李红涛 王轶波 齐黎明

(华北科技学院安全工程学院,北京东燕郊 101601)

放顶煤开采覆岩破坏高度的统计分析①

李红涛②王轶波 齐黎明

(华北科技学院安全工程学院,北京东燕郊 101601)

由于采场覆岩破坏高度及破坏程度是上行开采研究的最重要内容,因此,在对我国放顶煤开采典型覆岩工程地质条件分析的基础上,本文对放顶煤开采覆岩破坏高度进行现场实测统计分析,找出放顶煤开采覆岩破坏高度受地质因素的影响规律,从而为放顶煤条件下上行开采研究提供科学依据。

放顶煤;覆岩;直接顶;采厚比

0 引言

采场覆岩破坏高度及破坏程度是上行开采研究的最重要内容,在我国矿山压力及岩层控制[1]的研究中,将上覆岩层按破坏程度由下至上划分为3个带,即垮落带、裂隙带和弯曲下沉带,简称“三带”。影响“三带”的因素很多,其中地质因素包括：煤层厚度、煤层倾角和上覆岩层的岩性,根据文献[2]的研究,对采场覆岩破坏具有重要影响的地质因素为煤层厚度和上覆岩层的岩性。国内外在中厚煤层和厚煤层分层开采条件下已对覆岩破坏规律进行了深入的分析研究,取得了突出的成果。

放顶煤开采由于一次采出煤层厚度的增大,由此引起采场上覆岩层破坏高度与中厚煤层或厚煤层分层开采相比发生变化,加之受覆岩岩性条件的影响[3],必然引起放顶煤条件下覆岩破坏高度因地质影响因素的不同而具有新的特点和规律。

1 放顶煤开采典型覆岩工程地质条件分析

我国煤层赋存条件复杂多样,不同的煤层赋存条件和开采技术条件将造成不同的采场覆岩破坏规律。显然,放顶煤条件下的上行开采,煤层间岩层的岩性赋存状况和垮落规律是最终影响能否进行上行开采的关键。

因此,分析我国放顶煤工作面典型的覆岩岩性赋存特征并进行归类,可为进一步分析其影响上行开采的机理和条件等奠定基础。

1.1 三河尖煤矿7131工作面

该工作面所采煤层为7#煤,平均厚度9.0m,最大厚度达10.4m。该工作面煤层直接顶为深灰色粉砂岩,夹中砂岩条带,厚度为3.87～7.56m,平均为5.7m;其上顶板由多层细砂岩和粉砂岩组成,由下至上分别为：①灰色细砂岩,矽泥质胶结,厚度6.20～13.3m,平均9.77m;②为灰色粉细砂岩互层,矿物成分以石英、长石为主,厚度为3.83～6.92m,平均5.33m;③为石英细砂岩,厚度为1.27～3.85m,平均2.55m。

直接底为灰色粉砂岩,厚度1.17～2.25m,平均1.86m;老底为深灰色粉细砂岩互层水平层理,厚度4.25～7.9m,平均5.9m。工作面综合柱状图,如图1所示。

图1 三河尖矿煤层柱状图

由上述地质赋存条件可知,三河尖煤矿主采煤层覆岩呈全硬分布特征。

1.2 龙口矿区北皂煤矿H2101工作面

北皂煤矿H2101工作面开采煤层2层,分别为1煤和2煤,2煤位于1煤下方,2煤为主采煤层平均厚4.40m。煤层倾角0°～4.6°硬度系数f=1.5。

2煤层顶板上距第四系地层底界距离为227～236.9m,2煤层直接顶为15.87m褐黑色含油泥岩;往上为3.48m褐灰色油页岩,上部含油较高,比重较小,下部质较差;再往上为1.21m的1煤,褐黑色,成分以亮煤为主,镜煤、暗煤次之;1煤直接顶为6.57m灰色含油泥岩,具有水平层理,平坦状断口,上部含钙质,下部含油稍高;往上为3.9m灰色泥岩,质纯、性脆。工作面综合柱状图,如图2所示。

图2 北皂矿煤层柱状图

由该工作面地质条件可知,龙口矿区北皂煤矿主采煤层2煤覆岩岩性呈全软分布特征。

1.3 王庄煤矿4309工作面

该工作面主采3#煤层,煤层赋存稳定,煤层厚度5.61～7.23m,平均厚度7.02m,煤层倾角一般在3°～5°。

工作面煤层具有伪顶,全区发育不全,厚度0～0.30m,节理较发育,岩性一般为黑色炭质泥岩、泥岩,坚硬程度较低,稳定性差,易冒落。直接顶为泥岩和砂质泥岩,有时呈砂泥岩互层状,厚度不稳定,一般为3～8m,平均5m,层理、节理发育。老顶为灰白色石英长石粒砂岩,有时变为条带状砂岩,致密坚硬,节理不发育,厚度不稳定,最厚达到28m,最薄仅1.38m,一般厚为8～12m,平均10m,一般不易冒落,造成周期来压。

直接底为灰黑色泥岩或砂质泥岩,厚度不均,一般为0.50～2.0m,平均1.2m,属中等硬度底板;老底为中细粒石英长石砂岩。厚度3～5m,胶结较致密,中等硬度,裂隙不发育,稳定性好。工作面综合柱状图,如图3所示。

图3 王庄矿煤层柱状图

由以上地质条件可知,王庄煤矿主采煤层3煤层的覆岩呈下软上硬分布特征。

1.4 兴隆庄煤矿5306工作面

该工作面所采煤层为二迭纪山西组三煤,煤层硬度系数f=2.44,厚度5.9～9.1m,平均7.83m;开采深度392～433m;直接顶为深灰色粉砂岩,厚度7.0m左右,老顶为浅灰色中砂岩,厚30.6m;直接底为黑色泥岩,遇水膨胀,厚度0.2～0.7m,平均厚度0.3m,老底为浅灰色细砂岩,工作面综合柱状图,如图4所示。

兴隆庄5306工作面的煤层赋存条件表明,其主采的3#煤层覆岩岩性呈下硬上软分布特征。

以上为在分析我国放顶煤开采工作面煤岩赋存条件的基础上归类的典型覆岩工程地质条件,考虑到覆岩赋存分布结构对覆岩破坏的影响,从有利于上行开采研究的角度,把放顶煤开采覆岩的岩性分布结构由下至上可简单归纳为：坚硬—坚硬、软弱—软弱、软弱—坚硬和坚硬—软弱四种类型。上述四种类型和目前常用的坚硬、中硬和软弱三种类型相对应。

图4 兴隆庄矿煤层柱状图

2 放顶煤开采覆岩破坏高度的现场实测统计分析

我国对放顶煤开采条件下覆岩的破坏高度进行了大量的现场观测,观测结果为上行开采的相关深入研究奠定了基础,文献[4-5]对放顶煤工作面的直接顶垮落高度进行了实测分析,如表1。

通过对表1中煤层厚度和直接顶垮落高度两组统计数据的回归分析得到如图5所示的变化关系。由图5可见,由于放顶煤开采一次采出厚度显著增加,直接顶垮落带高度也相应增大,并且仍然与煤层的厚度显著相关,因此,煤层厚度仍然是放顶煤开采覆岩破坏高度的基本影响因素。

表1 全国部分矿井综放工作面实测冒落带高度统计

由图5可发现,在放顶煤直接顶垮落带高度与煤层厚度之间呈较为明显的递增对数函数关系,在这种关系下,覆岩破坏高度随煤层厚度的变化速率较小。这与以往在中厚煤层条件下煤层厚度与覆岩破坏高度之间一般呈线性或分式关系的研究成果有较明显的差别。分析认为,由于放顶煤开采一次采出煤层厚度的增加,由此引起垮落带内岩性构成发生变化,相比于中厚煤层条件下相对单一的岩性构成,厚煤层放顶煤条件下垮落带岩层一般由不同岩性岩层构成。因此,导致厚煤层放顶煤开采与中厚煤层开采条件下垮落带高度的发展规律存在较为明显的差别。

图5 直接顶垮落高度随煤层厚度变化关系

另外,通过对表1中煤层厚度M和垮高采厚比H/M两组数据的统计分析,不难发现,直接顶垮高采厚比H/M变化区间主要集中在2.0～2.5之间,最大值2.76,最小值1.83,平均值2.22,如图6。直接顶垮高采厚比H/M并不随煤层厚度的增加而发生较大变化。

图6 直接顶垮高采厚比与煤层厚度的关系

因此,在放顶煤开采条件下,煤层厚度对覆岩破坏高度的影响规律可以总结为两点,一方面,煤层厚度与覆岩破坏高度呈递增对数函数关系,另一方面,覆岩垮高比并不随煤层厚度增加而发生较大变化。

除了煤层厚度对覆岩破坏高度的影响外,覆岩岩层性质对覆岩破坏高度和发展状态也具有重要影响。为了分析岩性构成对覆岩破坏的影响,对四类典型覆岩结构进行分析并列表2。由表2可见,覆岩呈下软的北皂煤矿和王庄煤矿的煤矿不规则垮高煤厚比分别为1.15和1.08;而覆岩呈下硬的兴隆庄煤矿和三河尖煤矿不规则垮高煤厚比分别为1.46和1.17,不难发现,覆岩下硬的不规则垮高煤厚比大于覆岩下软的不规则垮高煤厚比。另外,由表2也可发现,覆岩呈上硬的王庄煤矿和三河尖煤矿的规则垮高煤厚比分为0.94和1.15;而覆岩呈上软的兴隆庄煤矿和北皂煤矿的规则垮高煤厚比分别为0.80和0.90,显然,覆岩上硬的规则垮高煤厚比大于覆岩上软的规则垮高煤厚比。

表2 典型综放工作面实测冒落带高度统计

以上均为单因素分析,为了能够全面反映上述岩性影响覆岩破坏特点,进一步对王庄煤矿(覆岩呈下软上硬分布)和兴隆庄煤矿(覆岩呈下硬上软分布)进行分析。王庄煤矿不规则垮高煤厚比H1/M和规则垮高煤厚比H2/M分别为1.08和0.94,而兴隆庄煤矿的以上两项比值分别为1.46和0.80,显然,王庄煤矿的不规则垮高煤厚比显然小于兴隆庄煤矿,而同时王庄煤矿的规则垮高煤厚比H2/M则比兴隆庄煤矿大许多。

由以上分析不难发现,岩性构成对覆岩不规则垮落带和规则垮落带的分布具有重要影响。当覆岩下部为软岩时,由于软岩的碎胀系数较大,有利于充填采空区,从而有利于直接顶由不规则垮落带向规则垮落带过渡。当下部为硬岩时,由于硬岩的碎胀系数相对较小,不利于充填采空区,使得不规则垮落带高度相对增大,从而不利于直接顶由不规则带向规则垮落带过渡。

以上通过对放顶煤开采覆岩破坏高度的现场实测统计分析,可以看出煤层开采厚度和上覆岩层的性质是煤层覆岩破坏高度和发展状态的最主要的两个影响因素。其中煤层厚度与直接顶垮落高度呈递增对数函数关系,是覆岩破坏的基本影响因素;而上覆岩层的性质对直接顶不规则垮落带和规则垮落带的分布状态具有重要影响,是覆岩破坏的重要影响因素。

3 放顶煤开采影响覆岩破坏高度的地质因素分析

煤层厚度是影响覆岩破坏高度基本影响因素,由表1可以看出,放顶煤开采由于一次采出厚度的增大引起覆岩垮落高度的绝对值增大,从而导致垮落带岩层的岩性构成不再单一,使得垮落带分布更为复杂。

在煤层厚度相同的条件下,上覆岩层性质对覆岩破坏高度和发展状态具有重要影响,众所周知,不同岩性的岩层具有不同的碎胀系数[6]Kp,一般情况下,坚硬岩层取Kp=1.10～1.15,中硬岩层取Kp=1.15～1.20,软弱岩层取Kp=1.20～1.25;另外覆岩破坏高度和发展状态与岩性组合特征也密切相关,不同岩性岩层的组合,如硬硬组合、软软组合、软硬组合和硬软组合,其力学结构特征不同,因而其垮落特征也不相同。

对王庄煤矿和兴隆庄煤矿覆岩破坏特征的分析表明不同岩性组合的覆岩对不规则带和规则带高度的分布具有显著影响。从岩性地质因素角度来分析,这是由于不同岩性及其组合的不同垮落特征所导致。

在王庄煤矿覆岩呈下软上硬的岩性组合条件下,由于下部软岩的碎胀系数较大,垮落后对采空区充填效果较好,在下部软岩厚度合适的条件下,几乎不需要上部硬岩向不规则带转化,从而使得不规则垮高煤厚比相对较小,H1/M=1.08。同时也是由于下部软岩的相对较好的充填效果,使得上部硬岩层垮落活动空间相对较小,加之硬岩垮落块度较大从而有利于形成规则垮落带,所以规则垮高煤厚比相对较大,H2/M=0.94。

与王庄煤矿覆岩结构相反,兴隆庄煤矿覆岩呈下硬上软分布,由于下部硬岩垮落碎胀系数较小,垮落后对采空区的充填效果相对较差,在硬岩层厚度不够大的时候一定厚度的上部软岩垮落转化为不规则带,从而使得不规则垮高煤厚比相对较大, H1/M=1.46。同时由于下部硬岩垮落使得上部软岩跟随下沉,在一定程度上减小了规则带覆岩垮落的空间,加之软岩一定的变形能力,使得覆岩很快由垮落带向裂隙带和弯曲下沉带转化,从而使得规则垮高煤厚比相对较小,H2/M=0.80。

4 结论

1)通过对放顶煤开采典型覆岩工程地质条件的分析,考虑到覆岩赋存分布结构对覆岩破坏的影响,从有利于上行开采研究的角度,把放顶煤开采覆岩的岩性分布结构由下至上可简单归纳为：坚硬-坚硬、软弱-软弱、软弱-坚硬和坚硬-软弱四种类型。

2)在对放顶煤开采采场覆岩工程地质条件分析的基础上,对我国部分放顶煤开采采场覆岩破坏高度进行了实测统计分析。结果表明煤层开采厚度和上覆岩层的性质是煤层覆岩破坏高度和发展状态的最主要的两个影响因素,其中煤层厚度与直接顶垮落高度呈递增对数函数关系,是覆岩破坏的基本影响因素;而上覆岩层的性质对直接顶不规则垮落带和规则垮落带的分布状态具有重要影响,是覆岩破坏的重要影响因素。

3)在放顶煤开采影响覆岩破坏高度的地质因素的分析中,分析了放顶煤开采时由于覆岩垮落高度的绝对值的增大,导致垮落带岩层岩性不再单一,使得垮落带覆岩结构更为复杂,进而对垮落带岩层不同岩性及其组合对不规则带和规则带高度分布的影响机制进行了地质因素分析。

4)通过对放顶煤开采覆岩破坏高度的现场实测统计分析,为放顶煤条件下上行开采研究提供了科学依据。

[1] 钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社,2003

[2] 煤炭科学研究院北京开采所开采室三下采煤组.煤层覆岩破坏的基本规律[J].煤田地质与勘探,1977,(6)：58-66

[3] 张文艺,钟梅英,蔡建安,等.岩性与覆岩破坏高度关系的模糊聚类分析[J].陕西煤炭, 2001,(1)：37-21

[4] 张顶立.综放工作面煤岩稳定性研究及控制[D].徐州：中国矿业大学,1995

[5] 尹增德.采动覆岩破坏特征及其应用研究[D].青岛：山东科技大学,2007

[6] 汪理全,李中颃.煤层(群)上行开采技术[M].北京：煤炭工业出版社,1995

Statistical Analysis on The Overlying Strata Fa ilure Height in Condition of Top-coal Caving

L I Hongtao,WANG Yibo,Q I L im ing

(Safety Engineering College,North China Institute of Science and Technology,Yanjiao Beijing-East 101601)

Since failure height and destruction degree of the overlying strata in working face are the most research contents to ascendingmining.Based on analyzing on typicaloverburden engineering geological conditions in top-coal caving,fieldmeasurement and statistical analysison the overlying strata failure height in condition of top-coal caving is carried out in this paper.To find the influence law which geological factors influence on overlying strata failure height in condition of top-coal caving.Therefore,scientific basis is provided for ascendingmining study in condition of top-coal caving.

Top-coal Caving;overlying strata; immediate roof;ratio of immediate roof thickness to mining thickness

TD802

A

1672-7169(2011)02-0001-05

2011-02-25

李红涛(1978-),男,河南商丘人,博士,华北科技学院安全工程学院讲师,主要从事采矿工程方面的教学和科研工作。