淺埋近距煤層開采覆巖與地表裂縫發(fā)育規(guī)律及控制

曹 健，黃慶享

淺埋近距煤層開采覆巖與地表裂縫發(fā)育規(guī)律及控制

曹 健1,2，黃慶享2

(1. 內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2. 西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

我國西部神府東勝煤田主要賦存淺埋近距煤層，煤層埋藏淺，覆巖上部厚松散層大范圍分布，近距煤層開采導(dǎo)致覆巖與地表裂縫發(fā)育嚴(yán)重，加劇了原本脆弱的生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化。為探究淺埋近距煤層開采覆巖與地表采動(dòng)裂縫發(fā)育規(guī)律，掌握其控制方法，以檸條塔煤礦1-2煤層和2-2煤層開采為背景，結(jié)合實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)分析、物理模擬和分形理論，掌握淺埋頂部單一煤層開采和重復(fù)采動(dòng)下覆巖與地表裂縫發(fā)育特征，揭示煤柱布置對(duì)裂縫發(fā)育的控制作用。研究表明，煤層開采導(dǎo)致的地表裂縫可分為平行于工作面的動(dòng)態(tài)裂縫和工作面開采邊界地表裂縫(切眼邊界側(cè)地表裂縫和區(qū)段煤柱側(cè)地表裂縫)，動(dòng)態(tài)裂縫在開采后能夠?qū)崿F(xiàn)自修復(fù)，工作面開采邊界的地表裂縫不能自修復(fù)。下煤層開采區(qū)段煤柱側(cè)覆巖與地表采動(dòng)裂縫發(fā)育嚴(yán)重，其與區(qū)段煤柱錯(cuò)距密切相關(guān)。1-2煤層開采后，基巖垮落角為60°，土層垮落角為65°，邊界煤柱側(cè)地表裂縫的寬度為0.26 m。下部2-2煤層開采，煤柱疊置、錯(cuò)距20、40 m時(shí)，區(qū)段煤柱側(cè)覆巖采動(dòng)裂縫寬度分別為0.81、0.45和0.22 m，地表裂縫寬度分別為0.65、0.30和0.12 m。通過確定合理煤柱布置方式，能夠有效控制覆巖和地表采動(dòng)裂縫的發(fā)育程度，據(jù)此確定檸條塔煤礦1-2煤層和2-2煤層開采的合理煤柱錯(cuò)距應(yīng)大于40 m。

淺埋近距煤層；覆巖采動(dòng)裂縫；地表采動(dòng)裂縫；煤柱錯(cuò)距

我國陜蒙交界的神府東勝煤田是世界七大煤田之首，2019年煤田內(nèi)鄂爾多斯和榆林市煤炭總產(chǎn)量達(dá)11.43億t。煤田主要賦存多層淺埋煤層，層間距一般在40 m以內(nèi)，屬于淺埋近距煤層開采[1]。實(shí)踐表明，下部煤層開采覆巖和地表采動(dòng)裂縫集中發(fā)育嚴(yán)重，加劇了原本脆弱的生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化。

目前，我國學(xué)者主要通過地表實(shí)測(cè)研究淺埋近距煤層開采的地表裂縫發(fā)育特征，采用物理模擬和鉆孔窺視研究重復(fù)采動(dòng)覆巖裂縫發(fā)育規(guī)律。姚邦華等[2]研究布爾臺(tái)礦重復(fù)采動(dòng)覆巖裂縫再發(fā)育規(guī)律，認(rèn)為頂板采動(dòng)裂縫波及的含水層范圍擴(kuò)大；王文學(xué)等[3]研究厚松散含水層下煤層開采15 a后的裂縫閉合效應(yīng)，得出裂縫帶高度比開采結(jié)束時(shí)降低40%；余明高等[4]研究淺埋煤層群開采覆巖采動(dòng)裂縫發(fā)育規(guī)律，得出下煤層開采覆巖裂縫高度增大；黃慶享等[5]將地表裂縫分為永久邊界裂縫、周期性平行裂縫和區(qū)段煤柱邊界裂縫，指出煤柱邊界裂縫是裂縫控制的主要對(duì)象；張春雷等[6]研究淺埋近距煤層開采，不同層間巖層結(jié)構(gòu)的覆巖采動(dòng)裂縫發(fā)育規(guī)律；李樹剛等[7]研究重復(fù)采動(dòng)裂縫發(fā)育的“產(chǎn)生、擴(kuò)張、壓實(shí)、再擴(kuò)張、再壓實(shí)”5個(gè)階段；文虎等[8]模擬淺埋近距下煤層開采的裂縫演化時(shí)空規(guī)律，兩側(cè)裂縫率先與地表連通；劉騰飛[9]分析覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育與煤層厚度和巖性等因素關(guān)系；白海波[10]研究認(rèn)為因構(gòu)造、采礦、不均勻沉降產(chǎn)生的隱伏張裂隙是地裂縫形成的基礎(chǔ)。實(shí)踐表明，淺埋近距煤層開采覆巖裂縫活化發(fā)育嚴(yán)重，尤其是區(qū)段煤柱兩側(cè)的覆巖裂縫集中發(fā)育，此外，煤柱側(cè)對(duì)應(yīng)地表裂縫同樣發(fā)育加劇，與頂部單一煤層開采的地表裂縫縱橫交錯(cuò)，破壞生態(tài)環(huán)境，需采用科學(xué)的手段加以控制。

以上研究為本文提供有益借鑒，但對(duì)于區(qū)段煤柱側(cè)采動(dòng)裂縫發(fā)育規(guī)律及裂縫控制機(jī)理，研究有待深入。筆者以檸條塔淺埋近距煤層開采為背景，結(jié)合實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)、物理模擬和分形理論，分析淺埋近距離煤層開采覆巖和地表采動(dòng)裂縫發(fā)育特征，揭示煤柱布置方式與裂縫發(fā)育之間的關(guān)系，提出其控制方法，以期為淺埋近距煤層減損開采提供依據(jù)。

1 地表裂縫發(fā)育特征的統(tǒng)計(jì)分析

1.1 單一煤層開采地表裂縫發(fā)育特征

統(tǒng)計(jì)國內(nèi)單煤層開采地表裂縫實(shí)測(cè)工程實(shí)例，見表1[11-17]，分析可得以下結(jié)論：

(1)地表裂縫可分為平行工作面的動(dòng)態(tài)裂縫和工作面開采邊界地表裂縫。周期性出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)裂縫在開采后能夠?qū)崿F(xiàn)自修復(fù)，而工作面開采邊界的地表裂縫不能自修復(fù)，如圖1所示。

(2) 工作面邊界的地表裂縫呈“O”形圈分布，區(qū)段煤柱側(cè)地表裂縫呈弧形，指向工作面內(nèi)部，以拉伸裂縫為主。地表覆蓋有厚土層時(shí)，區(qū)段煤柱側(cè)地表裂縫的裂縫角較大。

(3) 大范圍開采條件下，由于留設(shè)大量區(qū)段煤柱，區(qū)段煤柱側(cè)地表裂縫發(fā)育嚴(yán)重，且采后不能閉合，嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境，需通過科學(xué)研究加以控制。

1.2 淺埋近距煤層開采地表裂縫發(fā)育特征

統(tǒng)計(jì)淺埋煤層群重復(fù)采動(dòng)的地表裂縫發(fā)育特征見表2[18-19]?？芍?，重復(fù)采動(dòng)后，頂部煤層開采形成的原有地表裂縫活化發(fā)育加劇，裂縫寬度增大；在上下煤層工作面斜交布置時(shí)，地表裂縫相互交錯(cuò)，發(fā)育嚴(yán)重，且區(qū)段煤柱側(cè)地表裂縫的發(fā)育程度與上下煤層區(qū)段煤柱的錯(cuò)距密切相關(guān)。通過研究合理的區(qū)段煤柱錯(cuò)距，能有效控制地表裂縫的發(fā)育程度。

2 單一煤層開采裂縫發(fā)育規(guī)律

2.1 物理模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

以檸條塔煤礦北翼東區(qū)1-2煤層和2-2煤層開采為背景開展研究。1-2煤層平均厚度1.84 m，2-2煤層平均厚度5 m，平均層間距35 m，區(qū)段煤柱寬度為20 m。根據(jù)NBK26號(hào)鉆孔數(shù)據(jù)，1-2煤層埋深為176.6 m，基巖厚度81.9 m，松散土層厚度94.7 m。

采用1︰200相似比建立平面應(yīng)力物理相似模擬模型，模型尺寸為：5 m(長)×0.2 m(寬)×1.35 m(高)，模型如圖2所示。實(shí)驗(yàn)采用BJQF-1型裂縫測(cè)寬儀監(jiān)測(cè)覆巖與地表裂縫寬度。

表1 淺埋單一煤層開采地表裂縫發(fā)育特征實(shí)例統(tǒng)計(jì)[11-17]

圖1 不同類型地表裂縫發(fā)育情況

2.2 覆巖與地表采動(dòng)裂縫發(fā)育規(guī)律

1) 工作面走向

1-2煤工作面推進(jìn)至20 m，直接頂垮落；工作面推進(jìn)至43 m時(shí)，工作面基本頂初次破斷，頂板垮落高度為4.5 m，基巖垮落角為60°，頂板上方8.5 m處產(chǎn)生離層裂隙(離層量1.4 m)，如圖3a所示。

4號(hào)井始建于2007年，井深643.82 m，靜水位377 m，出水量近50 t/h，0～124 m為石炭系太原組、本溪組地層，經(jīng)井下電視探測(cè)，孔深70m處直徑478mm×9 mm井管腐蝕一洞眼，石炭系水源向井孔內(nèi)噴涌，壓力大，該處為丈八煤層下10 m處，形成原因?yàn)椴擅汉筇M地層地殼變化，地層松動(dòng)，常年聚積礦坑水源通過地層裂隙再將井管外原壓注的水泥壓碎，腐蝕井管，形成洞眼后，污染水源下泄向井孔內(nèi)，嚴(yán)重污染深層巖溶水源，同時(shí)攜帶大量的礦坑物充墊了該深井。擬采用封層封堵、清掏。

工作面推進(jìn)至54 m時(shí)，基本頂初次周期破斷，周期破斷距為11 m，頂板上方24 m處產(chǎn)生離層裂隙，離層量為0.87 m，如圖3b所示。

此后，工作面推進(jìn)至64、78、88 m時(shí)，基本頂出現(xiàn)第2—4次周期性破斷，頂板裂縫最大發(fā)育高度和最大離層量如圖4所示。

表2 淺埋煤層群重復(fù)采動(dòng)地表裂縫發(fā)育特征實(shí)例統(tǒng)計(jì)[18-19]

圖2 物理模擬模型

圖3 基本頂初次和第一次周期破斷

圖4 裂縫發(fā)育高度與離層量

圖5 工作面傾向采動(dòng)裂縫發(fā)育規(guī)律

2) 工作面傾向

工作面開采后，工作面傾向基巖垮落角為60°，土層垮落角較大，約65°，如圖5所示。物理模擬中，地表集中裂縫主要位于工作面內(nèi)側(cè)，采用裂縫測(cè)寬儀對(duì)集中裂縫進(jìn)行監(jiān)測(cè)，邊界煤柱側(cè)地表裂縫寬度0.26 m，區(qū)段煤柱側(cè)地表裂縫為0.22 m(圖6)。

圖6 單一煤層開采地表裂縫寬度

3 重復(fù)采動(dòng)覆巖與地表裂縫演化規(guī)律

3.1 工作面走向

1-2煤層開采后，開采下部的2-2煤層。工作面推進(jìn)10 m時(shí)，直接頂垮落；推進(jìn)至56 m時(shí)，基本頂初次破斷，頂板垮落高度為12.3 m，離層裂隙量為3.5 m，如圖7a所示。

工作面推進(jìn)至72 m，基本頂?shù)谝淮沃芷谄茢啵敯蹇迓涓叨葹?4 m，離層量為1.6 m，如圖7b所示。工作面推進(jìn)至90 m，1-2煤層和2-2煤層工作面采空區(qū)垮通，1-2煤層覆巖原有裂縫活化繼續(xù)向上發(fā)育，邊界煤柱側(cè)地表裂縫寬度增大，如圖8所示。

3.2 覆巖與地表采動(dòng)裂縫演化規(guī)律及其控制

圖7 2-2煤開采基本頂初次和第一次周期破斷

圖8 重復(fù)采動(dòng)下覆巖與地表采動(dòng)裂縫活化發(fā)育

通過物理模擬揭示不同煤柱錯(cuò)距的采動(dòng)裂縫演化規(guī)律，上下煤層區(qū)段煤柱布置如圖9所示，區(qū)段煤柱側(cè)覆巖裂縫與地表裂縫發(fā)育寬度隨煤柱錯(cuò)距變化規(guī)律如圖10和圖11所示。

檸條塔煤礦1-2煤和2-2煤開采，1-2煤層埋深為176.6 m條件下，當(dāng)上下區(qū)段煤柱疊置時(shí)，區(qū)段煤柱側(cè)覆巖裂縫集中發(fā)育嚴(yán)重，寬度達(dá)0.81 m；當(dāng)煤柱錯(cuò)距為20 m時(shí)，裂縫發(fā)育程度減弱，為0.45 m；錯(cuò)距達(dá)到40 m，比疊置時(shí)減小了72.8%后，覆巖裂縫趨于閉合，減小為0.22 m，比疊置時(shí)減小了72.8%。同樣，煤柱疊置、錯(cuò)距20、40 m時(shí)，區(qū)段煤柱側(cè)地表裂縫寬度分別為0.65、0.30、0.12 m，比疊置時(shí)減小了81.5%。

圖9 區(qū)段煤柱布置方式

圖10 不同煤柱錯(cuò)距覆巖與地表裂縫寬度及特征

圖11 不同煤柱錯(cuò)距覆巖與地表裂縫演化規(guī)律

根據(jù)圖11可知，區(qū)段煤柱側(cè)覆巖和地表裂縫隨煤柱錯(cuò)距的變化具有同步性，可同時(shí)加以控制。可見，區(qū)段煤柱側(cè)采動(dòng)集中裂縫發(fā)育程度隨煤柱錯(cuò)距增大而逐漸減弱，錯(cuò)距達(dá)40 m后，采動(dòng)裂縫趨于閉合。

不同區(qū)段煤柱錯(cuò)距，能夠影響上煤柱及其覆巖沉降特征，上煤層煤柱充分沉降后，其兩側(cè)集中發(fā)育的裂縫減小或閉合，同時(shí)，區(qū)段煤柱側(cè)地表裂縫寬度也得到有效控制。

4 基于分形理論的覆巖裂縫演化控制方法

4.1 基于分形維數(shù)的覆巖裂縫發(fā)育規(guī)律

淺埋近距煤層采動(dòng)覆巖裂縫分布交錯(cuò)復(fù)雜、裂隙張開程度不等，分形理論是研究自然界不規(guī)則、不連續(xù)、不可微以至“支離破碎”等復(fù)雜現(xiàn)象的有力工具[20]，采動(dòng)裂縫分布具有自相似性，采用分形理論能很好地描述采礦工程復(fù)雜的采動(dòng)裂縫。

一般可采用改變粗視化程度來計(jì)算分形維數(shù)，用不同尺度(size)的方格網(wǎng)覆蓋所研究的某段巖體裂縫分布，觀測(cè)位于不同尺度網(wǎng)格中長度大于等于的裂縫數(shù)量()(number)，數(shù)量和尺度的分形關(guān)系為：()∝–D，將這種關(guān)系表示在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，可得到log2()-log2的關(guān)系曲線，該關(guān)系為簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，其斜率即為分形維數(shù)[21-22]。

根據(jù)前述分析可知，煤柱錯(cuò)距對(duì)覆巖和地表裂縫具有控制作用，本節(jié)采用分形理論進(jìn)一步分析論證基于煤柱布置方式的覆巖和地表裂縫控制方法。將不同煤柱錯(cuò)距的覆巖裂縫素描導(dǎo)入Matlab中，采用Matlab中的Fraclab工具箱計(jì)算分形維數(shù)。以煤柱疊置、煤柱錯(cuò)距20、40、60 m為例，得到不同煤柱錯(cuò)距的分形維數(shù)如圖12所示。

分析可知，煤柱疊置時(shí)的裂縫分形維數(shù)最大，覆巖裂縫發(fā)育最嚴(yán)重；隨煤柱錯(cuò)距增大，分形維數(shù)逐漸減小，錯(cuò)距達(dá)到一定值時(shí)，分形維數(shù)明顯減小且趨于穩(wěn)定，覆巖裂縫明顯減弱，與物理模擬結(jié)果一致?？梢姡侠泶_定煤柱錯(cuò)距能有效控制采動(dòng)覆巖裂縫發(fā)育程度，檸條塔煤礦1-2煤和2-2煤開采，基于覆巖和地表裂縫控制的煤柱錯(cuò)距應(yīng)大于40 m。

4.2 工程驗(yàn)證

檸條塔礦1-2煤和2-2煤開采、大柳塔礦2-2煤和5-2煤開采，不同煤柱錯(cuò)距下地表裂縫寬度見表3。

煤柱錯(cuò)距較小時(shí)，區(qū)段煤柱側(cè)地表裂縫寬度大，隨煤柱錯(cuò)距增大，地表裂縫寬度明顯減小。煤柱布置對(duì)重復(fù)采動(dòng)地表裂縫發(fā)育起控制作用，煤柱疊置加劇區(qū)段煤柱側(cè)地表裂縫發(fā)育，當(dāng)煤柱錯(cuò)距增大到合理值時(shí)，可減輕區(qū)段煤柱側(cè)地表裂縫發(fā)育程度，驗(yàn)證了物理模擬和分形理論研究的結(jié)果。

5 結(jié)論

a.根據(jù)實(shí)測(cè)，地表裂縫可分為動(dòng)態(tài)裂縫和工作面開采邊界地表裂縫，開采邊界地表裂縫包括切眼邊界側(cè)地表裂縫和區(qū)段煤柱側(cè)地表裂縫。周期性的動(dòng)態(tài)裂縫在開采后能實(shí)現(xiàn)自修復(fù)，工作面開采邊界的地表裂縫不能自修復(fù)，是主要研究和控制的對(duì)象。

b.重復(fù)開采的地表裂縫發(fā)育程度加劇，區(qū)段煤柱側(cè)地表裂縫大范圍存在，且不能自修復(fù)，其發(fā)育程度與區(qū)段煤柱錯(cuò)距密切相關(guān)。確定合理的煤柱錯(cuò)距能有效控制區(qū)段煤柱側(cè)地表裂縫發(fā)育程度。

c. 檸條塔煤礦頂部1-2煤層開采覆巖裂縫最大發(fā)育高度隨工作面推進(jìn)增大，開采結(jié)束后，基巖垮落角為60°，土層垮落角為65°。邊界煤柱側(cè)地表裂縫的寬度為0.26 m，區(qū)段煤柱側(cè)地表裂縫為0.22 m。檸條塔礦1-2煤和2-2煤埋深和層間距條件下，其下部2-2煤層開采，從煤柱疊置到煤柱錯(cuò)距40 m時(shí)，區(qū)段煤柱側(cè)覆巖與地表裂縫寬度分別減小了72.8%和81.5%，采動(dòng)裂縫得到有效控制。

d.根據(jù)物理模擬和分形理論，淺埋近距離下煤層開采，區(qū)段煤柱錯(cuò)距能夠影響上煤柱及其覆巖的沉降規(guī)律，上煤層煤柱充分沉降后，其兩側(cè)集中發(fā)育的裂縫隨之減小或閉合，同時(shí)，區(qū)段煤柱側(cè)地表裂縫寬度也得到有效控制，有利于地表減損。

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Regularity and control of overburden and surface fractures in shallow-contiguous seams

CAO Jian1,2, HUANG Qingxiang2

(1. Institute of Mining and Coal, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China; 2. School of Energy, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China)

The Shenfu-Dongsheng Coalfield in western country mainly occurs in shallow close multi-seam, and the thick loose layers on the overlying rock are distributed in a wide range. Mining in shallow-contiguous seams results in serious development of overlying rock and surface fractures, which aggravates the deterioration of the originally fragile ecological environment. In order to explore the mining-induced overburden and surface fractures development characteristics in shallow shallow-contiguous seams, and obtain its control method. Taking No.1-2seam and No.2-2seam mining in Ningtiaota Coal Mine as background, this paper obtains the development characteristics of fractures in shallow single seam mining and repeated mining through in-site statistic analysis, physical simulation and fractal theory. Besides, the control effect of pillar staggered distance to mining-induced fractures is revealed. The results show that the mining-induced surface fractures can be divided into two types, one is dynamic fractures which are parallel to the working face, and another is mining boundary surface fractures which contain open-off boundary surface fractures and pillar boundary surface fractures. The dynamic fractures can realize self-repairing after mining, while the mining boundary surface fractures can not realize self-repairing. After lower seam mining, the pillar boundary overburden and surface fractures development seriously, which are closely related to pillar staggered distance. After No.1-2seam mining, the bedrock caving angle is 60°, and the soil layer caving angle is 65°, the width of surface fracture along coal pillar, 0.26 m. After lower No.2-2seam mining, when the pillars are aligned, with pillar staggered distance of 20 m and 40 m, the width of overburden fractures are 0.81m, 0.45m and 0.22m respectively, and the width of surface fractures are 0.65m, 0.30m and 0.12m. Through determining the reasonable pillar staggered distance, development of the overburden and surface fractures can be controlled effectively. Finally, thereasonable pillar staggered distance should be greater than 40m in No.1-2and No.2-2seams mining in Ningtiaota Coal Mine.

shallow-contiguous seams; overburden mining-induced fractures; surface mining-induced fractures; pillar staggered distance

TU478

A

1001-1986(2021)04-0213-08

2020-12-14；

2021-04-30

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51674190，52074211)；西安科技大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文培育計(jì)劃項(xiàng)目(PY18002)

曹健，1991年生，男，山西大同人，博士，講師，從事礦山巖層控制理論與綠色開采方面的教學(xué)與研究工作. E-mail：974613979@ qq.com

曹健，黃慶享. 淺埋近距煤層開采覆巖與地表裂縫發(fā)育規(guī)律及控制[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(4)：213–220. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.026

CAO Jian，HUANG Qingxiang. Regularity and control of overburden and surface fractures in shallow-contiguous seams[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(4)：213–220. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.026

(責(zé)任編輯 周建軍)