淺埋深特厚煤層綜放開采地表異常塌陷原因分析

葉俊良，周志剛

(山西懷仁聯(lián)順璽達(dá)柴溝煤業(yè)有限公司，山西 懷仁 038300)

目前，綜放開采是我國(guó)厚煤層開采的主要方法之一。自1984年我國(guó)綜放開采在井下進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)以來(lái)，我國(guó)學(xué)者就不斷地對(duì)綜放開采頂板活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，對(duì)其認(rèn)識(shí)也隨之逐漸成熟。特別是近十幾年，隨著煤機(jī)裝備的快速發(fā)展以及大采高綜放開采技術(shù)的推廣應(yīng)用，使20m特厚煤層一次采全厚成為現(xiàn)實(shí)[1-5]。然而，隨著綜放工作面一次采出厚度的增加，覆巖活動(dòng)范圍必然增大，回采時(shí)覆巖活動(dòng)范圍可能波及至地表。

柴溝煤礦1503綜放工作面，推進(jìn)距切眼206m時(shí)，地表形成裂縫不久突然出現(xiàn)塌陷坑，塌陷坑活動(dòng)劇烈且范圍不斷擴(kuò)大，最終塌陷坑深度達(dá)到38m，塌陷坑的深度大于煤層最大厚度的28m。地表塌陷坑出現(xiàn)后，工作面與地表直接貫通，致使工作面通風(fēng)系統(tǒng)紊亂，采空區(qū)瓦斯異常涌出，嚴(yán)重威脅了安全生產(chǎn)。

地表的沉陷值與煤層埋深、煤層厚度、以及水文地質(zhì)條件是相關(guān)的[6-8]。正常情況下，地表沉陷的最大值不應(yīng)超過(guò)煤層厚度。目前文獻(xiàn)對(duì)地表沉陷規(guī)律進(jìn)行了大量研究，也取得了豐富的成果[9-13]，但是對(duì)地表異常塌陷坑的研究較少，多數(shù)異常塌陷坑的形成原因是由于含水層引起的巖溶現(xiàn)象，而柴溝煤礦礦區(qū)內(nèi)并沒(méi)有承壓含水層以及巖溶現(xiàn)象。因此，弄清塌陷坑出現(xiàn)的原因是礦上亟待解決的問(wèn)題。

本文分析了1503綜放工作面覆巖的賦存情況，確定了關(guān)鍵層、復(fù)合關(guān)鍵層以及軟弱復(fù)合頂板的位置；確定了亞關(guān)鍵層破斷形成組合懸臂梁結(jié)構(gòu)；計(jì)算得出了復(fù)合關(guān)鍵層的斷裂步距以及塌陷坑出現(xiàn)的位置；從工作面覆巖結(jié)構(gòu)的角度分析了塌陷坑形成原因，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合。

1 工作面概況及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

1.1 工作面概況

1503綜放工作面煤層傾角0～10°，平均3°，屬近水平煤層；平均煤厚28m，煤層埋藏深度230～350m；礦井相對(duì)瓦斯涌出量為1.76m3/t，屬低瓦斯礦井；煤的自然發(fā)火期大于2～4個(gè)月；正常涌水量15m3/h。1503工作面傾斜長(zhǎng)度200m，走向長(zhǎng)度460m。工作面直接底為砂質(zhì)泥巖，老底為砂巖，頂板覆巖情況見(jiàn)表1。

表1 工作面覆巖情況

1.2 地表塌陷觀測(cè)

1.2.1 地表塌陷坑形成時(shí)間

2017年6月14日14:00時(shí)，1503工作面回采至距切眼202m時(shí)，地面出現(xiàn)塌陷坑，直徑約30m，塌陷坑活動(dòng)劇烈，不斷擴(kuò)大，人員無(wú)法靠近。直至晚間20:00時(shí)，塌陷速度變慢，此時(shí)塌陷坑在工作面傾向方向直徑擴(kuò)大到74m，走向方向擴(kuò)大到80m，邊界距工作面回采位置34m。

1.2.2塌陷坑范圍

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)表明：截止2017年6月21日，塌陷坑在工作面傾向方向擴(kuò)大至112m，走向方向擴(kuò)大至91m，塌陷坑最大垂直深度37m，距工作面回采位置57m，距切眼62m，距膠帶巷59m，距輔運(yùn)巷29m。塌陷坑與工作面位置示意見(jiàn)圖1。

圖1 1503工作面地面塌陷坑位置示意

1.2.3 地表裂縫出現(xiàn)時(shí)間及規(guī)律

2017年6月26日，塌陷坑左右兩側(cè)和正前方出現(xiàn)弧形小裂紋，小裂紋寬0.01～0.05m，距工作面回采位置71m。隨著1503回采工作面的推進(jìn)，小裂紋逐漸增多擴(kuò)大，形成裂縫，且出現(xiàn)臺(tái)階式下沉。截止2017年7月9日，塌陷坑左右兩側(cè)變穩(wěn)定，不再出現(xiàn)裂縫。地表沉陷活動(dòng)也逐漸趨于穩(wěn)定，基于每天觀測(cè)的數(shù)據(jù)：一般情況下，回采位置滯后45m左右，地表開始出現(xiàn)小裂紋(0.01～0.05m)；滯后70m左右，地表出現(xiàn)大裂縫(0.1～1m)。

2 頂板覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

2.1 覆巖類型

2.1.1 關(guān)鍵層

根據(jù)關(guān)鍵層理論[14-16]，假設(shè)直接頂上方有m層巖層，各巖層厚度為hi，體積力為γi，彈性模量為Ei?？紤]第n層對(duì)第1層的載荷為：

關(guān)鍵層要滿足剛度條件：(qn+1)1<(qn)1，即第n+1層巖層對(duì)第1層巖層的載荷小于第n層對(duì)第1層的載荷；另外，還要滿足強(qiáng)度條件：ln

式中，h為巖層厚度；q為巖梁載荷；Rt為巖層抗拉強(qiáng)度。

2.1.2 復(fù)合關(guān)鍵層

當(dāng)兩層堅(jiān)硬巖層距離較近時(shí)，將產(chǎn)生類似復(fù)合梁那樣的結(jié)構(gòu)效應(yīng)，其承載能力將大大增強(qiáng)，形成復(fù)合關(guān)鍵層。形成復(fù)合關(guān)鍵層的兩層堅(jiān)硬巖層破斷距相同時(shí)，會(huì)出現(xiàn)同步破斷的現(xiàn)象，由于一次破斷厚度較厚，關(guān)鍵層的破斷距會(huì)大大增加。在薄基巖厚表土層的條件下，更容易出現(xiàn)關(guān)鍵層的復(fù)合破斷，若復(fù)合關(guān)鍵層位置距離采場(chǎng)較近，會(huì)在采場(chǎng)引起強(qiáng)烈的礦壓顯現(xiàn)。若復(fù)合關(guān)鍵層距離地表位置較近，由于破斷距離較大，會(huì)引起地表的劇烈沉陷。

形成復(fù)合關(guān)鍵層的條件為：

h2/h1=0.5+1.5Σh2/h1，并且Σh2/h1≤2.2

式中，h2是上層巖層的厚度；h1是下層巖層的厚度；Σh2是軟弱夾層的厚度。

2.1.3 軟弱復(fù)合巖層

采場(chǎng)的上覆巖層中，關(guān)鍵層之間的由泥巖、砂質(zhì)泥巖等強(qiáng)度比較低的巖層會(huì)組合形成復(fù)合巖層。該煤巖層組一般厚度較薄，強(qiáng)度較低且松軟破碎，隨著關(guān)鍵層的破斷而同步下沉。在工作面推進(jìn)過(guò)程中，直接頂形成的復(fù)合頂板，冒落方式為從下到上遞進(jìn)式進(jìn)行。

1503工作面埋深244m，其覆巖中軟弱復(fù)合層分析情況見(jiàn)表1。

2.2 兩帶高度

2.2.1 垮落帶高度

煤層開采后，上覆巖層垮落充填采空區(qū)，垮落帶的高度計(jì)算公式為[14]：

式中，M為煤層采厚，M=28m；Kp是覆巖殘余碎漲系數(shù)。

按照上式，取Kp=1.2，則垮落帶高度H=5M。計(jì)算得垮落帶的高度達(dá)到140m。

2.2.2 裂縫帶高度

裂縫帶高度[17]計(jì)算公式為：

根據(jù)上式，計(jì)算可得裂縫帶高度(160±8.21)m。

但是其統(tǒng)計(jì)的綜放工作面煤層開采厚度不大于15m，目前很多文獻(xiàn)都統(tǒng)計(jì)了裂縫帶計(jì)算公式[15-17]，但很少有涵蓋采煤厚度達(dá)到28m的情況?？梢酝茢啵寒?dāng)煤層采厚達(dá)到28m，裂縫帶高度肯定要遠(yuǎn)大于根據(jù)此公式計(jì)算得到的168.21m。

1503工作面埋深244m，地表有30m的松散層?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表明：主關(guān)鍵層的破斷，會(huì)導(dǎo)致工作面直接連通地表。工作面覆巖并不存在普通工作面的“上三帶”，而是只存在垮落帶和裂縫帶。

2.3 關(guān)鍵層位置判別

(1)根據(jù)表1覆巖情況計(jì)算確定關(guān)鍵層的位置。

從第2層開始計(jì)算：

q2=γ2h2=340kPa

因此，第4層巖層是堅(jiān)硬巖層，然后計(jì)算第4層載荷。

q4=γ4h4=294kPa

(q4)6=363kPa；(q4)7=412kPa；(q4)8=467kPa；(q4)9=88kPa。

因此，第9層是堅(jiān)硬巖層，然后計(jì)算第9層載荷。

以此類推，計(jì)算最終可以確定，第4層，第9層，第21層，第28層和第32 層為堅(jiān)硬巖層。其載荷分別是：

(q4)8=467kPa；(q9)20=1401kPa；(q21)27=556kPa；(q28)31=437kPa；(q32)37=893kPa

由以上分析可知：4,9,21,28,32層為堅(jiān)硬巖層。

(2)計(jì)算堅(jiān)硬巖層的破斷距，驗(yàn)證關(guān)鍵層的強(qiáng)度條件。

根據(jù)固支梁計(jì)算，考慮梁的拉伸破壞，梁的破斷距為[9]：

結(jié)合表1中覆巖數(shù)據(jù)，計(jì)算可得：L4=51m；L9=79m；L21=80m；L28=81m；L32=80m。

第4層巖層處于垮落帶，且為砂質(zhì)泥巖，巖性較弱，將隨采隨冒，不形成關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)。

第9層巖層為粗砂巖，巖性較硬，且厚度很大，達(dá)到25m，將形成第一層關(guān)鍵層。其破斷造成工作面的來(lái)壓，其周期破斷將導(dǎo)致工作面的周期來(lái)壓，其破斷距L9=79m。因此，工作面初次來(lái)壓步距為79m。

按照懸臂梁計(jì)算工作面周期來(lái)壓步距為[9]：

根據(jù)礦壓觀測(cè)情況得知：工作面初次來(lái)壓步距89m ，周期來(lái)壓步距平均24.4m。理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際礦壓觀測(cè)基本符合。

第28層和32層巖層距離較近，且滿足復(fù)合關(guān)鍵層的形成條件。

又L28=98m，L32=96m，二者破斷距基本相同，因此，第28層和32層硬巖會(huì)形成復(fù)合關(guān)鍵層，發(fā)生復(fù)合同步破斷。復(fù)合關(guān)鍵層的承載能力會(huì)大大增強(qiáng)，破斷距會(huì)增大。其復(fù)合后的破斷距計(jì)算公式為[13]：

Lm=klm+k2(h2-1.5h1)

式中，Lm為復(fù)合后破斷距；lm為復(fù)合前破斷距；h2為上層巖層的厚度；h1為下層巖層的厚度；k=1.33；k2=0.5。

計(jì)算可得復(fù)合破斷距為：Lm=105m。

3 地表塌陷坑原因分析

3.1 塌陷坑形成原因

復(fù)合關(guān)鍵層是主關(guān)鍵層，其破斷會(huì)導(dǎo)致上覆巖層直至地表的整體下沉。由于復(fù)合關(guān)鍵層距離地表較近，且復(fù)合破斷距很大，達(dá)到105m，破斷后會(huì)引起地表的劇烈下沉活動(dòng)。這是現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)中，地面出現(xiàn)塌陷坑活動(dòng)劇烈，不斷擴(kuò)大，人員無(wú)法靠近的原因。

根據(jù)前文兩帶高度計(jì)算，垮落帶高度達(dá)到140m。而主關(guān)鍵層的位置位于煤層上方 157m處，剛好位于垮落帶的上部。主關(guān)鍵層下方亞關(guān)鍵層發(fā)生周期性破斷，由于采厚太大，頂板回轉(zhuǎn)空間太大，無(wú)法形成砌體梁結(jié)構(gòu)，而以組合懸臂梁的形式存在。下方巖層的破斷無(wú)法填滿采空區(qū)，又由于主關(guān)鍵層的斷裂步距很大，達(dá)到105m，因此下方采空區(qū)會(huì)存在較大的空洞空間。主關(guān)鍵層破斷后，頂板會(huì)發(fā)生抽冒現(xiàn)象，主關(guān)鍵層上方破碎巖石以及復(fù)合關(guān)鍵層之間的破碎巖石會(huì)向四周滑動(dòng)，充填采空區(qū)的空洞空間，在主關(guān)鍵層破斷的位置對(duì)應(yīng)的地表則會(huì)出現(xiàn)地表異常塌陷坑。塌陷坑深度大于采煤厚度，這正是地表異常塌陷坑形成的原因。

主關(guān)鍵層破斷前，工作面覆巖情況如圖2所示。主關(guān)鍵層發(fā)生破斷后，由于采空區(qū)的空間已基本被填滿，隨后工作面繼續(xù)推進(jìn)的過(guò)程中，主關(guān)鍵層將形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，發(fā)生周期性破斷，地表沉陷活動(dòng)應(yīng)該趨于穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)劇烈的下沉現(xiàn)象，也不會(huì)再出現(xiàn)深坑的現(xiàn)象。

圖2 主關(guān)鍵層破斷前工作面覆巖情況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)情況可知，推論與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果一致。在弄清楚塌陷坑出現(xiàn)的原因后，工作面并未采取特殊措施治理深坑，工作面也得以正常穩(wěn)定地推進(jìn)。

3.2 塌陷坑位置

固支梁的破斷最大彎距在梁端，因此破斷點(diǎn)在梁端位置。根據(jù)理論計(jì)算，主關(guān)鍵層的破斷距為105m，也就是破斷點(diǎn)距離切眼距離105m。假設(shè)塌陷坑范圍由破斷點(diǎn)向兩邊均勻輻射，則塌陷坑中心點(diǎn)距切眼理論距離為105m，塌陷坑出現(xiàn)的實(shí)際位置與理論計(jì)算基本符合。

4 結(jié) 論

(1)1503工作面覆巖并不存在“三帶”，而是只存在“兩帶”：垮落帶和裂縫帶。

(2)工作面覆巖中存在兩層亞關(guān)鍵層和一層主關(guān)鍵層，其中主關(guān)鍵層是復(fù)合關(guān)鍵層。復(fù)合關(guān)鍵層承載能力會(huì)大大增強(qiáng)，且破斷距增大達(dá)到105m。由于主關(guān)鍵層距離地表較近且破斷距很大，破斷后會(huì)引起地表的劇烈下沉活動(dòng)。

(3)第一層亞關(guān)鍵層的破斷導(dǎo)致工作面的來(lái)壓現(xiàn)象。工作面初次來(lái)壓步距79m，周期來(lái)壓步距32m。由于采厚大，頂板回轉(zhuǎn)空間大，主關(guān)鍵層下方巖層無(wú)法形成砌體梁結(jié)構(gòu)，而以組合懸臂梁的形式存在。

(4)頂板跨落帶高度達(dá)到140m，主關(guān)鍵層下方巖層的破斷無(wú)法填滿采空區(qū)。由于主關(guān)鍵層的斷

裂步距很大，達(dá)到105m，因此采空區(qū)會(huì)存在較大的空洞空間。主關(guān)鍵層破斷后，頂板會(huì)發(fā)生抽冒現(xiàn)象，采空區(qū)上方破碎巖石會(huì)向四周滑動(dòng)充填采空區(qū)的空洞空間，導(dǎo)致地表異常塌陷坑的出現(xiàn)。

(5)運(yùn)用關(guān)鍵層理論，結(jié)合回采區(qū)域的綜合柱狀圖，確定是否存在關(guān)鍵層，并通過(guò)公式計(jì)算出關(guān)鍵層的層位及垮落步距，可提前采取限高開采等措施預(yù)防抽冒事故的發(fā)生。