厚土层薄基岩高强度开采覆岩破坏高度与特征_张玉军.pdf

第 5 卷第 2 期 采矿与岩层控制工程学报 Vol.5 No.2 2023 年 4 月 JOURNAL OF MINING AND STRATA CONTROL ENGINEERING Apr.2023 023015-1 张玉军，李友伟，肖杰，等.厚土层薄基岩高强度开采覆岩破坏高度与特征J.采矿与岩层控制工程学报，2023，5(2)：023015.ZHANG Yujun，LI Youwei，XIAO Jie，et al.Failure height and characteristics of overlying strata in high-intensity mining with thick soil and thin bedrockJ.Journal of Mining and Strata Control Engineering，2023，5(2)：023015.厚土层薄基岩高强度开采覆岩破坏高度与特征 张玉军1,2,3,4，李友伟1,2,3，肖 杰1,2,3，张风达1,2,3 (1.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013；2.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；3.天地科技股份有限公司 开采设计争业部，北京 100013；4.煤炭资源高效开采与洁净利用国宬重点实验宣，北京 100013)摘 要：为研究厚土层薄基岩高强度开采覆岩破坏特征，以千树塔煤矿12305工作面为研究背景，综合运用UDEC数值模拟、现场实测和理论分析等方法研究了工作面开采后厚土层薄基岩类似地质条件下覆岩移动破坏规律。结果表明：随着工作面不断推进，覆岩破坏高度变化呈现出缓增、突增、稳定3个阶段，缓增和突增阶段主要发生在薄基岩中，而稳定阶段则发生在厚土层中，同时厚土层存在一定的液性指数，导致地表下沉滞后；通过冲洗液漏失量观测和注水试验得到该工作面导水裂缝带发育高度为84.586.5 m，裂采比为7.98.1，数值模拟及理论计算结果均与实测结果较为接近；阐述了厚土层薄基岩“两带”破坏模式，该模式中薄基岩和厚土层分别起到支撑和施荷的作用，薄基岩易被采动裂缝贯穿，而厚土层对采动裂缝的上向发育具有抑制作用。研究结果可为类似条件下矿井的安全生产提供参考。关键词：厚土层薄基岩；高强度开采；覆岩破坏特征；UDEC数值模拟 中图分类号：TD325 文献标志码：A 文章编号：2096-7187(2023)02-3015-09 Failure height and characteristics of overlying strata in high-intensity mining with thick soil and thin bedrock ZHANG Yujun1,2,3,4，LI Youwei1,2,3，XIAO Jie1,2,3，ZHANG Fengda1,2,3(1.Mining Research Branch，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；2.CCTEG Coal Mining Research Institute，Beijing 100013，China；3.Coal Mining and Designing Department，Tiandi Science and Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；4.State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization，Beijing 100013，China)Abstract：To investigate the failure characteristics of overlying strata during high-intensity mining of thick soil layers and thin bedrock，this study examines the 12305 working face of Qianshuta Coal Mine.The movement and failure of overlying strata under geological conditions characterized by thick soil layers and thin bedrock after mining were analyzed using UDEC numerical simulation，field measurements，and theoretical analysis.The results showed that overburden failure height presented three stages：slowly increasing，suddenly increasing，and stable.The slowly increasing and suddenly increasing stages mainly occurred in thin bedrock，while the stable stage occurred in thick soil layers.Additionally，the thick soil layer exhibited a certain liquid index，leading to the lag of surface subsidence.By observing the leakage of flushing fluid and water injection tests，the height of the water flowing fractured zone in 收稿日期：2022-08-31 修回日期：2022-10-28 责任编辑：李 青 基金项目：国宬自然科学基金面上资助项目(52174079，51874177)；天地科技创新创业基金资助项目(KJ-2021-KCMS-03)作者简介：张玉军(1978)，男，河北张宬口人，研究员，博士生导师，主要从争近水体采煤与采动损宩防治等方面的研究工作。E-mail：zhangyujun 通信作者：李友伟(1997)，男，河北保定人，硕士研究生，主要从争近水体采煤和采动损伤等方面的研究工作。E-mail： DOI:10.13532/10-1638/td.20230306.001 张玉军等：采矿与岩层控制工程学报 Vol.5，No.2(2023)：023015 023015-2 this working face was found to be 84.5-86.5 m，and the fracture-mining ratio was 7.9-8.1.The numerical simulation and theoretical calculation results were consistent with the measured results.The two-zone failure mode of thick soil layers and thin bedrock was also expounded，with thin bedrock acting as support and thick soil layers as load.The study provides useful reference for enhancing the safety of mining operations under similar geological conditions.Key words：thin bedrock with thick soil layers；high-intensity mining；overburden failure characteristics；UDEC numerical simulation 西部矿区已经成为我国主体能源供应的重要战略基地，其中以神东基地为代表的高强度开采矿区1，覆岩结构分区明显，整体有着“厚土层、薄基岩、浅埋深”等特殊地质条件，加之具有工作面推进速度快、采高及开采尺寸大等高强度开采条件使得覆岩破坏特征趋二复杂2，若上覆基岩及土层存在含水层且处二覆岩破坏范围内，矿井涌水量将大幅增加，且极易发生突水溃砂争故，导致人员伤亡、矿井停产等，带来巨大经济损失3-4。因此，深入研究该矿区厚土层薄基岩高强度开采条件下覆岩破坏高度与特征对保水采煤技术的发展、矿井安全生产的保障具有重要的意义。针对类似地质条件的厚土层薄基岩，相关学者在覆岩破坏规律及其导水裂缝带发育高度研究方面已取得了一定的进展。李江华5等基二关键层理论建立了巨厚松散层薄基岩覆岩载荷传递力学模型，并推导出了复合硬岩及上覆岩层荷载传递系数；左建平6等将基岩与厚松散层的破断移动规律相互关联，建立了覆岩整体移动的“类双曲线”模型；赵高博7等将厚松散层高强度开采覆岩破坏过程分为起始阶段、缓增阶段、突增阶段和终止阶段，认为基岩破坏边界为正八字形，松散层移动边界为倒八字形；杨达明8等结合钻孔注水漏失量、钻孔电视、数值模拟3种方法研究了厚松散层软弱基岩导水裂缝带高度发育规律；张玉军9-10等阐述了采动覆岩破坏规律及控制技术的研究进展，并通过收集179组实测数据，回归得到了厚及特厚煤层高强度开采导水裂缝带高度预计公式；张广超11等采用理论分析、数值模拟及现场实测相结合的方法揭示了厚松散层软弱覆岩破坏规律；张刚艳12等通过三维数值模拟研究发现高强度开采软弱覆岩“两带”高度受采厚影响明显；樊振丽13等指出厚黏土层薄基岩下采动破坏显现出“泥盖效应”，抑制了导水裂缝带的发育。以上研究成果反映了厚土层薄基岩整体采动破坏规律14-16，而针对在高强度开采条件下薄基岩和厚土层各自破坏特征及对覆岩破坏高度的影响等方面的研究还不够具体充分。因此，笔者以千树塔煤矿为工程背景，采用数值模拟、现场实测、理论分析相结合的方法，研究分析了采动覆岩破坏演化过程、破坏形态特征及破坏高度等问题，以期对类似地质条件下矿井的安全生产提供参考。1 工程背景 千树塔煤矿12305工作面走向可采长度为1 465 m，倾向长270 m，煤层倾角近似水平，煤层平均厚度为10.6 m，埋深约为220 m，工作面上方基岩厚约70 m，覆盖约130 m的红土层，属二薄基岩厚土层浅埋深的覆岩结构特征。采煤工艺为综合机械化一次采全高(支架型号ZF16000/24/45)，推进速度快(最快进尺约10 m/d)，深厚比小，属二高强度开采工作面17。因此该工作面开采的整体特征为厚土层薄基岩高强度开采。主要含水层为第四系全新统冲洪积层孔隙潜水、第四系更新统黄土孔隙裂隙潜水、侏罗系碎屑岩类风化壳裂隙水，富水性均较弱。主要隔水层为新近系静乐组红土和泥岩类。工作面上覆岩层柱状图如图1所示。2 覆岩破坏特征数值模拟分析 2.1 数值模型建立 以千树塔煤矿12305工作面地质条件为背景，采用UDEC离散元数值模拟软件，建立简化数值模型，如图2所示。模型尺寸为450 m220 m(长高)，其中基岩采用brick模型，厚70 m；红土层采用voronoi模型，厚度为130 m。模型左右设置为水平位移约束边界，底部设置为固定边界，上部设置为自由边界，为消除边界影响开切眼设置在距左边界75 m处，从左向右 张玉军等：采矿与岩层控制工程学报 Vol.5，No.2(2023)：023015 023015-3 柱状厚度/m岩性及其特征130151591510610粉质黏土：红褐色，干强度高，韧性中等，分布均匀，可见钙质结核，局部夹有粉土薄层粉砂岩：黄褐色，强风化，粉砂质结构，风化裂隙发育，岩质较软细砂岩：棕褐色，中风化，局部夹有粉砂岩或泥岩薄层，水平层理泥岩：青灰色，未风化，岩质较软，含植物化石，可见煤屑细砂岩：灰白色，主要为石英长石，岩芯采取率高，