覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其致災(zāi)分析范文

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《礦業(yè)安全與環(huán)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(guó)內(nèi)外多個(gè)礦區(qū)均有分布,如華豐巨厚礫巖、義馬巨厚礫巖、濟(jì)寧巨厚巖漿巖、海孜巨厚巖漿巖等。由于巨厚巖層厚度大、強(qiáng)度高、整體性強(qiáng),在其下進(jìn)行煤層開(kāi)采時(shí)較易出現(xiàn)動(dòng)力現(xiàn)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(guī)律及其動(dòng)力致災(zāi)的成因,蔣金泉等采用彈性薄板力學(xué)模型研究了高位硬厚巖層的破斷規(guī)律及其動(dòng)力響應(yīng);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(qū)煤層瓦斯地質(zhì)規(guī)律;舒龍勇等采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,分析了楊柳煤礦2層厚硬火成巖的相互組合關(guān)系;王亮等采用巖漿巖取芯化驗(yàn)、煤樣測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)等方法,探討了巨厚巖漿巖對(duì)遠(yuǎn)程煤層瓦斯賦存與突出災(zāi)害的影響;滕永海等對(duì)采動(dòng)過(guò)程中上覆巖層的離層發(fā)育規(guī)律進(jìn)行研究,探索了離層注漿控制技術(shù)。針對(duì)上覆巨厚巖漿巖的地層結(jié)構(gòu),通過(guò)相似材料模擬試驗(yàn),直觀地觀察到巨厚巖漿巖破斷前后的破斷結(jié)構(gòu)與形態(tài),深入研究了巨厚巖漿巖下覆巖層的破斷規(guī)律,進(jìn)一步得出巨厚巖漿巖運(yùn)移失穩(wěn)與離層瓦斯突然涌出的關(guān)系。

1相似材料模擬設(shè)計(jì)

1.1相似材料模型參數(shù)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(qiáng);模型試驗(yàn)采用平面相似模擬試驗(yàn)臺(tái),試驗(yàn)臺(tái)的長(zhǎng)、寬、高分別為3.0、0.4、2.0m,實(shí)際有效高度1.8m。模型試驗(yàn)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(qiáng)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(yàn)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(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖構(gòu)成。相似模型共鋪設(shè)57層,鋪設(shè)高度為1.62m,其中上覆巖層高度為1.44m,上部未能進(jìn)行模擬的巖層采用施加工字鋼塊體的方法來(lái)模擬上覆均布載荷,所加載工字鋼的質(zhì)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(jié)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(yīng)的配比實(shí)現(xiàn),見(jiàn)表1。

1.3相似模型開(kāi)挖從模型右側(cè)開(kāi)始往左側(cè)模擬煤層開(kāi)采,每次推進(jìn)50mm,每隔2h挖一次,每天開(kāi)挖200mm,模擬原型推進(jìn)540m。為消除邊界效應(yīng),模型兩側(cè)邊界保留250mm煤柱,相當(dāng)于原型的50m。

2巖漿巖下覆巖運(yùn)動(dòng)過(guò)程

相似模型試驗(yàn)得到了高位巖漿巖條件下上覆巖層運(yùn)動(dòng)的主要特征。如圖1所示,當(dāng)工作面推進(jìn)到100m時(shí),R-6關(guān)鍵層(6m厚粉砂巖)及其上部厚度8m的R-7粉砂質(zhì)泥巖在中部和端部初次破斷運(yùn)動(dòng)后形成鉸接結(jié)構(gòu),斷裂發(fā)育高度達(dá)到40m。已運(yùn)動(dòng)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(guān)鍵層初次運(yùn)動(dòng)后在采空區(qū)上方形成覆巖裂隙拱,由于裂隙拱的形成,工作面推進(jìn)距離100m時(shí)R-6關(guān)鍵層的初次破斷跨距僅為56m。當(dāng)工作面推進(jìn)到120m時(shí),R-8關(guān)鍵層(6.4m厚粉砂巖)兩端產(chǎn)生較大的貫穿裂隙,初次破斷跨距60m,R-8關(guān)鍵層初次破斷運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致R-6關(guān)鍵層出現(xiàn)第1次周期破斷運(yùn)動(dòng),第1次周期破斷步距僅為20m。R-8關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)后覆巖斷裂發(fā)育高度為46郾4m,出現(xiàn)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(fā)展。如圖2所示,當(dāng)工作面推進(jìn)到160m時(shí),R-12關(guān)鍵層(6.4m厚粉砂巖)及其上部R-13砂質(zhì)泥巖、R-14細(xì)砂巖、R-15泥巖,出現(xiàn)初次破斷運(yùn)動(dòng),初次破斷跨距82m,R-6關(guān)鍵層相應(yīng)地產(chǎn)生第2次周期性破斷,周期破斷步距為40m。R-12關(guān)鍵層初次破斷運(yùn)動(dòng)后,覆巖斷裂發(fā)育高度80m,裂隙拱發(fā)育到巖漿巖主關(guān)鍵層下。巖漿巖底部離層高度為4.6m,跨度為66m,下部運(yùn)動(dòng)巖層已經(jīng)比較密實(shí)。如圖3所示,當(dāng)工作面推進(jìn)到180m時(shí),R-6關(guān)鍵層出現(xiàn)第3次周期性破斷運(yùn)動(dòng),破斷步距為20m。巖漿巖底部離層跨度發(fā)展達(dá)85m,離層高度為4.6m,覆巖裂隙拱被巨厚巖漿巖主關(guān)鍵層屏蔽,沒(méi)有再向上發(fā)育,形成平頂形裂隙拱。當(dāng)工作面推進(jìn)到200、220、240m時(shí),R-6關(guān)鍵層分別出現(xiàn)第4、5、6次周期性破斷運(yùn)動(dòng),破斷步距基本為20m,主關(guān)鍵層底部離層空間的跨度從85m逐漸發(fā)育為134m,離層高度變化不大。當(dāng)工作面推進(jìn)到270m時(shí),R-6關(guān)鍵層出現(xiàn)第7次周期性破斷運(yùn)動(dòng),破斷步距為30m。主關(guān)鍵層底部離層跨度發(fā)展到164m,離層高度為5m。巨厚巖漿巖在采空區(qū)中部(距開(kāi)切眼136m)出現(xiàn)高度為36.4m的豎向破斷裂隙,如圖4所示。當(dāng)工作面推進(jìn)到330m時(shí),R-6關(guān)鍵層出現(xiàn)第9次周期性破斷運(yùn)動(dòng),破斷步距為30m。當(dāng)工作面推進(jìn)到340m時(shí),巨厚巖漿巖主關(guān)鍵層破斷下沉運(yùn)移完成,其上部巖層隨之劇烈運(yùn)動(dòng),覆巖裂隙不斷向上發(fā)育到模型上部,并伴隨著小巖粉塊不斷拋出模型。

3巖漿巖下覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用

3.1巖漿巖下覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律從相似材料模擬試驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn),在開(kāi)采初期,頂板懸空面積較小,上覆巖層結(jié)構(gòu)能夠保持力學(xué)平衡;隨著工作面的不斷推進(jìn),原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞,頂板巖層發(fā)生彎曲、變形、失穩(wěn)和破斷;上部巖層繼而又呈現(xiàn)懸空狀態(tài),出現(xiàn)新的巖梁或巖板,并以單層或成組的形式不斷向上發(fā)展,直至達(dá)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(xiàn)離層,離層的最大發(fā)育高度止于巖漿巖,且在巖漿巖破斷前離層跨度也達(dá)到最大。巨厚巖漿巖下部基本頂?shù)闹芷谛赃\(yùn)動(dòng)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(diǎn)的連線(xiàn)將呈現(xiàn)出裂隙拱的形態(tài),且隨著工作面推進(jìn)不斷向上和向前發(fā)展,直至達(dá)到巨厚巖漿巖主關(guān)鍵層。覆巖裂隙發(fā)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(xiàn)平頂形態(tài)。巖漿巖破斷運(yùn)移后,覆巖裂隙拱由平頂形態(tài)擴(kuò)展成拱形狀態(tài)。

3.2巨厚巖漿巖對(duì)礦井離層瓦斯突然涌出的致因分析裂隙拱發(fā)育到巨厚堅(jiān)硬巖漿巖底部時(shí),是巖漿巖破斷前裂隙拱的極限位置。由于巖漿巖巨厚且堅(jiān)硬,短推進(jìn)距離內(nèi)不會(huì)達(dá)到其極限跨距。相似模擬試驗(yàn)表明,當(dāng)工作面推進(jìn)到300m時(shí),巖漿巖的跨距為180m,巨厚巖漿巖阻止了離層向上發(fā)育的趨勢(shì),裂隙拱呈現(xiàn)出平頂形態(tài)的裂隙拱板。裂隙拱板內(nèi)的斷裂帶巖層產(chǎn)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(yùn)移阻力大大減小。采空區(qū)及上部煤層的瓦斯將通過(guò)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(qū)域內(nèi)。又由于巖漿巖能夠長(zhǎng)期保持整體性,變形及下沉量小,巖漿巖對(duì)瓦斯產(chǎn)生圈閉作用,使巨厚巖漿巖底部離層區(qū)域成為瓦斯富集區(qū)。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(xiàn)豎向裂隙,然后在端部出現(xiàn)貫通裂隙,巖漿巖發(fā)生破斷失穩(wěn)。巨厚巖漿巖破斷下沉使其底部離層空間急劇減小,同時(shí)短時(shí)間內(nèi)覆巖裂隙的瓦斯涌出量有限,離層空間內(nèi)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(duì)離層瓦斯富集區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)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(fā)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(fā)生噴孔,17時(shí)20分,瓦斯抽采濃度在短短的32min內(nèi)從20%急劇上升到100%,抽放負(fù)壓急劇下降到0。

3.3動(dòng)力災(zāi)害防治方法1)瓦斯抽采。巨厚巖漿巖下的離層區(qū)域是瓦斯富集區(qū),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(jìn)行卸壓瓦斯抽采,其效果將十分明顯。2)離層注漿。針對(duì)上覆巖層結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對(duì)巨厚巖漿巖下部離層發(fā)育空間進(jìn)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(yùn)移,避免了高位巨厚巖漿巖破斷下沉而誘發(fā)瓦斯突出。3)充填開(kāi)采或條帶開(kāi)采。采用充填開(kāi)采或條帶開(kāi)采方法,巨厚巖漿巖底部離層空間大大減小,甚至不會(huì)出現(xiàn),巖漿巖也不再破斷失穩(wěn),可避免離層空間和巖漿巖破斷失穩(wěn)帶來(lái)的一系列問(wèn)題。

4結(jié)論

1)煤層上覆巖層裂隙以拱的形式不斷向前和向上發(fā)展,當(dāng)裂隙拱發(fā)育到巨厚堅(jiān)硬巖漿巖時(shí)受其控制及屏蔽作用而呈現(xiàn)拱板形態(tài),巖漿巖破斷運(yùn)移后覆巖裂隙由拱板形態(tài)再發(fā)育成拱形狀態(tài)。2)離層運(yùn)動(dòng)的總體趨勢(shì)是前移和上移。離層的最大發(fā)育高度止于巖漿巖,且在巖漿巖破斷前離層跨度達(dá)到最大,為瓦斯聚積提供了空間。3)巨厚巖漿巖對(duì)下部離層瓦斯具有圈閉作用,其破斷會(huì)導(dǎo)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(fā)瓦斯突然涌出。4)針對(duì)上覆巖層賦存堅(jiān)硬巨厚巖層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),采取瓦斯抽采、離層注漿、條帶開(kāi)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(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院 山東科技大學(xué) 采礦工程研究院