覆岩破坏规律及近水体煤层开采技术

煤矿覆岩破坏规律及近水体煤层开采技术煤炭科学研究总院文学宽研究员联系电话:136815694251.覆岩破坏规律研究的目的采掘工作面支护参数及井巷煤柱的合理留设；水体下煤层开采可行性评价及开采上限合理确定；煤层群上行开采的可能性和安全性评价；高瓦斯、易自燃近距离煤层开采防灭火措施制定；“双突”矿井瓦斯预抽范围及解放层的选取；采矿权重叠矿井安全评价。2.覆岩破坏规律研究理论覆岩破坏的研究只有近百年的历史。前苏联、德国、比利时、中国等国学者均进行了研究。近年来，由于研究方法、计算机的广泛和实测手段的应用，使覆岩破坏的研究进入了一个新的发展阶段，但由于覆岩的复杂性、现场实测条件的限制，至今未形成系统的理论。目前应用比较广泛的理论或假说大概有以下几种：2.1悬臂梁假说德国学者施托克提出了悬臂梁假说。该假说认为：顶板岩层是一种连续介质，初次垮落以后，可以看作一端固定在工作面煤壁前方煤体上的悬臂梁,正是这种岩梁随采场推进有规律的折断才导致采场来压的现象。悬臂梁折断的步距可由连续介质力学的方法确定。悬臂梁假说可以较好地解释工作面周期来压的现象，但没有考虑支承压力预破坏对顶板岩层的影响，因而对覆岩结构形态的描述是不够全面的。2.2压力拱假说德国人哈克(W.Hack)和吉里策尔(CG.Gillitzer)于1928年提出的。在回采作面上方由于岩层自然平衡的结果而形成了一个“压力拱”，拱的一个支撑点在工作面前方煤体内，形成前拱脚A，而另一个支撑点在采空区己垮落的矸石或采空区的充填体上，形成后拱脚B，如图1所示。A、B均为应力增高区(S1,S2)，工作面则处于应力降低区。在前后拱角之间顶板或底板中都形成了一个减压区((L1)，回采工作面的支架只承担压力拱C内的岩石重量。这种观点解释了两个重要的矿压现象：一是支架承受上覆岩层的范围是有限的；二是煤壁上和老空区矸石上将形成较大的支承压力。但由于该假说难以解释采场周期来压等现象，现场也难以找到定量描述拱结构的参数，所以只能停留在对一些矿压现象一般解释上，不能很好的解决工程实际问题。S2L1S1ACB2.3预成裂隙假说比利时A·拉巴斯提出。由于工作面前方支承压力的作用，使顶板岩体中形成了矿压裂隙，上覆岩层的连续性遭到破坏，从而形成非连续体。假说还认为，在回采工作面周围存在着应力降低区（Ⅰ）、应力升高区(Ⅱ)和采动影响区(Ⅲ)。随着工作面的推进，3个区域同时相应地向前移动。为了有效地控制顶板，应保证支架具有足够的初撑力和工作阻力，并及时支撑住顶板岩层，使各岩层的岩块之间保持彼此挤紧状态。借助于彼此之间的高摩擦力，阻止它们之间的相对滑移、张裂与离层。预成裂隙假说的贡献在于它揭示了煤层及临近采场的部分岩层在支承压力作用下超前破坏的可能性，正确地指出了其破坏的原因。但不能正确地解释采场上覆岩层的周期性破坏和来压规律。ⅠⅡⅢ2.4“砌体梁结构”理论中国工程院院士钱鸣高创立。认为：采场上覆岩层的岩体结构主要是由每个坚硬岩层组成，每个分组中的软岩层则可视为坚硬岩层上的载荷,在水平推力作用下，断裂后且排列整齐的坚硬岩块可形成铰接关系，此结构具有滑落和回转两种失稳形式。“砌体梁结构”理论给出了采场上覆坚硬岩层周期断裂后形成平衡结构的条件，并阐述了采场来压、支架—围岩关系等一系列问题。钱院士通过对“砌体梁”结构的进一步深人研究得出“关键层”理论。该理论认为，当采场上覆岩层中存在多层坚硬岩层时，仅有一层或几层坚硬岩层对整个采场上覆岩层的运动起决定性作用，采场上覆岩层的变形、破断、离层和地表沉陷等一系列矿压显现规律主要受坚硬岩层中这一层或几层被称为关键层的岩层控制，主关键层与亚关键层、亚关键层与亚关键层之间的变形不协调导致了岩层移动中的离层与裂隙的产生。ABQi0CQi1DQi2EQi3FQi4GQi5ABA1A2B1B2CD1E3C1C2D2TR0-0R0-1R1-2R2-3R3-4R4-5mi1Qi1mi2Qi2mi3Qi3mi4Qi4mi5Qi52.5“传递岩梁”理论由中国科学院院士宋振骐教授提出。认为：老顶岩梁对支架的作用力取决于支架对岩梁运动的抵抗程度，可能存在给定变形和限定变形两种工作方式，并给出支架—围岩关系的表达式，即位态方程。该假说还认为：以老顶断裂线为界分为内、外两个应力场。此观点对确定合理巷道的位置及采场顶板控制设计起到了积极的作用。这一理论的重要贡献在于：揭示了岩层运动与采动支承压力的关系，并明确提出了内外应力场的观点，以此为基础，提出了系统的采场来压预报理论和技术；提出了“限定变形”和“给定变形”为基础的位态方程（支架围岩关系），以此为基础，提出了系统的顶板控制理论和技术。HmL0L1L2L3Ln-1Ln3.覆岩破坏与采动影响采动影响引起覆岩移动变形和破坏采动影响是指回采引起的围岩活动现象及造成的种种损害，包括：采动后岩层（岩体）和地表的应力变化；采动后岩层（岩体）和地表整体性移动；采动后岩层（岩体）和地表垮落开裂性破坏。3.1.采场采动影响的分布特征在采用长壁全部垮落采煤法的情况下，采空区顶、底板岩层及所采煤层本身中的采动影响，按其性质及程度可分为三个区带，即：应力微变化区；微小变形与移动区；开裂垮落性破坏区。以上这三个区带的范围大小主要受采厚、倾角、岩性、地层结构等影响。下面以中等硬度岩（煤）层为例，说明采场采动影响的分布特征：采动影响部位采动影向性质不同煤层倾角采动影响范围（米）采动影响后果≤35°36~54°≥55°工作面前(后)方所采煤层本身应力微变化区微小变形与移动区开裂垮落性破坏区80~15030~350~380~15030~35————————巷道维护容易,透气性微增,隔水性不变巷道维护困难,隔水性微受影响，透气性增加巷道不能维护、隔水（气）性完全破坏采空区上（下）侧所采煤层本身应力微变化区微小变形与移动区开裂垮落性破坏区（下侧）80~100*(下侧）15~25**(下侧）2~3（上侧）40~60（上侧）10~30（上侧）2~5（上侧）30~50（上侧）10~30（上侧）5~20巷道维护容易,透气性微增,隔水性不变巷道维护困难,隔水性微受影响，透气性增加巷道不能维护、隔水（气）性完全破坏采空区顶板岩层整体移动带开裂性破坏带垮落性破坏带30~40m以上9~30m0~6m30~40m以上9~30m0~6m——3~21m（煤层）3~7m（煤层）△巷道有可能维护、透气性增加，隔水性微受影响△巷道难以维护，隔水（气）性完全破坏△巷道不能维护，隔气性完全破坏，无隔水、泥、砂能力采空区底板岩层鼓胀开裂带微小变形与移动带应力微变化带8~15***20~25****60~80————————————△△巷道难以维护，隔水（气）性受破坏△△巷道可以维护、隔水（气）性受破坏巷道维护容易，透气性微增，隔水性不受影响采场采动影响的分布特征注：m——采厚3.2.覆岩破坏形态3.2.1.切冒型破坏案例:大同挖金湾煤矿覆岩大面积突然塌陷：采高4.0～4.3m，构造简单，煤层稳定，直接顶为细砂岩，厚度3m，老顶为厚层状中粗砂岩，厚度84～104m，开采方法：房柱式。1957年至1961年5月采完，开采面积达16.3万m2，回收房间煤柱工作至1961年12月22日11时，顶板响动遍及整个盘区，将工人撤出盘区，半小时后大面积顶板突然冒落。造成地陷12.8万m2，深达1m，地表对应出现7条0.2～0.5m，长102～360m大裂缝，顶板冒落产生巨大暴风，造成另外盘区多人伤亡，损毁密闭9座，风桥2座，支架90多架，巷道由4m降为2m，巷宽增大为6～7m。碎煤将皮带全部埋住，全井通风运输系统破坏。切冒型破坏形态:既不象有规律的“三带”型破坏，又不象非均衡破坏那样逐渐向上抽冒，而是突然一次性的由煤层顶板直达地表。垮落下来的岩块与未垮落岩体之间的裂隙形如刀切。故称之为切冒形.破坏特点：垮落岩体呈反漏斗形状；单次垮落的面积大；垮落范围小于开采范围；地表下沉均匀，周边裂隙宽度达0.5m，深不见底。产生条件：覆岩坚硬难冒,具有整.厚.硬的特性.覆岩整体性强，坚硬难冒，单向抗压强度60-80MPa。开采煤层厚度大，开采深度小，如大同煤厚5-6m，采深100m以内。3.2.2.“三带”型破坏：长壁工作面煤层采出采用全部垮落法处理采空区，从煤层直接顶板开始，由下向上依次垮落、开裂、离层、弯曲,经过若干时间终止移动。移动期间和移动稳定后的上覆岩层，按其破坏程度的不同，大致可分为垮落带、裂隙带、弯曲带。(1)垮落带破坏特征a不规则性垮落带下部为不规则垮落。垮落带内岩块不能传递水平力，控顶范围内垮落带的岩层重量由支柱或支架支撑。b膨胀性。岩石的碎胀性使垮落带岩石的体积增大，使垮落带与未垮落顶板岩层下方的自由空间逐渐变小，使垮落不再继续。c高度控制因数。垮落带与煤层采厚、上覆岩层岩性、碎胀系数、煤层倾角和直接顶厚度。(2)裂隙带破坏特征垮落带之上的和整体移动带之间的岩层产生断裂或裂缝。其特点：岩层破坏有规则：无论是垂直岩层面或平行岩层面的裂缝均使岩层保持原有的层状；破坏程度分带明显：裂隙带在垂直剖面上分为：严重断裂、一般开裂和微小开裂。破坏高度与开采条件关系：破坏高度随开采空间扩大而向上发展，达到最大高度之后，不再发展，并随时间推移，岩层趋于稳定。上部裂隙逐渐闭合，其高度随之降低；重复采动减弱破坏程度：厚煤层第一分层以后的分层开采时，裂隙带高度上升的幅度和初次采动减小。(3)弯曲带破坏特征裂隙带上界至地表的岩层称为弯曲带，曾称弯曲下沉带或整体移带。其特点：垂直弯曲、水平受压、隔水性增强岩层在自上而下沿层面法向弯曲，在水平处于双向受压，当岩性较软时，隔水性能增强。岩层完整不存在破坏岩层移动连续有规律，保持整体性和层状结构，不存在或极少存在离层裂隙。地表形成下沉盆地盆地边缘要出现长裂隙，其深度3-5m，一般小于10m。裂隙宽度向下渐窄，至一定深度后闭合消失。3.2.3覆岩“三带”型破坏的最终形态覆岩“三带”型破坏形态不仅决定覆岩的破坏范围，而且决定破坏的最大高度。以前认为采场与掘进巷道的覆岩破坏形态类似，均为中间高、四周低的拱形形态。通过现场实测：长壁全陷开采缓倾斜煤层，当工作面初次放顶后，一般不再出现垮落拱，其形态与煤层倾角有关。按倾角划分为3种态：近水平、缓倾斜煤层：0-35°；中倾斜煤层：36-54°；急倾斜煤层：55-90°。(1)近水平、缓倾斜煤层覆岩破坏最终形态（0°≤α≤35°）裂隙带两端边界一般会超出开采边界，呈马鞍形。其特点：采空区四周边界略高。中间较低，两端较高，最高位于采空区斜方。采空区中央破坏高度一致。采空区面积相当大，且采厚大体相等时，中央破坏高度基本一致。马鞍形产生原因：煤层倾角小。开采边界区和采区中央区的变形值不同。工作面端部和中部下沉量和下沉速度不一样。冒落角、导水裂隙角大于岩层移动角。(2)中倾斜煤层覆岩破坏范围最终形态（36°≤α≤54°）产生原因：当煤层倾角为36-54°时，采后垮落岩块落到采空区底板后，向采空区下部滚动，使采空区下部被垮落岩块填满，从而不再继续垮落。而采空区上部，由于垮落岩块的流失，等于增加了开采空间，故破坏高度大。垮落带、裂隙带破坏范围在倾斜方向上呈上大下小的抛物线拱形形态。但在走向方向上仍为马鞍形形态。(3)急倾斜煤层覆岩破坏范围最终形态（55°≤α≤90°）垮落带呈耳形或上大下小的不对称拱形，裂隙带形状与垮落带类似。其特点：破坏性影响更加偏向于采空区上边界；破坏范围有顶板、底板及所采煤层本身；随煤层倾角的加大，垮落带、裂隙带范围逐渐转变为椭圆拱形形态。产生原因：开采倾角较大的急倾斜煤层时，由于垮落带岩块滚动下滑加剧，迅速充填采空区下部空间，限制了下部的垮落带和裂隙带向上发展。采空区上部、边界煤柱片帮、破碎、抽冒，使垮落带和裂隙带急剧向上发展。4.覆岩破坏范围及最大高度4.1影响覆岩范围最大高度的主要因素4.1.1.岩性软硬程度：覆岩直接顶和基本顶都比较坚硬的条件下，下沉量小，使垮落过程充分发展，覆岩破坏高度大。而软弱岩层顶板松软破碎，随采随