淺談采動覆巖變形破壞高度計算與分析

(貴州省黎明能源集團有限責(zé)任公司 貴州 金沙 551800)

淺談采動覆巖變形破壞高度計算與分析

羅新波

(貴州省黎明能源集團有限責(zé)任公司貴州金沙551800)

多年來，由于地下煤層的開采，誘發(fā)多處地質(zhì)災(zāi)害，尤其以因為采動的影響，導(dǎo)致地表塌陷，影響地面建筑物的穩(wěn)定較為普遍，給當(dāng)?shù)匕傩盏陌簿訕窐I(yè)帶來的較大安全隱患，同時也加劇了礦群矛盾。因此掌握采動覆巖變形破壞規(guī)律，有針對性地采取措施，解決開采區(qū)域地面建筑的安全問題有較深遠的意義。

煤層開采；計算；分析

一、覆巖移動變形的理論基礎(chǔ)

(一)巖石位移的理論

巷道的開挖和煤層的開采，使巖體內(nèi)原始的應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，產(chǎn)生應(yīng)力的重新分布，在局部應(yīng)力集中的地帶，當(dāng)應(yīng)力超過巖體強度極限時，將最終導(dǎo)致巖體破壞。當(dāng)煤層被開采后，采空區(qū)頂板巖層失去了下部巖層的支撐，在巖層自重和上覆巖層的壓力作用下向下彎曲、移動，產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，采空區(qū)邊緣受煤壁支撐產(chǎn)生剪切應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過巖石強度極限時，頂板巖層便斷裂、破碎而冒落。

(二)工作過程

經(jīng)查閱有關(guān)巖石性質(zhì)等資料得出，因采動對地表的破壞主要與下述因素有關(guān)：1.地質(zhì)構(gòu)造；2.煤層的開采總厚度；3.煤層開采與地表的垂直高度。4.開采上覆巖層的堅固性系數(shù)及力學(xué)性質(zhì)。5.巖層產(chǎn)狀等。

二、不同硬度的巖石的破壞高度、倒水裂隙帶與采后的關(guān)系計算方法

經(jīng)到多個煤礦對地質(zhì)資料進行調(diào)查分析，以新化鄉(xiāng)出露的地層為例分析，我縣新化鄉(xiāng)地質(zhì)情況屬大婁山背斜南翼，出露地層從老到新有寒武系、二疊系、三疊系、侏羅系及第四系地層。開采礦區(qū)所屬地域缺失峨眉山玄武巖地層。

區(qū)域主要出露中上二疊統(tǒng)和三疊系地層，上二疊統(tǒng)為區(qū)內(nèi)主要含煤巖系。具體區(qū)域地層見區(qū)域地層簡表。

(一)地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)域構(gòu)造位于揚子地臺大婁山背斜南翼。構(gòu)造以褶曲為主，其次級褶曲有金沙—黔西向斜。金沙—黔西向斜：位于東側(cè)外圍，軸長約20公里，走向NNE20°，向斜寬20余km，其軸線在平面上呈“S”形，為一開闊不對稱向斜。北西翼傾角較緩，為10～20°，發(fā)育有次級褶皺；南東翼傾角較陡，為30～40°左右。核部最新地層為上侏羅統(tǒng)遂寧組；兩翼地層為二疊系和下三疊統(tǒng)。

(二)區(qū)域地層

金沙新化礦區(qū)及其附近出露的地層為二疊系中統(tǒng)茅口組(P2m)，二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l)，二疊系上統(tǒng)長興組(P3c)，三疊系下統(tǒng)夜郎組(T1y)、茅草鋪組(T1m)及第四系(Q)?，F(xiàn)從老到新分述如下：

1.中二疊統(tǒng)茅口組(P2m)。為淺灰—深灰色，厚層—塊狀石灰?guī)r，隱晶—微晶結(jié)構(gòu)，上部含少量燧石團塊，頂部層面凸凹不平，產(chǎn)蜓科、珊瑚等化石。厚250～300m，與上覆龍?zhí)督M假整合接觸。

2.上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l)。系一海陸交互相沉積為主的含煤建造。主要由灰、深灰色，薄～中厚層狀粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖及煤層組成，中夾細(xì)砂巖、鈣質(zhì)泥巖、灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，含煤7～19層，其中含可采煤層4層。總厚一般7.75m，含煤系數(shù)10.1%，可采及局部可采煤層為4、5、9、13號等四層，富含腕足類、雙殼類、腹足類等動物化石及植物化石，該組厚91.54～126.91m，平均105.98m。

3.上二疊統(tǒng)長興組(P3c)。為淺灰—深灰色，中厚—厚層狀石灰?guī)r，晶粒結(jié)構(gòu)，含黑色遂石團塊，上部具鮞粒構(gòu)造，中部含泥質(zhì)，常為泥質(zhì)灰?guī)r夾鈣質(zhì)粉、細(xì)砂巖，中上部偶夾薄層炭質(zhì)泥巖。產(chǎn)蜓科、蕉葉貝及瓣鰓類等化石。厚28.5～40.63m，一般35m。

4.下三疊統(tǒng)夜郎組(T1y)。分布在礦區(qū)的大部，與下伏二疊系上統(tǒng)長興組呈整合接觸。根據(jù)巖性變化情況分三段：

①沙保灣段(T1y1)。呈條帶狀分布于礦區(qū)南西角。為深灰色，風(fēng)化后多為黃灰、紫灰色，薄層狀粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，具水平紋理，夾薄層狀泥質(zhì)灰?guī)r，近頂及近底常夾薄層黃綠色蒙脫石泥巖，產(chǎn)舌形貝、蚌形蛤、蛇菊石等化石。厚11.51～34.71m，一般16m。

②玉龍山段(T1y2)。為淺灰～灰色，中厚～厚層狀石灰?guī)r，晶?；蚰嗑ЫY(jié)構(gòu)，頂部含鮞粒，向下泥質(zhì)增加，下部常為泥質(zhì)灰?guī)r。全層夾泥巖，具鋸齒狀、縫合線構(gòu)造，產(chǎn)同心克氏蛤等化石。厚183.68～234.8m，一般230m左右。

③九級灘段(T1y3)。主要由灰紫色粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖組成，局部夾薄層狀泥質(zhì)灰?guī)r，含瓣鰓類等動物化石，下部為灰色中厚層狀石灰?guī)r夾黃灰色薄層狀泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖，頂部為泥晶結(jié)構(gòu)的厚層狀石灰?guī)r，產(chǎn)王氏克氏蛤、格氏克氏蛤、弱海扇等動物化石。厚171.69～233.34m，一般205.95m左右。

(三)下三疊統(tǒng)茅草鋪組(T1m)

上段由灰色、肉紅色薄～中厚層狀石灰?guī)r組成，頂部為溶塌角礫巖夾白云質(zhì)灰?guī)r，下部夾泥灰?guī)r及鈣質(zhì)泥巖；下段以薄層狀石灰?guī)r為主，顯水平層理，夾泥質(zhì)條帶及生物碎屑灰?guī)r。厚約460m。

三、不同硬度覆巖破壞高度的計算辦法

以金沙縣主要采用炮采工藝和開采深度為120米為例，炮采條件下，覆巖破壞高度、倒水裂隙帶與采后的關(guān)系計算。

(一)堅硬巖層，計算公式

Hm=100∑m/(2.1∑m+16)±2.5

式中Hm——冒落帶高度

∑m——累計采厚

(二)中等硬度巖石

Hm=100∑m/(4.7∑m+19)±2.2

(三)軟巖石

Hm=100∑m/(6.2∑m+32)±1.5

經(jīng)實際調(diào)查，下部的巖層主要是堅固的長興灰?guī)r(f=15-20)約30米，和中等堅硬的砂巖(f=4-6)90米。按15號煤層采高1.3米，根據(jù)上述公式計算得：

1.堅硬巖層，計算公式

Hm=100∑m/(2.1∑m+16)±2.5

由公式得，長興段的垮落高度為

Hm=100×1.3/(2.1×1.3+16)±2.5

=9.5(誤差部分取正數(shù))

2.中等硬度巖石

由公式得，煤系地層段的垮落高度為

Hm=100∑m/(4.7∑m+19)±2.2

Hm=100×1.3/(4.7×1.3+19)±2.2

=7.5(誤差部分取正數(shù))

經(jīng)上述計算結(jié)果取平均值得出最大垮落高度：

(9.5+7.5)/2=8.6(米)四舍五入取9米。

四、結(jié)論

掌握礦井開采煤層總厚度，開采上覆巖層的力學(xué)性質(zhì)，結(jié)合建筑力學(xué)分析，為在開采區(qū)域?qū)嵤┙ㄖㄔO(shè)提供主要依據(jù)。同時合理地選擇建筑位置，再參考巖層下沉的時間規(guī)律。對保證建筑結(jié)構(gòu)不被破壞和確保居住安全有較為深遠的意義。

[1]張文泉.礦井水害預(yù)防與治理.

[2]貴州省煤田地質(zhì)局.金沙縣新化煤礦五號井地質(zhì)勘探報告.

羅新波(1978-)，男，貴州省六盤水市人，工程師，從事煤礦開采現(xiàn)場管理多年。