抚矿集团公司老虎台矿 113006
摘要：老虎台矿开采煤层平均厚度55.5米，最厚达110m，埋深1300m，采煤方法为“走向长壁下行分层放顶煤”。分层开采重复扰动破坏煤层覆岩结构破坏和运动特征十分复杂，并因此引发矿震和充水离层水害事故发生。本文通过采用数值模拟、EH-4物探和微震监测方法，对43005、63007和83003等典型工作面开采后覆岩结构破坏和运动特征进行综合研究，并得出确切结论，为矿井合理规划设计，进行矿震和离层水害治理，提供科学依据。
关键词：分层开采；数值模拟、物探、微震；覆岩破坏运动特征
1数值模拟分析
1.1 83003工作面覆岩破坏与运动数值分析
83003工作面位于老虎台矿井田西部，东邻中部采区，西至井田边界，南为F25断层，北部位“保城限采”煤柱，上部为78001、78002、83001及83002已采综放面，下部为五分层煤层及底板凝灰岩，开采标高-740～-826，工作面走向长度603m，倾斜长度165m，平均煤厚11.8 m。根据83003工作面实际地质条件和顶底板岩性，建立工作面物理和UDEC数值计算模型。
通过数值模拟分析，矿井西部第五个工作面（83003）开采后，地表沉陷区域最大下沉量增大至20～30m，地表下沉量增加了4～10m；F25断层上、下盘发生了相对滑动，在煤层顶板沿
断层面230m范围内，F25断层滑移量达到5～7m，由煤层顶板230m向上至断层露头，断层上盘的位移量较小，为2～3m；各分层开采的覆岩破坏高度为采高的6.8～7.9倍。83003工作面开采后，覆岩破坏高度达到635～670m，为工作面累计采放高度的7.0～7.4倍，裂隙带距地表232～264m，裂隙带未发育至地表。
1.2工作面覆岩破坏与运动数值分析
63007工作面位于井田东部西翼，东邻55003工作面,西邻63005已采工作面，南为55005-2规划面，北部为井田界限，上部为58003、55001、63002已采工作面，下部为五分层煤层及底板凝灰岩。工作面走向长度385m，倾斜长度200m。依据该工作面实际地质条件和顶底板岩性，建立工作面物理和UDEC数值计算模型。
1.3 43005工作面覆岩破坏与运动数值分析
43005段间煤柱复采工作面位于井田东部-430m水平，该工作面东邻老龙煤柱，西邻43003已采工作面，北部为顶板油母页岩，南部为五分层煤层及底板凝灰岩，南侧上方为38004和330东边界已采工作面，上下均为原炮采区充填体。工作面平均走向长度722 m，南北平均宽92m，煤柱平均高度6～10m，工作面倾角为9°，开采煤层为2～5分层，煤层结构复杂，赋存较稳定。依据43005工作面实际地质条件和顶底板岩性，建立工作面物理UDEC数值计算模型。
通过数值模拟分析，随着-330东边界、38004和43005工作面开采后，地表沉陷区域最大下沉量由2～3 m增加至3～5 m，地表的下沉量变化较小。各工作面开采后覆岩破坏高度为50～57 m，为采高的8.3～9.2倍，覆岩破坏区域呈多个拱形分布。
2 覆岩结构破坏的EH-4探测
2.1 EH-4探测原理
EH-4是双源型高分辨率电磁成像系统，可在同一个测点上通过宽变频测量获得深部信息，研究电磁场在大地中的空间分布特征及规律，据此推断异常形态、部位、产状等，定性划分地层，圈定不良地质体的发育区等，最终结合地质、水文及钻探等资料，为地质解释提供地球物理依据。
2.2 83003工作面EH-4探测设计
在老虎台矿83003工作面沿走向布置1号测线，测线长740m，沿倾向布置2号测线，测线长度460m，测点间距20m。
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2.3 83003工作面EH-4探测结果
通过探测得知，83003工作面区域地层结构为：①砂砾岩层，+79～-310 m，厚度为389 m；② 绿色页岩层，-310～-597 m，厚度为287m；③ 油页岩层，-597～-720 m，厚度为123m；④ 煤层，-720～-808 m，厚度为88m；⑤ 凝灰岩层，-808m以下。
2.4 83003工作面上覆岩层结构分析
根据EH-4探测结果，确定83003工作面上覆岩层结构
在83003工作面开采前，工作面上覆岩层产生了垮落带和裂隙带。垮落带和裂隙带位于油页岩层内，绿色页岩、砂砾岩都处于弯曲下沉带中。EH-4探测确定的高阻区位于绿色页岩和砂砾岩的交界面。推测是由于上部坚硬的砂砾岩变性相对较小，而下部软弱的绿色页岩变形量较大，二者之间的变形量不同，导致在其岩层交界面产生离层。
3 覆岩结构破坏微震监测
3.1 微震监测方法
老虎台矿于2008年8月引进了波兰ARAMIS微震系统，在井田范围布设16个微震传感器，系统记录了老虎台矿各个工作面在回采过程中围岩破裂情况，间接反应了该工作面回采导致的覆岩结构破坏情况，将各个工作面的冲击地压和矿震数据分别在倾向剖面图上显示，从而得出覆岩结构破坏的高度和煤层厚度的关系。
3.2 覆岩结构破坏的微震监测
通过对73005、83003和63007等3个工作面回采期间的微震事件进行统计分析，得出工作面累计采厚与区域覆岩集中破坏的高度关系，可见老虎台矿特厚煤层，工作面的逐层开采，覆岩破坏主要集中在绿色页岩和油页岩的交界面以下。随着开采煤层深度的增加，覆岩破坏高度与采出厚度的比值有减小的趋势。
4 研究结论
4.1 -830m水平原生煤体工作面采后破坏与运动总结
-830m水平连续5个原生煤体综放工作面充分开采后，地表沉陷区域最大下沉量为20～30m；在煤层顶板沿断层面230m范围内F25断层滑移量达到5～7m，由煤层顶板230m向上至断层露头，断层上盘的位移量较小，为2～3 m；在断层活动和工作面覆岩运动共同影响下，在83003工作面断层附近区域易引起冲击地压的发生；各分层开采的覆岩破坏高度为累计采高的6.8～7.9倍。
4.2 630 m采后破坏与运动总结
-630m 水平连续6个原生煤体工作面开采后，地表沉陷区域最大下沉量为32～44m；63003工作面开采后F16断层下盘岩层的活动范围最大；63007工作面的开采使得工作面围岩应力增加，矿压显现增强。各分层开采的覆岩破坏高度为采高的6.2～8.5倍；
4.3 -430m段间煤柱复采工作面采后破坏与运动总结
-430m水平连续5个段间煤柱复采工作面开采，覆岩运动与破坏特性相似，随着各工作面的开采，地表沉陷的范围逐渐扩大，地表最大下沉量变化较小，地表沉陷区域最大下沉量为3～5 m；最后一个43005工作面开采后覆岩破坏区域均呈多个拱形分布，覆岩破坏高度50～70 m，为累计采高的8.3～9.2倍；
4.4 EH-4探测的验证
EH-4探测表明，在83003工作面开采前，该区域覆岩结构破坏主要位于油页岩层内，EH-4探测确定的高阻区位于绿色页岩和砂砾岩的交界面，推测是由于上部坚硬的砂砾岩变形相对较小，而下部软弱的绿色页岩变形量较大，二者之间的变形量不同，于是在其岩层交界面产生离层；
4.5 微震监测情况
微震监测表明，随着工作面的逐层开采，工作面覆岩破坏主要集中在绿色页岩和油页岩的交界面以下。随着开采煤层深度的增加，覆岩破坏高度与采出厚度的比值有减小的趋势。
5 建议
5.1 根据工作面开采位置对微震监测传感器的布局进行优化，以便能够更好地对覆岩结构破坏与运动规律进行监测分析，为冲击地压防治提供依据；
5.2 与F1和F16逆断层发生横向联系的裂隙带离层空间，具有充水的可能性，需要进行覆岩富水性物探，探明离层空间是否积水；
5.3 对致灾含水离层空间，加大投入，实施治理工程，消除水害威胁后方可进行工作面设计开采。
作者简介：王景新，1965年10月出生，采矿工程师，现任抚矿集团公司老虎台矿地测副总工程师，毕业于辽宁工程技术学院，连续二十多年从事矿井地质、测量、水害防治及采矿设计工作，曾多次被评为企业企业模范、生产技术专家和学科带头人。
论文作者:王景新,庄振玮
论文发表刊物:《防护工程》2018年第17期
论文发表时间:2018/10/25
标签：工作面论文; 煤层论文; 断层论文; 地表论文; 数值论文; 页岩论文; 结构论文; 《防护工程》2018年第17期论文;