覆岩运动规律及其致灾分析范文

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《矿业安全与环保杂志》2015年第五期

巨厚岩层作为煤层上方一种特殊的岩层赋存形式,在国内外多个矿区均有分布,如华丰巨厚砾岩、义马巨厚砾岩、济宁巨厚岩浆岩、海孜巨厚岩浆岩等。由于巨厚岩层厚度大、强度高、整体性强,在其下进行煤层开采时较易出现动力现象,如冲击地压、煤与瓦斯突出、工作面支架压架等。为了研究巨厚岩浆岩下覆岩层破断规律及其动力致灾的成因,蒋金泉等采用弹性薄板力学模型研究了高位硬厚岩层的破断规律及其动力响应;聂政[8]采取地面钻孔、高位钻孔等手段,研究了巨厚火成岩高突瓦斯的综合治理;安鸿涛等[9]研究了岩浆岩侵入破坏区煤层瓦斯地质规律;舒龙勇等采用理论分析和数值模拟相结合的方法,分析了杨柳煤矿2层厚硬火成岩的相互组合关系;王亮等采用岩浆岩取芯化验、煤样测试及现场观测等方法,探讨了巨厚岩浆岩对远程煤层瓦斯赋存与突出灾害的影响;滕永海等对采动过程中上覆岩层的离层发育规律进行研究,探索了离层注浆控制技术。针对上覆巨厚岩浆岩的地层结构,通过相似材料模拟试验,直观地观察到巨厚岩浆岩破断前后的破断结构与形态,深入研究了巨厚岩浆岩下覆岩层的破断规律,进一步得出巨厚岩浆岩运移失稳与离层瓦斯突然涌出的关系。

1相似材料模拟设计

1.1相似材料模型参数相似模型可采煤层厚度8m,埋深340m;厚度60m的巨厚岩浆岩与煤层的层间距为80m,岩浆岩整体性较强;模型试验采用平面相似模拟试验台,试验台的长、宽、高分别为3.0、0.4、2.0m,实际有效高度1.8m。模型试验采用的相似比如下:几何相似比1颐200,容重相似比1颐1.5,弹模相似比1颐300,强度相似比1颐300。

1.2相似模型制作及相似材料的选取模型试验岩层主要由煤层、直接底及上覆岩层组成。除岩浆岩外上覆岩层主要由粗砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥岩构成。相似模型共铺设57层,铺设高度为1.62m,其中上覆岩层高度为1.44m,上部未能进行模拟的岩层采用施加工字钢块体的方法来模拟上覆均布载荷,所加载工字钢的质量为500kg。相似材料有河砂、石膏、碳酸钙、云母粉,其中河砂作为骨料,石膏和碳酸钙作为胶结物,云母粉作为分层材料均匀铺在各分层之间。相似材料模型中的不同岩层采用相应的配比实现,见表1。

1.3相似模型开挖从模型右侧开始往左侧模拟煤层开采,每次推进50mm,每隔2h挖一次,每天开挖200mm,模拟原型推进540m。为消除边界效应,模型两侧边界保留250mm煤柱,相当于原型的50m。

2岩浆岩下覆岩运动过程

相似模型试验得到了高位岩浆岩条件下上覆岩层运动的主要特征。如图1所示,当工作面推进到100m时,R-6关键层(6m厚粉砂岩)及其上部厚度8m的R-7粉砂质泥岩在中部和端部初次破断运动后形成铰接结构,断裂发育高度达到40m。已运动的R-6、R-7岩层与上部岩层之间形成离层,离层空间的高度为3m、跨度为40m。R-6关键层初次运动后在采空区上方形成覆岩裂隙拱,由于裂隙拱的形成,工作面推进距离100m时R-6关键层的初次破断跨距仅为56m。当工作面推进到120m时,R-8关键层(6.4m厚粉砂岩)两端产生较大的贯穿裂隙,初次破断跨距60m,R-8关键层初次破断运动导致R-6关键层出现第1次周期破断运动,第1次周期破断步距仅为20m。R-8关键层运动后覆岩断裂发育高度为46郾4m,出现较大的离层裂隙带,离层空间的高度为4.8m,离层跨度为60m,裂隙拱向前向上发展。如图2所示,当工作面推进到160m时,R-12关键层(6.4m厚粉砂岩)及其上部R-13砂质泥岩、R-14细砂岩、R-15泥岩,出现初次破断运动,初次破断跨距82m,R-6关键层相应地产生第2次周期性破断,周期破断步距为40m。R-12关键层初次破断运动后,覆岩断裂发育高度80m,裂隙拱发育到岩浆岩主关键层下。岩浆岩底部离层高度为4.6m,跨度为66m,下部运动岩层已经比较密实。如图3所示,当工作面推进到180m时,R-6关键层出现第3次周期性破断运动,破断步距为20m。岩浆岩底部离层跨度发展达85m,离层高度为4.6m,覆岩裂隙拱被巨厚岩浆岩主关键层屏蔽,没有再向上发育,形成平顶形裂隙拱。当工作面推进到200、220、240m时,R-6关键层分别出现第4、5、6次周期性破断运动,破断步距基本为20m,主关键层底部离层空间的跨度从85m逐渐发育为134m,离层高度变化不大。当工作面推进到270m时,R-6关键层出现第7次周期性破断运动,破断步距为30m。主关键层底部离层跨度发展到164m,离层高度为5m。巨厚岩浆岩在采空区中部(距开切眼136m)出现高度为36.4m的竖向破断裂隙,如图4所示。当工作面推进到330m时,R-6关键层出现第9次周期性破断运动,破断步距为30m。当工作面推进到340m时,巨厚岩浆岩主关键层破断下沉运移完成,其上部岩层随之剧烈运动,覆岩裂隙不断向上发育到模型上部,并伴随着小岩粉块不断抛出模型。

3岩浆岩下覆岩运动规律及其应用

3.1岩浆岩下覆岩运动规律从相似材料模拟试验过程发现,在开采初期,顶板悬空面积较小,上覆岩层结构能够保持力学平衡;随着工作面的不断推进,原有的应力平衡状态遭到破坏,顶板岩层发生弯曲、变形、失稳和破断;上部岩层继而又呈现悬空状态,出现新的岩梁或岩板,并以单层或成组的形式不断向上发展,直至达到巨厚岩浆岩。由于岩层岩性及抗弯刚度的不同,尤其是在抗弯刚度相差极大的岩层界面间极易出现离层,离层的最大发育高度止于岩浆岩,且在岩浆岩破断前离层跨度也达到最大。巨厚岩浆岩下部基本顶的周期性运动步距并非完全相同,其变化范围为20~40m。如图5所示,覆岩不同高度破断点的连线将呈现出裂隙拱的形态,且随着工作面推进不断向上和向前发展,直至达到巨厚岩浆岩主关键层。覆岩裂隙发育到岩浆岩后,直到岩浆岩破断前,裂隙拱受到岩浆岩的控制及屏蔽作用而呈现平顶形态。岩浆岩破断运移后,覆岩裂隙拱由平顶形态扩展成拱形状态。

3.2巨厚岩浆岩对矿井离层瓦斯突然涌出的致因分析裂隙拱发育到巨厚坚硬岩浆岩底部时,是岩浆岩破断前裂隙拱的极限位置。由于岩浆岩巨厚且坚硬,短推进距离内不会达到其极限跨距。相似模拟试验表明,当工作面推进到300m时,岩浆岩的跨距为180m,巨厚岩浆岩阻止了离层向上发育的趋势,裂隙拱呈现出平顶形态的裂隙拱板。裂隙拱板内的断裂带岩层产生相互交叉沟通的断裂裂隙和离层裂隙,断裂裂隙和离层裂隙增加了煤岩体的渗透性,瓦斯的运移阻力大大减小。采空区及上部煤层的瓦斯将通过相互交叉沟通的裂隙与岩浆岩底部的离层空间沟通,瓦斯在压力差的作用下,不断涌入岩浆岩底部离层区域内。又由于岩浆岩能够长期保持整体性,变形及下沉量小,岩浆岩对瓦斯产生圈闭作用,使巨厚岩浆岩底部离层区域成为瓦斯富集区。随着岩浆岩悬露跨度的不断增加,在自重及荷载的作用下,首先在岩浆岩中部出现竖向裂隙,然后在端部出现贯通裂隙,岩浆岩发生破断失稳。巨厚岩浆岩破断下沉使其底部离层空间急剧减小,同时短时间内覆岩裂隙的瓦斯涌出量有限,离层空间内的大量瓦斯被压缩,瓦斯压力急剧上升。巨厚岩浆岩积聚的大量弹性能瞬间释放,对离层瓦斯富集区产生强大的冲击力,同样造成岩浆岩底部离层瓦斯压力急剧上升。离层空间的大量高压瓦斯沿着相互沟通的断裂裂隙和离层裂隙涌向工作面、抽放孔等,极易诱发瓦斯突然涌出。2011年7月17日杨柳煤矿10414工作面地面2#抽放孔发生喷孔,17时20分,瓦斯抽采浓度在短短的32min内从20%急剧上升到100%,抽放负压急剧下降到0。

3.3动力灾害防治方法1)瓦斯抽采。巨厚岩浆岩下的离层区域是瓦斯富集区,有利于卸压瓦斯抽采,如果采用地面钻孔或井下穿层钻孔进行卸压瓦斯抽采,其效果将十分明显。2)离层注浆。针对上覆岩层结构特点,对巨厚岩浆岩下部离层发育空间进行注浆,不仅可以充填巨厚岩浆岩底部离层空间,而且能够有效地控制岩浆岩的显著运移,避免了高位巨厚岩浆岩破断下沉而诱发瓦斯突出。3)充填开采或条带开采。采用充填开采或条带开采方法,巨厚岩浆岩底部离层空间大大减小,甚至不会出现,岩浆岩也不再破断失稳,可避免离层空间和岩浆岩破断失稳带来的一系列问题。

4结论

1)煤层上覆岩层裂隙以拱的形式不断向前和向上发展,当裂隙拱发育到巨厚坚硬岩浆岩时受其控制及屏蔽作用而呈现拱板形态,岩浆岩破断运移后覆岩裂隙由拱板形态再发育成拱形状态。2)离层运动的总体趋势是前移和上移。离层的最大发育高度止于岩浆岩,且在岩浆岩破断前离层跨度达到最大,为瓦斯聚积提供了空间。3)巨厚岩浆岩对下部离层瓦斯具有圈闭作用,其破断会导致离层瓦斯被压缩,瓦斯压力急剧上升,大量高压瓦斯传递到工作面及抽采钻孔,易诱发瓦斯突然涌出。4)针对上覆岩层赋存坚硬巨厚岩层的结构特点,采取瓦斯抽采、离层注浆、条带开采等方法,可以有效地减小瓦斯突然涌出的可能性。

作者：马富武 蒋金泉 武泉林 张培鹏 单位：山东科技大学 矿业与安全工程学院 山东科技大学 采矿工程研究院