层开采覆岩离层注浆技术，以解决上述技术难题[3]。胡志新[4]提出了理想条件下分离高度的预测公式。安丰存等[5]采用位移反分析法进行模型识别和理论分析，提出了“四带”模型的概念，为岩石移动变形的精确算法提供了理论依据。还有一些学者提出了岩层控制的关键层理论，构建了覆岩关键层位置判别方法，分析了关键层运动对地表移动的影响及离层演化规律，为研究覆岩离层运动规律奠定了理论基础。

为进一步探究厚煤层顶煤空穴开采后覆岩运动规律及离层空间发育形态，在前期理论和技术研究基础上，结合晋圣坡底煤业有限公司矿区工程实际，采用数值模拟和现场实测相结合的综合研究方法，从不同角度对厚煤层工作面开采后顶板时空运动规律进行研究分析，并在此基础上，总结了覆岩离层空间发育规律及影响离层量相关性的因素。该研究为类似工程地质条件下厚煤层工作面的安全开采提供了基础理论参考。

1、工程概况及地层结构分析

1.1 工程概况

3106工作面位于Ⅲ一盘区北部，地表无水体赋存，地面标高为+809～+843 m, 井下标高为+660～+758 m, 主采煤层为3号煤层，其埋深为80～170 m, 位于二叠系下统山西组下部，工作面范围内煤层平均厚度6.24 m; 3号煤层下部9号、15号煤层为稳定的可采煤层，3号煤层距离9号煤层平均50.58 m, 9号距离15号煤层平均33.46 m。

直接顶为泥岩、砂质泥岩，平均厚度3.87 m; 老顶为中细粒砂岩，平均厚度14.5 m; 直接底为泥岩，局部为粉砂岩或粉砂质泥岩，平均厚度1.73 m; 老底为砂质泥岩、粉砂岩，平均厚度2.95 m。

3106工作面煤层厚度为6.24 m, 属中厚煤层，结合现场实测数据，采煤工作面机采回采率取95%,放顶煤回采率取80%。

1.2 地层结构分析

研究厚煤层开采后覆岩离层发育的运动规律和形式，首先要分析煤层覆岩的结构特征。煤层覆岩结构由不同厚度、不同岩性的多层煤岩层组成，其组合特征和运动规律差异较大。有时覆盖层表现出群体运动特征，群体运动是指在岩层群底部一层硬岩层带动上层软岩层的同步协调运动[6]。岩层的联合移动由各岩层因素的强度(包括岩性、厚度和弹性模量)决定。强度较低的上部岩层与强度较高的下部岩层同时移动，下沉的曲率相同，具有较高强度因素的上部岩层逐渐从具有较低强度因素的下部岩层分离出来。

对于相邻的2个岩层是否同时移动形成岩层组或单独移动，可以通过已沉降岩层中的最大曲率来判断。

当ρmax上层>ρmax下层时，两个地层组合成一个移动地层组。

当ρmax上层<ρmax下层时，两岩层分别运动，形成两岩层组。

岩梁的最大曲率可由下式表示

式中，α为由岩梁的支护条件所决定的系数；L为岩梁跨度极限；E为岩梁的弹性模量，GPa;m为岩石厚度，m。

2、研究方法与方案

2.1 数值模拟

根据3106工作面的工程概况和对地层结构的分析，对岩性组成进行了简化。结合ANSYS数值模拟软件的特点，构建了三维计算的工程地质模型，如图1所示，模型大小为2000 m×2 000 m×900 m(X×Y×Z)。

选用弹塑性屈服准则(DP),采用接触参数模拟岩层间的“弱面”,“弱面”人为弱化了接触面即层理面或结构面的物理力学参数，使工作面推进过程中岩层中相应位置更易产生离层。选用库仑摩擦模型作为基本模型，计算摩尔-库仑准则的弹-塑性本构关系[7]。模型计算时，选取的岩石力学参数见表1。

表1 岩石力学参数

数值模拟以3106工作面为工程背景，概化模型从煤层底板到地表划分为5 400个单元。初始地应力场达到平衡后，在工作面顶板上方50 m、90 m、149 m、202 m、240 m、306 m处设置弱面。监测了沿走向推进200 m、300 m、400 m、500 m、600 m和700 m时，软弱面处离层的大小和演化过程。

2.2 现场测量

现场实测采用深钻孔岩石运动观测装置，其方法为深基点观测法。在开采前，从地表向矿区顶板打一个垂直钻孔，将处理后的压缩木放置并固定在孔内不同深度处作为观测基点[8]。随着工作面的推进，根据观测基点位移在超前钻孔中的变化，通过连接压缩木的钢丝传递到地表，得到测点所在岩层中的移动变化。装配式压缩木的测量基点如图2所示。

图1 工程地质模型的三维计算

图2 装配式压缩木的测量基点

在已开采的3106工作面布置有地表岩层移动的钻孔，观测钻孔布置在3106工作面中部，从钻孔到开孔的距离为150 m。在工作面倾斜方向，上孔与上槽的距离为77 m, 与下槽的距离为67 m。

工作面回采后，岩层开始发生移动变形，直至岩层移动变形稳定[9]。在垂直方向上，观测了2个工作面顶板130～350 m范围内230 m岩层的位移情况。在3106工作面钻孔内共布设6个测点进行离层观测，选择离层观测层位为距煤层顶板向上180～350 m, 观测岩层深度区间为372～543 m。

3106工作面的观测钻孔结构如图3所示，测点均布置在厚硬岩层中，定期测量并记录孔口与测量点的距离及孔口标高。根据不同测点位移随时间的变化，得到了离层量的信息，并对覆岩运动规律进行了探讨和总结。

图3 3106工作面的观测钻孔结构

3、结果与讨论

3.1 数值模拟结果分析

开采过程中离层的动态发展如图4所示。在工作面推进初期(图4(a)、(b)),离层开始沿工作面垂直方向和推进方向发育。如图4(c)、(d)所示，随着工作面的不断推进，离层发育规模不断扩大，工作面推进方向上的离层发育规模尤为明显，在垂直方向上，离层发育程度较小，下部离层开始呈现闭合趋势[10]。如图4(e)、(f)显示，当工作面推进至600 m 和700 m时，离层的规模较图4(c)、(d)所示进一步扩大，下部离层被压实，但部分离层未被完全压实。随着开采距离的增加，低位离层逐渐压实，高位离层开始发育，高位离层大于低位未压实离层。

图4 开采过程中离层的动态发展

将煤层顶板上方的弱面分别记为A、B、C、D、E、F,如图4(a)所示。根据图4,总结了不同推进距离与分离特性的对应关系，工作面推进过程中200～700 m的离层量发展曲线如图5所示。

图5 200～700 m的分离量发展曲线

由图5可知，各位置的分离度由零逐渐发展到最大值，最后趋于接近。各位置离层在500～600 m处发展到最大，当工作面推进至700 m时，200 m、300 m、400 m处时几乎无离层。

综上，通过数值模拟得到的结果或规律如下。

在工作面推进方向上，离层发育规模逐渐增大。在垂直方向上，最下层的分离随着上层分离的出现而趋于闭合。开采完成后，中下部离层和裂隙缓慢闭合，最终形成残余离层。

走向断面模型的垂直深度为900 m, 工作面推进至200～300 m时开始出现离层，如图4(a)、(b)所示。对于中硬岩层和中厚煤层的开采，当推进距离达到约1/3采深时，裂隙带上方就开始出现离层。

在煤层顶板上方的各个弱面处产生了大小不一的离层，离层对岩层的岩性和厚度具有较强的敏感性。如果相邻岩层的岩性相差较大或者相邻岩层的岩性相近但厚度或弹性模量相差较大，也会产生离层。

3.2 现场测量结果分析

3106工作面的6个测点分别记为#1、#2、#3、#4、#5、#6,2个工作面的覆岩下沉和离层观测曲线如图6所示，工作面3个阶段的覆岩下沉规律为：①沿3106工作面各测点相对于地面的位移很小，覆岩基本不下沉；②3106工作面覆岩频繁周期性下沉，下沉量迅速增大；③两工作面的离层发育基本停滞，没有产生新的离层[11]。在第1阶段和第3阶段，覆岩下沉和离层发育很小，离层主要发生在第2阶段。在此阶段，离层空间明显增大，相对于地面的位移迅速增大，覆岩集中下沉，各测点之间的相对位移不大，即各测点的下沉和分离在整个过程中并不是均匀连续的而是呈跳跃式的[12]。

图6 3106工作面覆岩下沉离层观测曲线

3106工作面各测点之间的离层量曲线和测量范围内的总离层量曲线，如图7所示。其中曲线#1-2、#2-3、#3-4、#4-5、#5-6离层分别表示测点#1-#2、#2-#3、#3-#4、#4-#5、#5-#6之间离层量的变化。被称为“总离层”的曲线是上述所有离层曲线叠加的结果，即表示在测量范围内总离层量的变化。

图7 3106工作面各测点之间的离层量以及总离层量

综上，通过现场测量得到的结果或规律如下。

由图7可知，3106工作面观测到的离层发展过程中最大离层量为88 mm, 最大离层发生在#4和#5曲线之间。

#5-6的分离度明显大于#1-2的分离度，这一结果表明，当工作面回采完毕后，下部离层逐渐被压实，只剩下残余离层，离层空间逐渐向上发育至高位位置，高位位置产生的分离量大于下部已压实的残余分离量。

3.3 讨论

3106工作面岩层为中硬岩层，因此选用冒落带高度计算公式

式中，M为煤层厚度，m,并计算了冒落带和裂隙带的范围。对2种实验的结果或规律进行了对比研究，得到了厚煤层开采后覆岩运动形态和离层空间发育形式的相关结论。

随着工作面的推进，自下而上产生离层。离层存在时间与上部岩层埋深呈负相关，与强度因子呈正相关。离层空间的扩展具有一定的时间效应，即离层从起裂到达到最大值一般需要20～30d,相当于工作面推进70～100m,对应的层位高度为200m。

若相邻岩层岩性相似，则上部岩层厚度大于下部岩层厚度，也会产生离层。离层对岩层厚度具有较强的敏感性，相邻两岩层间弯曲刚度的差异是离层发生的关键，厚硬岩层的底面无疑是离层的位置。

工作面回采的2个阶段，离层区离层量差异显著。第1阶段离层一般可达到煤层采厚的0.31倍，最大可达到采厚的0.58倍；第2阶段离层缝宽度较窄，分离量较小，随着覆岩的破断，离层缝迅速闭合。

分离自下而上逐渐发展，最下层的分离随着上层分离的出现而趋于闭合。对于中硬岩层和中厚煤层开采，当推进距离达到约1/3采深时，裂隙带上方开始出现离层。

当采动达到一定范围后，覆岩上部产生离层。覆岩中下部与开采范围中上部覆岩离层一般接近，而工作面上部与煤壁上部一般存在残余离层，有些分离从未间断。

4、结论

(1)工作面开采过程中覆岩运动规律。在煤层初采阶段，煤层顶板开始垮落，形成冒落带；工作面继续开采后，冒落带上方逐渐出现裂隙，形成裂隙带；随着工作面的不断推进，裂隙带上部岩层不断破断并依次弯曲下沉。前期产生的下部破碎岩石减小了上部覆岩的下沉，顺层方向的变形范围逐渐扩大，覆岩曲率减小。当岩层因压裂而破坏发展到一定高度时，只发生弯曲下沉，而不发生因压裂破坏，即覆岩最终以整体弯曲的形式下沉。

(2)工作面开采过程中离层发育规律。在工作面推进的初始阶段，由于开采距离较小，离层开始发展，此时离层量不大；工作面继续推进较短距离后，原有离层位置有一定程度的闭合，最大离层位置上移；随着工作面的进一步推进，最大离层仍保持水平方向不断推进、竖直方向不断抬升的趋势，而先前产生的离层在一定程度上被压实，部分离层可能存在残余变形。

(3)分离压实稳定后的形态特征。低空分离的初始产生具有分离高度大、分离宽度小的特点。离层压实稳定后，远离地面的低空离层基本不存在。在工作面开切眼上方和煤壁后方上方可能存在残余离层，部分离层可能永不闭合。中部的岩层或岩层组也紧密附着，即中部岩层基本不存在离层；对于高位离层，高位位置相邻岩层或岩层组之间会产生一个或多个离层，产生的离层大小一般大于残余离层。

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