厚煤層開(kāi)采覆巖破壞及隔水層失穩(wěn)機(jī)理分析

白海滔

（山西陽(yáng)煤集團(tuán)股份有限公司 五礦，山西 陽(yáng)泉 045209）

所謂厚煤層，是指井工開(kāi)采3.5 m以上、露天開(kāi)采10 m以上的煤層。我國(guó)厚煤層產(chǎn)量占原煤總產(chǎn)量的45%左右，是厚煤層儲(chǔ)量、開(kāi)采大國(guó)。為尋求強(qiáng)化厚煤層開(kāi)采工藝、提升技術(shù)水平和安全水平，研究人員針對(duì)厚煤層開(kāi)采覆巖破壞、粘土隔水層采動(dòng)失穩(wěn)等提出過(guò)多種理論，其中相當(dāng)一部分為實(shí)際工作帶來(lái)了較大幫助，對(duì)上述內(nèi)容進(jìn)行分析，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 厚煤層開(kāi)采覆巖破壞規(guī)律

1.1 瞬間破壞

厚煤層開(kāi)采的方法較為多樣，目前常見(jiàn)的是綜采方法，該方法借助大型機(jī)械進(jìn)行割煤。機(jī)械工作對(duì)煤層及覆巖結(jié)構(gòu)均會(huì)產(chǎn)生較大的影響，如果勘察工作不足（比如覆巖巖性組合、厚度、力學(xué)性質(zhì)等），進(jìn)行綜采工作時(shí)，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的瞬間破壞。瞬間破壞包括厚巖層瞬間破壞、薄巖層瞬間破壞兩類，二者在規(guī)律上存在一定差別。結(jié)合現(xiàn)有資料，發(fā)現(xiàn)厚巖層瞬間破壞規(guī)律為力失衡導(dǎo)致的垂直負(fù)載快速增加，覆巖嚴(yán)重破碎，甚至造成垮塌事故。薄巖層的破壞規(guī)律為力失衡導(dǎo)致水平拉應(yīng)力和垂直負(fù)載同時(shí)增加，導(dǎo)致覆巖出現(xiàn)局部破碎。瞬間破壞在厚煤層開(kāi)采中較為少見(jiàn)，但可能帶來(lái)嚴(yán)重的生產(chǎn)安全事故。

1.2 長(zhǎng)期破壞

厚煤層通常儲(chǔ)量豐富，因此開(kāi)采時(shí)間可能在幾個(gè)月甚至1年以上，在長(zhǎng)期的煤炭開(kāi)采作業(yè)中，覆巖會(huì)遭受持續(xù)的破壞。這種破壞也分為兩種類型，即厚巖層長(zhǎng)期破壞和薄巖層長(zhǎng)期破壞。厚巖層長(zhǎng)期破壞會(huì)導(dǎo)致巖層的不均勻沉降，在自身重力和長(zhǎng)期機(jī)械外力的作用下，厚巖層的局部位置持續(xù)下降，出現(xiàn)巖體扭曲、擠壓等情況，一般只要機(jī)械作用力低于巖體受力上限，扭曲以及擠壓不會(huì)導(dǎo)致垮塌事故。薄巖層長(zhǎng)期破壞的規(guī)律是巖體完整性、剛度的下降，在長(zhǎng)期采煤作業(yè)中，薄巖層也面臨沉降問(wèn)題，這種沉降往往帶有不均勻性，由于薄巖層本身的剛度不足，沉降的持續(xù)導(dǎo)致巖體不同位置受力差異持續(xù)增加，巖體表明拉應(yīng)力不均勻性日益嚴(yán)重，最終導(dǎo)致巖體破裂。與厚巖層長(zhǎng)期破壞相同，這種破裂的危害一般不大。

2 厚煤層開(kāi)采粘土隔水層采動(dòng)失穩(wěn)機(jī)理

2.1 豎向移動(dòng)變形失穩(wěn)

在厚煤層開(kāi)采過(guò)程中，粘土隔水層與覆巖層同樣十分常見(jiàn)，與一般巖層不同，粘土隔水層的穩(wěn)定性一般更高，較少發(fā)生垮塌，但可能產(chǎn)生裂縫，出現(xiàn)滲水事故，影響采煤工作。結(jié)合現(xiàn)有資料進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)豎向移動(dòng)變形失穩(wěn)是粘土隔水層采動(dòng)失穩(wěn)的主要機(jī)理之一。所謂豎向移動(dòng)變形失穩(wěn)，是指在厚煤層開(kāi)采過(guò)程中，由于開(kāi)采強(qiáng)度大，粘土層在豎直位置上出現(xiàn)小幅、緩慢位移，導(dǎo)致原有應(yīng)力平衡被打破，水流等向位移處集中，導(dǎo)致失穩(wěn)。這種失穩(wěn)一般需要通過(guò)加設(shè)支護(hù)設(shè)備加以解決，避免受力點(diǎn)持續(xù)受力、超過(guò)承載上限導(dǎo)致滲水等問(wèn)題。英國(guó)南安普頓在20世紀(jì)早期曾出現(xiàn)一次嚴(yán)重的滲水事故，該事故的核心原因是安檢人員未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)受力情況的變化，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)破損所致，該事故也給我國(guó)采煤工作提供了借鑒。

2.2 水平移動(dòng)變形失穩(wěn)

水位移動(dòng)變形在粘土隔水層中出現(xiàn)的幾率相對(duì)較低，當(dāng)厚煤層不同采煤區(qū)域存在較為明顯的水平落差時(shí)，才可能出現(xiàn)粘土隔水層的水平移動(dòng)變形失穩(wěn)。厚煤層的主要特點(diǎn)是煤層儲(chǔ)量大、厚度較大，而自然形成的煤層往往不會(huì)處于同一水平位置；在進(jìn)行開(kāi)采作業(yè)時(shí)，不同礦井之間也可能存在1 m，甚至5 m以上的落差，這種情況下粘土隔水層就可能出現(xiàn)水平移動(dòng)變形失穩(wěn)。該變形情況會(huì)導(dǎo)致水平拉應(yīng)力、垂直拉應(yīng)力被破壞，受力點(diǎn)改變，粘土隔水層會(huì)尋找新的應(yīng)力平衡。在此過(guò)程中，小幅位移不斷出現(xiàn)，裂縫也可能因此產(chǎn)生，最終出現(xiàn)滲水事故。

2.3 厚度變化失穩(wěn)

厚度變化失穩(wěn)的發(fā)生率最低，一般粘土隔水層的厚度是相對(duì)固定的，即便地下采煤過(guò)程中出現(xiàn)較為強(qiáng)大的機(jī)械動(dòng)能，也不會(huì)嚴(yán)重影響粘土隔水層厚度，但如果地下水水位較高，可能導(dǎo)致沖刷力量改變，在水流沖擊和機(jī)械動(dòng)能、自重的多重影響下，粘土隔水層厚度會(huì)漸漸出現(xiàn)少許變化，這種變化帶來(lái)的直接影響是受力點(diǎn)的移動(dòng)，受力點(diǎn)的改變則導(dǎo)致粘土隔水層力平衡的改變，并隨著開(kāi)采作業(yè)進(jìn)行而持續(xù)增加，如果粘土層較為松散，很可能出現(xiàn)水流下滲的情況，影響采煤作業(yè)。對(duì)國(guó)內(nèi)外155起煤礦事故進(jìn)行分析，獲取粘土隔水層采動(dòng)失穩(wěn)的三種類型比例如表1所示。

3 厚煤層開(kāi)采相關(guān)建議

遼寧某地厚煤層井工開(kāi)采，開(kāi)采厚度為4.9 m，建有礦井4處，儲(chǔ)量較大，為保證工作安全，礦方選派技術(shù)人員對(duì)煤層進(jìn)行勘測(cè)，并應(yīng)用了相關(guān)措施，保證了工作安全。

3.1 詳細(xì)勘測(cè)煤層狀況

針對(duì)上述問(wèn)題，礦方在厚煤層開(kāi)采作業(yè)進(jìn)行前，首先對(duì)煤層狀況進(jìn)行詳細(xì)的勘測(cè)，了解煤層上下巖質(zhì)、巖體狀況及地下水水位等信息，針對(duì)性地?cái)M定開(kāi)采計(jì)劃。煤層周圍巖體結(jié)構(gòu)較為致密、巖層較厚，可以進(jìn)行常規(guī)綜采作業(yè)；另一部分煤層周圍存在砂石、松散粘土，礦方擬定計(jì)劃在開(kāi)采過(guò)程中增加支護(hù)，并設(shè)計(jì)大量三角形的導(dǎo)力構(gòu)建，將來(lái)自煤層上部的應(yīng)力傳導(dǎo)至地下，提升工作安全性。地下水水位方面較為理想，為強(qiáng)化防滲效果，礦方增設(shè)水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，隨時(shí)了解水位變化，指導(dǎo)開(kāi)采作業(yè)，確保了工作安全。

3.2 降低機(jī)械工作瞬時(shí)強(qiáng)度

結(jié)合現(xiàn)有資料，煤礦人員發(fā)現(xiàn)，無(wú)論覆巖的長(zhǎng)期破壞、瞬時(shí)破壞，還是粘土隔水層出現(xiàn)采動(dòng)失穩(wěn)，均與機(jī)械工作強(qiáng)度密不可分，尤其是瞬時(shí)破壞，大量塌方與高強(qiáng)度機(jī)械工作相關(guān)。在厚煤層開(kāi)采作業(yè)中，礦方適當(dāng)降低了機(jī)械工作瞬時(shí)強(qiáng)度，確保覆巖穩(wěn)固、粘土隔水層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后，再進(jìn)行高強(qiáng)度機(jī)械作業(yè)。此外，為保證工作安全，礦方在進(jìn)行開(kāi)采工作時(shí)加強(qiáng)了支護(hù)結(jié)構(gòu)，提升設(shè)計(jì)水平，尤其注重應(yīng)力的傳導(dǎo)。支護(hù)設(shè)計(jì)的主要作用是在煤層周圍出現(xiàn)力失衡的情況下，改變受力情況，對(duì)主要受力點(diǎn)變化后的垂直拉應(yīng)力、水平拉應(yīng)力傳導(dǎo)至地下。設(shè)計(jì)人員結(jié)合需要設(shè)計(jì)了可靠的支護(hù)結(jié)構(gòu)，保證了采煤作業(yè)的安全。煤礦地下支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

圖1 煤礦地下支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析厚煤層開(kāi)采覆巖破壞規(guī)律及粘土隔水層采動(dòng)失穩(wěn)機(jī)理，了解了相關(guān)理論內(nèi)容。厚煤層開(kāi)采面臨的問(wèn)題帶有自身特殊性。包括覆巖破壞以及粘土隔水層采動(dòng)失穩(wěn)等。覆巖破壞受到掘進(jìn)速度、機(jī)械強(qiáng)度影響，包括瞬時(shí)破壞和長(zhǎng)期破壞兩個(gè)類型，粘土隔水層采動(dòng)失穩(wěn)則體現(xiàn)在豎向、水平、厚度變化三個(gè)方面。后續(xù)工作中，應(yīng)詳細(xì)勘測(cè)煤層狀況、降低機(jī)械工作瞬時(shí)強(qiáng)度、強(qiáng)化支護(hù)結(jié)構(gòu)，以保證工作安全。