覆巖運動規律及其致災分析范文
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《礦業安全與環保雜志》2015年第五期
巨厚巖層作為煤層上方一種特殊的巖層賦存形式,在國內外多個礦區均有分布,如華豐巨厚礫巖、義馬巨厚礫巖、濟寧巨厚巖漿巖、海孜巨厚巖漿巖等。由于巨厚巖層厚度大、強度高、整體性強,在其下進行煤層開采時較易出現動力現象,如沖擊地壓、煤與瓦斯突出、工作面支架壓架等。為了研究巨厚巖漿巖下覆巖層破斷規律及其動力致災的成因,蔣金泉等采用彈性薄板力學模型研究了高位硬厚巖層的破斷規律及其動力響應;聶政[8]采取地面鉆孔、高位鉆孔等手段,研究了巨厚火成巖高突瓦斯的綜合治理;安鴻濤等[9]研究了巖漿巖侵入破壞區煤層瓦斯地質規律;舒龍勇等采用理論分析和數值模擬相結合的方法,分析了楊柳煤礦2層厚硬火成巖的相互組合關系;王亮等采用巖漿巖取芯化驗、煤樣測試及現場觀測等方法,探討了巨厚巖漿巖對遠程煤層瓦斯賦存與突出災害的影響;滕永海等對采動過程中上覆巖層的離層發育規律進行研究,探索了離層注漿控制技術。針對上覆巨厚巖漿巖的地層結構,通過相似材料模擬試驗,直觀地觀察到巨厚巖漿巖破斷前后的破斷結構與形態,深入研究了巨厚巖漿巖下覆巖層的破斷規律,進一步得出巨厚巖漿巖運移失穩與離層瓦斯突然涌出的關系。
1相似材料模擬設計
1.1相似材料模型參數相似模型可采煤層厚度8m,埋深340m;厚度60m的巨厚巖漿巖與煤層的層間距為80m,巖漿巖整體性較強;模型試驗采用平面相似模擬試驗臺,試驗臺的長、寬、高分別為3.0、0.4、2.0m,實際有效高度1.8m。模型試驗采用的相似比如下:幾何相似比1頤200,容重相似比1頤1.5,彈模相似比1頤300,強度相似比1頤300。
1.2相似模型制作及相似材料的選取模型試驗巖層主要由煤層、直接底及上覆巖層組成。除巖漿巖外上覆巖層主要由粗砂巖、細砂巖、粉砂巖、泥巖構成。相似模型共鋪設57層,鋪設高度為1.62m,其中上覆巖層高度為1.44m,上部未能進行模擬的巖層采用施加工字鋼塊體的方法來模擬上覆均布載荷,所加載工字鋼的質量為500kg。相似材料有河砂、石膏、碳酸鈣、云母粉,其中河砂作為骨料,石膏和碳酸鈣作為膠結物,云母粉作為分層材料均勻鋪在各分層之間。相似材料模型中的不同巖層采用相應的配比實現,見表1。
1.3相似模型開挖從模型右側開始往左側模擬煤層開采,每次推進50mm,每隔2h挖一次,每天開挖200mm,模擬原型推進540m。為消除邊界效應,模型兩側邊界保留250mm煤柱,相當于原型的50m。
2巖漿巖下覆巖運動過程
相似模型試驗得到了高位巖漿巖條件下上覆巖層運動的主要特征。如圖1所示,當工作面推進到100m時,R-6關鍵層(6m厚粉砂巖)及其上部厚度8m的R-7粉砂質泥巖在中部和端部初次破斷運動后形成鉸接結構,斷裂發育高度達到40m。已運動的R-6、R-7巖層與上部巖層之間形成離層,離層空間的高度為3m、跨度為40m。R-6關鍵層初次運動后在采空區上方形成覆巖裂隙拱,由于裂隙拱的形成,工作面推進距離100m時R-6關鍵層的初次破斷跨距僅為56m。當工作面推進到120m時,R-8關鍵層(6.4m厚粉砂巖)兩端產生較大的貫穿裂隙,初次破斷跨距60m,R-8關鍵層初次破斷運動導致R-6關鍵層出現第1次周期破斷運動,第1次周期破斷步距僅為20m。R-8關鍵層運動后覆巖斷裂發育高度為46郾4m,出現較大的離層裂隙帶,離層空間的高度為4.8m,離層跨度為60m,裂隙拱向前向上發展。如圖2所示,當工作面推進到160m時,R-12關鍵層(6.4m厚粉砂巖)及其上部R-13砂質泥巖、R-14細砂巖、R-15泥巖,出現初次破斷運動,初次破斷跨距82m,R-6關鍵層相應地產生第2次周期性破斷,周期破斷步距為40m。R-12關鍵層初次破斷運動后,覆巖斷裂發育高度80m,裂隙拱發育到巖漿巖主關鍵層下。巖漿巖底部離層高度為4.6m,跨度為66m,下部運動巖層已經比較密實。如圖3所示,當工作面推進到180m時,R-6關鍵層出現第3次周期性破斷運動,破斷步距為20m。巖漿巖底部離層跨度發展達85m,離層高度為4.6m,覆巖裂隙拱被巨厚巖漿巖主關鍵層屏蔽,沒有再向上發育,形成平頂形裂隙拱。當工作面推進到200、220、240m時,R-6關鍵層分別出現第4、5、6次周期性破斷運動,破斷步距基本為20m,主關鍵層底部離層空間的跨度從85m逐漸發育為134m,離層高度變化不大。當工作面推進到270m時,R-6關鍵層出現第7次周期性破斷運動,破斷步距為30m。主關鍵層底部離層跨度發展到164m,離層高度為5m。巨厚巖漿巖在采空區中部(距開切眼136m)出現高度為36.4m的豎向破斷裂隙,如圖4所示。當工作面推進到330m時,R-6關鍵層出現第9次周期性破斷運動,破斷步距為30m。當工作面推進到340m時,巨厚巖漿巖主關鍵層破斷下沉運移完成,其上部巖層隨之劇烈運動,覆巖裂隙不斷向上發育到模型上部,并伴隨著小巖粉塊不斷拋出模型。
3.1巖漿巖下覆巖運動規律從相似材料模擬試驗過程發現,在開采初期,頂板懸空面積較小,上覆巖層結構能夠保持力學平衡;隨著工作面的不斷推進,原有的應力平衡狀態遭到破壞,頂板巖層發生彎曲、變形、失穩和破斷;上部巖層繼而又呈現懸空狀態,出現新的巖梁或巖板,并以單層或成組的形式不斷向上發展,直至達到巨厚巖漿巖。由于巖層巖性及抗彎剛度的不同,尤其是在抗彎剛度相差極大的巖層界面間極易出現離層,離層的最大發育高度止于巖漿巖,且在巖漿巖破斷前離層跨度也達到最大。巨厚巖漿巖下部基本頂的周期性運動步距并非完全相同,其變化范圍為20~40m。如圖5所示,覆巖不同高度破斷點的連線將呈現出裂隙拱的形態,且隨著工作面推進不斷向上和向前發展,直至達到巨厚巖漿巖主關鍵層。覆巖裂隙發育到巖漿巖后,直到巖漿巖破斷前,裂隙拱受到巖漿巖的控制及屏蔽作用而呈現平頂形態。巖漿巖破斷運移后,覆巖裂隙拱由平頂形態擴展成拱形狀態。
3.2巨厚巖漿巖對礦井離層瓦斯突然涌出的致因分析裂隙拱發育到巨厚堅硬巖漿巖底部時,是巖漿巖破斷前裂隙拱的極限位置。由于巖漿巖巨厚且堅硬,短推進距離內不會達到其極限跨距。相似模擬試驗表明,當工作面推進到300m時,巖漿巖的跨距為180m,巨厚巖漿巖阻止了離層向上發育的趨勢,裂隙拱呈現出平頂形態的裂隙拱板。裂隙拱板內的斷裂帶巖層產生相互交叉溝通的斷裂裂隙和離層裂隙,斷裂裂隙和離層裂隙增加了煤巖體的滲透性,瓦斯的運移阻力大大減小。采空區及上部煤層的瓦斯將通過相互交叉溝通的裂隙與巖漿巖底部的離層空間溝通,瓦斯在壓力差的作用下,不斷涌入巖漿巖底部離層區域內。又由于巖漿巖能夠長期保持整體性,變形及下沉量小,巖漿巖對瓦斯產生圈閉作用,使巨厚巖漿巖底部離層區域成為瓦斯富集區。隨著巖漿巖懸露跨度的不斷增加,在自重及荷載的作用下,首先在巖漿巖中部出現豎向裂隙,然后在端部出現貫通裂隙,巖漿巖發生破斷失穩。巨厚巖漿巖破斷下沉使其底部離層空間急劇減小,同時短時間內覆巖裂隙的瓦斯涌出量有限,離層空間內的大量瓦斯被壓縮,瓦斯壓力急劇上升。巨厚巖漿巖積聚的大量彈性能瞬間釋放,對離層瓦斯富集區產生強大的沖擊力,同樣造成巖漿巖底部離層瓦斯壓力急劇上升。離層空間的大量高壓瓦斯沿著相互溝通的斷裂裂隙和離層裂隙涌向工作面、抽放孔等,極易誘發瓦斯突然涌出。2011年7月17日楊柳煤礦10414工作面地面2#抽放孔發生噴孔,17時20分,瓦斯抽采濃度在短短的32min內從20%急劇上升到100%,抽放負壓急劇下降到0。
3.3動力災害防治方法1)瓦斯抽采。巨厚巖漿巖下的離層區域是瓦斯富集區,有利于卸壓瓦斯抽采,如果采用地面鉆孔或井下穿層鉆孔進行卸壓瓦斯抽采,其效果將十分明顯。2)離層注漿。針對上覆巖層結構特點,對巨厚巖漿巖下部離層發育空間進行注漿,不僅可以充填巨厚巖漿巖底部離層空間,而且能夠有效地控制巖漿巖的顯著運移,避免了高位巨厚巖漿巖破斷下沉而誘發瓦斯突出。3)充填開采或條帶開采。采用充填開采或條帶開采方法,巨厚巖漿巖底部離層空間大大減小,甚至不會出現,巖漿巖也不再破斷失穩,可避免離層空間和巖漿巖破斷失穩帶來的一系列問題。
4結論
1)煤層上覆巖層裂隙以拱的形式不斷向前和向上發展,當裂隙拱發育到巨厚堅硬巖漿巖時受其控制及屏蔽作用而呈現拱板形態,巖漿巖破斷運移后覆巖裂隙由拱板形態再發育成拱形狀態。2)離層運動的總體趨勢是前移和上移。離層的最大發育高度止于巖漿巖,且在巖漿巖破斷前離層跨度達到最大,為瓦斯聚積提供了空間。3)巨厚巖漿巖對下部離層瓦斯具有圈閉作用,其破斷會導致離層瓦斯被壓縮,瓦斯壓力急劇上升,大量高壓瓦斯傳遞到工作面及抽采鉆孔,易誘發瓦斯突然涌出。4)針對上覆巖層賦存堅硬巨厚巖層的結構特點,采取瓦斯抽采、離層注漿、條帶開采等方法,可以有效地減小瓦斯突然涌出的可能性。
作者：馬富武 蔣金泉 武泉林 張培鵬 單位：山東科技大學 礦業與安全工程學院 山東科技大學 采礦工程研究院
