關(guān)于多手段綜合分析特厚煤層分層開采覆巖破壞高度的研究
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作者；張毅
在現(xiàn)實礦井生產(chǎn)開采中，工作面上覆巖層的破壞程度對礦井安全產(chǎn)生重要影響，引起了人們的高度重視。張宏偉等針對同忻煤礦特厚煤層綜放開采的覆巖破壞高度進(jìn)行了研究，得出覆巖破壞高度為采高的10.0~11.5倍，關(guān)鍵層的破斷控制著覆巖破壞的發(fā)育。顧秀根等對綜放條件下垮落直接頂“兩帶”分布高度進(jìn)行了研究，認(rèn)為散體狀態(tài)的直接頂在某一時刻形成的“散體
拱”結(jié)構(gòu)構(gòu)成了不規(guī)則垮落帶和規(guī)則垮落帶的分界線，不規(guī)則垮落帶分布的高度取決于拱的高度和煤層厚度�？涤廊A等對高水壓裂隙巖體綜采覆巖破壞規(guī)律進(jìn)行了研究，其覆巖破壞高度明顯加大，破壞程度異常劇烈，與堅硬頂板覆巖破壞相似。眾多國內(nèi)外學(xué)者專家對覆巖結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析，根據(jù)不同的地質(zhì)特征得到了相應(yīng)的結(jié)論，地質(zhì)條件和開采工程的復(fù)雜性決定了覆巖破壞特征的多變性，對工作面防水、防瓦斯等具有重要指導(dǎo)意義。
本文以老虎臺礦83002工作面為背景，分別采用EH-4物理探測、數(shù)值模擬及微震監(jiān)測對83002工作面回采后的覆巖破壞形態(tài)進(jìn)行分析觀測，確定了覆巖破壞高度與采出厚度之間的關(guān)系，確定了覆巖破壞的離層空間。研究成果可指導(dǎo)下一分層83003工作面的安全開采并為類似條件下特厚煤層分層開采的安全提供重要借鑒。
1 工程背景
老虎臺礦西部區(qū)域煤層屬于巨厚煤層，煤層厚度為94～104 m，內(nèi)部含有多層夾矸，煤層采用分層開采。目前正在開采83003工作面，煤層標(biāo)高- 748.2~- 833.5m，煤層厚度平均11.8 m，傾角150~320，屬于四、五分層，采用綜合機(jī)械化放頂煤開采，其上覆緊鄰工作面為83002已采工作面，下部為五分層煤層及煤層底板。巖層性質(zhì)比較單一，由地表到底板依次為砂礫巖、綠色頁巖、油頁巖和凝灰?guī)r。為保證83003工作面生產(chǎn)安全，加強(qiáng)對水災(zāi)害防治，在工作面開采前需對其覆巖破壞高度進(jìn)行了充分研究，即對83002已采工作面回采結(jié)束后覆巖形態(tài)特征進(jìn)行充分了解，來指導(dǎo)83003工作面安全回采。
83002已采面煤層標(biāo)高為- 825~- 744 m，厚度平均11.6 m，傾角150~320，屬于四、五分層，采用綜合機(jī)械化放頂煤開采。該工作面東鄰73001已采面，西至礦田邊界，上部為83001、78002已采面，北部為83001已采面，如圖1�；卷敒椴煽諈^(qū)冒落煤巖堆積物，即頂板為
83001等已采面冒落煤巖堆積物，主要由油母頁巖組成；底板為泥巖。
2 覆巖結(jié)構(gòu)破壞的EH -4物理探測
2.1EH -4探測原理 煤層被開采后形成采空區(qū)，破壞了原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)。多數(shù)采空區(qū)在重力和地層應(yīng)力作用下，頂板塌落，形成垮落帶、裂隙帶和彎曲帶，使得采空區(qū)及其上覆巖層的地球物理特征發(fā)生了顯著變化，主要表現(xiàn)為：煤層采空區(qū)垮落帶與完整巖層相比，巖性變得疏松、密實度降低，其內(nèi)部充填的松散物的電阻率明顯高于周圍介質(zhì)，在電性上表現(xiàn)為高阻異常；煤層采空區(qū)裂隙帶與完整巖層相比，巖性沒有發(fā)生明顯的變化，但巖層中發(fā)育的裂隙充入空氣致使導(dǎo)電性降低，在電性上也表現(xiàn)為高阻異常；煤層采空區(qū)垮落帶和裂隙帶若有水注入，使得松散裂隙區(qū)充盈水分達(dá)到飽和程度，會引起該區(qū)域的電導(dǎo)率迅速增加，表現(xiàn)為其電阻率值明顯低于周圍介質(zhì)，在電性上表現(xiàn)為低阻異常。這種導(dǎo)電性差異使得EH -4大地物理探測在覆巖破壞上的應(yīng)用提供了良好的前提。
2.2 EH -4探測布置
采用EH -4大地測量對83003工作面回采前上覆巖層進(jìn)行物理探測，即探測83002工作面回采結(jié)束后的覆巖垮落結(jié)構(gòu)。在83003工作面共布置了2條測線，如圖2所示，其中1號測線沿工作面走向（東西向）布置，測線長740 m，測點間距20 m；2號測線沿工作面傾向（南北向）布置，測線長度460 m，測點間距20 m，采用天然電磁信號進(jìn)行測試。
2.3探測結(jié)果
83003工作面EH -4探測深度達(dá)到了-1 378 m。電阻率范圍在10~ 890 Ω．m之間。由于83003工作面標(biāo)高為-830 m，因此選取- 900 m以上的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探測結(jié)果如圖3、圖4。
83003工作面上覆巖層電阻率在10~ 890 Ω．m之間。電阻率總體變化趨勢是由淺至深電阻率逐漸增大，工作面東側(cè)電阻率顯著高于西側(cè)。工作面西側(cè)電阻率在10~ 300Ω ．m之間，大部分處于200 Ω．m以下；工作面中部和東側(cè)電阻率多處于200 Ω．m以上；工作面東側(cè)-150~- 240 m之間出現(xiàn)了局部高阻區(qū)，電阻率達(dá)到了650 Ω．m；工作面東側(cè)- 300~- 500 m之間存在較大的高阻區(qū)，電阻率為600~ 900Ω ．m；在工作面中部- 400~- 500 m、- 600~- 760 m之間存在縱向大面積高阻區(qū)，電阻率為450~ 810 Ω．m。
選取沿83003工作面走向測線的剖面圖，結(jié)合剖面圖的地層結(jié)構(gòu)（圖3a），與EH -4進(jìn)行對比（圖3b），該區(qū)域地層結(jié)構(gòu)為：①砂礫巖層，+79~- 310 m，厚度為389 m；②綠色頁巖層，- 310~-597 m，厚度為287 m;③油頁巖層，- 597~- 720 m，厚度為123 m；④煤層，- 720~- 808 m，厚度為88 m；⑤凝灰?guī)r層，-808 m以下。因此，在沿83003工作面走向上覆巖層中存在結(jié)構(gòu)變化區(qū)域。工作面東側(cè)上覆巖層中砂礫巖與綠色頁巖交界面（- 240~- 280 m）上方出現(xiàn)的高阻區(qū)，判斷此處存在離層空間。- 300~- 500 m范圍內(nèi)的電阻率異常高值區(qū)，判斷此范圍巖體結(jié)構(gòu)受到了采動破壞。- 600~-760 m處電阻率異常高值區(qū)表明該處巖體破壞較其上方更為嚴(yán)重，判斷為采動影響下油頁巖與綠色頁巖之間（- 600 m）產(chǎn)生離層。
因此，確定83003工作面上覆巖層受采動影響，煤層上方370 m左右處出現(xiàn)覆巖離層，即離層主要出現(xiàn)于F1斷層處。
在83003工作面回風(fēng)順槽南側(cè)存在科研挖-1鉆孔（圖4a），在運輸順槽南側(cè)存在83 -1鉆孔（圖4a）�？蒲型�-1鉆孔孔口標(biāo)高為+79 m，鉆孔揭露的地層特征為：①砂礫巖層，+79~- 216 m，厚度為295 m;②綠色頁巖層，- 216~- 536 m，厚度為320 m；③油頁巖，- 536~-667 m，厚度為131 m；④煤層，- 667~- 721m，厚度為44 m；⑤凝灰?guī)r層，- 721 m以下。83 -1鉆
孔孔口標(biāo)高為+79 m，鉆孔揭露的地層特征為：①砂礫巖，+79~- 338 m，厚度為417 m；②綠色泥巖層，- 338~- 610 m，厚度為272 m；③油頁巖層，- 610~-720 m，厚度為110 m；④煤層，-720~- 818 m，厚度為98 m；⑤凝灰?guī)r層，- 818 m以下。
綜合以上EH -4探測分析結(jié)果，83003工作面采動覆巖離層范圍為煤層上方340~370 m，即離層結(jié)構(gòu)位于F1斷層。
2.4 覆巖層結(jié)構(gòu)分析
83003工作面所在區(qū)域地層由上往下分別為砂礫巖、綠色頁巖和油頁巖。其中砂礫巖距離煤層240~ 350m，砂礫巖之下的綠色頁巖厚80~180 m，距離煤層80~120 m。綠色頁巖之下的油頁巖厚80~120 m。砂礫巖與綠色頁巖之間以F1斷層為界。根據(jù)對上覆巖層“三帶”分析和EH -4探測結(jié)果，確定83003工作面上覆巖層結(jié)構(gòu)如圖5所示。
在83003工作面開采前，83002工作面上覆巖層產(chǎn)生了垮落帶和裂隙帶�？迓鋷Ш土严稁挥谟晚搸r層內(nèi)。綠色頁巖、砂礫巖都處于彎曲下沉帶中。EH -4探測確定的高阻區(qū)位于綠色頁巖和砂礫巖的交界面。推測是由于上部堅硬的砂礫巖變性相對較小，而下部軟弱的綠色頁巖變形量較大，二者之間的變形量不同，于是在其巖層交界面產(chǎn)生離層。
3 覆巖結(jié)構(gòu)破壞數(shù)值模擬分析
根據(jù)83002工作面的物理模型（圖1），運用FLAC3d數(shù)值模擬軟件對不同分層開采后的覆巖破壞發(fā)育情況進(jìn)行分析。數(shù)值模擬表明，78001工作面開采后，覆巖破壞高度為143 m，為工作面平均采放高度的7.2倍；78002工作面開采后，覆巖破壞高度為318 m，為工作面累計采放高度的7.5倍；83001工作面開采后，發(fā)育至F1斷層，裂隙帶附近斷層面發(fā)生了破壞，覆巖破壞高度為473 m，為工作面累計采放高度的7.9倍；83002工作面開采后，覆巖裂隙穿過斷層面向上繼續(xù)發(fā)育，覆巖破壞高度為485 m，為工作面累計采放高度(64 m)的7.5倍，如圖6所示。
圖6中顯示覆巖破壞最大高度處于F1斷層附近，與EH -4物理探測結(jié)果較為吻合，驗證了83003工作面上方F1斷層處出現(xiàn)離層空間。
4 覆巖結(jié)構(gòu)破壞的微震監(jiān)測
地下煤層采出后，破壞了采場上覆巖（煤）層的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起煤巖體應(yīng)力重新分布。當(dāng)重新分布后的應(yīng)力超過巖（煤）極限強(qiáng)度時，必然引起上覆巖（煤）層的橫向及縱向變形與破壞。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定規(guī)模、巖石接近其破壞強(qiáng)度的一半時，將發(fā)生微震；應(yīng)力越接近巖石的極限強(qiáng)度時，微震事件的次數(shù)增多，直至巖石破壞。微震監(jiān)測技術(shù)能夠?qū)r體破裂進(jìn)行四維時空記錄，根據(jù)微震事件波形、頻度、空間位置、能量等，分析巖層空間運動規(guī)律及覆巖結(jié)構(gòu)破壞特征。
圖7顯示了83002工作面回采過程中微震事件主要分布在煤層底板中，在工作面回采過程中，上覆巖層發(fā)生破壞，發(fā)生微震的最高位置處于-220 m水平F．?dāng)鄬痈浇瓷暗[巖和綠色頁巖的交界處。說明83002工作面開采過后覆巖破壞高度伸展到砂礫巖和綠色頁巖的交界處，與EH -4探測的覆巖結(jié)構(gòu)出現(xiàn)離層空間位置接近，結(jié)果相吻合。
83002工作面所采煤層為本層煤的四、五分層，開采結(jié)束后共采出煤層厚度約64 m，根據(jù)微震分布估算覆巖破壞高度約400~ 440 m，約為采高的6.3~6.9倍，與數(shù)值模擬結(jié)果相近，兩者相互驗證。
5結(jié) 論
1) EH -4探測表明，83002工作面回采結(jié)束產(chǎn)生的垮落帶和裂隙帶位于油頁巖層內(nèi)。綠色頁巖、砂礫巖都處于彎曲下沉帶中。高阻區(qū)位于綠色頁巖和砂礫巖的交界面，在F1斷層處產(chǎn)生離層空間。
2)數(shù)值模擬表明，83002工作面回采結(jié)束后，覆巖破壞高度達(dá)485 m，為累計采放高度的7.5倍，F(xiàn)1斷層處破壞較明顯，驗證了EH -4探測結(jié)果。
3)微震監(jiān)測表明，發(fā)生微震事件的最大高度在F1斷層附近，與EH -4探測相吻合；覆巖破壞高度約400~440 m，約為采高的6.3~6.9倍，與數(shù)值模擬基本吻合。
研究成果可指導(dǎo)83003工作面的安全開采，對水災(zāi)、有害氣體甚至沖擊地壓的防治提供重要參考依據(jù)，同時為其他類似條件礦井開采提供借鑒。摘要：為研究特厚煤層分層開采過程中已采工作面上覆圍巖破壞高度，以老虎臺礦83002已采工作面為例，分別采用EH -4物理探測、數(shù)值模擬和微震監(jiān)測等多種手段進(jìn)行分析論證。EH -4探測確定了垮落帶和裂隙帶位于油頁巖層內(nèi)，高阻區(qū)位于綠色頁巖和砂礫巖的交界面，F(xiàn)1斷層處出現(xiàn)離層空間，數(shù)值模擬和微震監(jiān)測對該結(jié)果進(jìn)行了驗證；數(shù)值模擬和微震監(jiān)測綜合確定了覆巖破壞高度為400~ 485 m，為累計采高的6.3~7.5倍。研究成果可對下一分層
83003工作面的安全開采進(jìn)行指導(dǎo)，為類似條件礦井提供借鑒。
6摘要：為研究特厚煤層分層開采過程中已采工作面上覆圍巖破壞高度，以老虎臺礦83002已采工作面為例，分別采用EH -4物理探測、數(shù)值模擬和微震監(jiān)測等多種手段進(jìn)行分析論證。EH -4探測確定了垮落帶和裂隙帶位于油頁巖層內(nèi)，高阻區(qū)位于綠色頁巖和砂礫巖的交界面，F(xiàn)1斷層處出現(xiàn)離層空間，數(shù)值模擬和微震監(jiān)測對該結(jié)果進(jìn)行了驗證；數(shù)值模擬和微震監(jiān)測綜合確定了覆巖破壞高度為400~ 485 m，為累計采高的6.3~7.5倍。研究成果可對下一分層
83003工作面的安全開采進(jìn)行指導(dǎo)，為類似條件礦井提供借鑒。
