厚表土层薄基岩条件下分层开采覆岩破坏规律研究.pdf

厚表土层薄基岩条件下分层开采 覆岩破坏规律研究 陈学星1, 刘伟韬 2, 张培森2 1. 山东理工大学, 山东 淄博 255000 ;2 . 山东科技大学 资环学院, 山东 青岛 266510 摘 要 运用实测和模拟研究的方法, 研究了厚表土层薄基岩条件下厚煤层分层开采时煤层顶板上 覆岩层破坏规律以及导水断裂带的发育高度。一分层回采结束后实测导水断裂带发育高度为 34 . 7 m, 经过 3 . 5 a后实测断裂带高度降为 30 . 7m; 下分层开采结束后断裂带发育高度为 41 . 51m。测试结果表 明, 随着工作面停采时间的增加, 采动裂隙尤其是上部的微小裂隙将会部分闭合, 致使导水断裂带发育 高度降低; 当基岩柱厚度较小时, 导水断裂带发育高度也较小; 同时厚煤层分层开采随分层数的增加, 断 裂带的高度增长幅度逐渐降低。 关键词 覆岩; 分层开采; 破坏规律; 导水断裂带 中图分类号 TD32 ; TD745 . 2 文献标志码 A 文章编号 1008- 4495 2010 06- 0020- 03 收稿日期 2010- 06- 30; 2010- 08- 25修订 作者简介 陈学星 1968, 男, 山东寿光人, 硕士, 副教 授, 教务处副处长, 1991年 7月毕业于山东矿业学院采矿工程 专业, 现主要从事教学管理、 采矿工程方面的教学与管理工作。 煤层开采后上覆岩层断裂带发育高度对于水体 下开采至关重要, 确定断裂带发育高度的方法通常 有经验公式、 理论计算 [ 1]、 相似模拟[ 2]等。笔者运用 实测和计算机模拟研究的方法, 研究了厚表土层薄 基岩条件下厚煤层分层开采时煤层顶板上覆岩层导 水断裂带的发育高度以及覆岩破坏的规律。 1 工程概况 某矿主采煤层埋深 280m, 其中仅表土层厚度就 达 220m, 基岩厚度不足 60 m。由于受到上覆第四 纪厚松散含水层水体的威胁, 为保证开采的安全, 工 作面采用了厚煤层分层开采工艺。煤系基岩风氧化 带含水层属承压水, 其上大部分地带由于有隔水性 能较好的新生界松散层第三隔水层 组 的存在, 可 使其与新生界第一、 第二、 第三含水层和地表水基本 上不发生水力联系。厚表土层薄基岩条件下分层开 采覆岩破坏规律及断裂带发育高度直接影响到水体 下开采的安全问题。 现场实测的 3下207工作面位于该矿二采区中 部, 自 2008年 9月开始回采, 目前已经开采结束; 东 侧为 3下205工作面采空区, 西侧尚未开拓。其上方 的 3上207工作面于 2005年 2月回采结束, 3上207 工作面和 3下207工作面为垂直对应关系, 2个工作 面分别开采区域内 3煤层的上下分层。 3上207工作 面采用综合机械化开采, 采厚 2 . 3m; 3下207工作面 采用综放开采, 开采厚度 3 . 42 m。实测数据所反映 的断裂带发育高度及覆岩变形破坏规律, 相当于上 部 3上煤层开采稳定以后, 下分层 3下煤层开采后的 综合影响。 2 煤层采动覆岩断裂带高度观测 2 . 1 采动覆岩断裂带高度观测方法 采用 钻孔双端封堵测漏装置, 井下仰孔分段 注水观测新技术, 在井下从煤层顶板向上打一任意 仰角的钻孔, 然后进行微分方式注 放 水, 测定钻孔 各段水的漏失流量, 以此了解岩石的破裂松动情况, 确定断裂带的上界高度。 2 . 2 采动覆岩断裂带高度预计 根据 ∀建筑物、 水体、 铁路及主要井巷煤柱留设 与压煤开采规程 中导水断裂带高度的计算公式 [ 3], 断裂带发育高度经验公式预计值见表 1 。 2 . 3 观测工程布置 首先应考虑采前需打孔观测, 而且要留有一定 的富裕时间, 重点考虑采后观测的可行性; 其次要考 虑钻孔开工处 钻场 围岩的完整性, 以便于巷道硐 室的维护和观测孔孔口的完整, 还应考虑水源、 通风 行人的方便。综合考虑上述因素, 决定将观测剖面 设在 3下207工作面中部, 正对采区轨道上山位置。 ∃20∃ 2010年 12月 矿业安全与环保 第 37卷第 6期 表 1 导水断裂带高度经验公式预计值 覆岩 岩性 计算公式 断裂带高度预计值 /m 单层采厚 3. 42 m 累计采厚 5 . 72m 坚硬H li 100M 1 . 2M 2. 0 采后观 测用于控制覆岩岩层导水断裂带的最大发育深度, 应在 采后覆岩移动基本稳定后施工。为此,设计钻孔施工要 素及要求见表 2 , 观测钻孔布置剖面见图 1 。 表 2 钻孔施工要素 孔号类别 孔径 / mm 仰角 / ∋ 孔深 / m 方位完成时间 1采前孔897065 2采前孔896070 3采后孔894585 4 采后孔895080 见图 1 未受采动影响 未受采动影响 采后 60 d 采后 60 d 图 1 观测钻孔布置剖面图 如果第 1个采后观测孔测得的导水断裂带高度 明显低于预计高度, 第 2个采后观测孔可适当减小 施工深度。 2 . 5 导水断裂带高度观测资料分析 根据实际观测数据, 对照煤层顶板的岩性分布, 4个观测钻孔的注水漏失量情况见图 2 。 综合采前、 采后 4个观测钻孔的观测资料来看, 3上207工作面开采形成的覆岩断裂带发育高度随着 采空区形成时间的不断延长而逐渐降低, 2007年实 测断裂带高度为 34 . 7 m [ 4], 采后 3 . 5 a观测得到的 断裂带发育高度为 30 . 7m; 3下207工作面开采后煤 层顶板覆岩形成的断裂带, 其发育上界在煤层顶板 以上垂高 41 . 51m 处, 按照平均开采厚度 3 . 42 m 计 算, 裂高采厚比为 12 . 12 。 图 2 钻孔注水漏失量图 3 断裂带发育高度数值模拟分析 根据该矿条件, 用有限差分法 FLAC数值模拟软 件分别对 3上207工作面和 3下207工作面开采后的断 裂带发育高度进行数值模拟。 3 . 1 计算参数 为取得现场顶底板岩层的实际力学参数, 专门对 顶底板岩层进行了取芯, 并完成了煤层顶板岩层的岩 ∃21∃ 2010年 12月 矿业安全与环保 第 37卷第 6期 石力学参数测试, 依据测试结果, 选取模拟计算的各 岩层力学参数见表 3 。 表 3 计算岩层组物理力学性质指标 岩性 体积模量 / GPa 切变模量 / GPa 黏聚力 / MPa 内摩擦角 / ∋ 抗拉强度 / MPa 密度 / g /cm3 砂质页岩0. 820. 592. 0030 . 000. 892. 46 煤1. 190. 371. 0521 . 000. 301. 28 泥岩0. 670. 312. 0015 . 000. 102. 61 粗砂岩5. 384. 207. 0032 . 000. 892. 60 中砂岩2. 021. 718. 0034 . 000. 862. 65 细砂岩5. 914. 627. 3331 . 001. 052. 62 3 . 2 模拟结果 按照 20m 的开挖步距, 随着工作面向前推进, 上 覆岩层的破坏形态和破坏范围都发生相应的变化, 本 次计算模拟主要对采场周围岩体的破坏状态、 最大和 最小主应力变化的情况进行分析, 上下分层回采结束 后的塑性区破坏范围见图 3 4 。根据上覆岩层塑性 区域的变化范围, 可以推断开采引起的上覆岩层断裂 带发育高度 [ 7]。 3 . 3 模拟结果分析 1 3煤层上分层 3上207工作面 开采后, 上覆 岩层的连续破坏高度为 29 . 5 m, 由于岩层性质的差 异, 其上部岩层发生不连续破坏, 其断裂带高度大致 为 33 . 4m, 比实测断裂带发育高度 34 . 7 m稍小。 2 3上207工作面开采后, 稳定一段时间, 在此基 础上对 3煤层下分层的开采 3下207工作面 进行模 拟计算, 结果表明随着 3下207工作面的推进, 上覆岩 层的破坏范围加大, 但破坏范围增加趋势减缓, 3下207 工作面回采结束后, 断裂带高度为 39 . 6m。 4 分层开采条件下覆岩破坏发育规律 根据矿井煤层顶板岩性柱状描述, 3下煤层直接 顶板为一薄层泥岩和 3上煤层及泥岩互层, 老顶为厚 20余 m的中粒砂岩, 再往上则是相对软弱的岩层, 按 照顶板覆岩岩性及其组合情况, 煤层顶板组合类型属 于中硬 软弱型。岩石力学参数测试结果也表明, 该 工作面上覆岩层属于下硬上软, 但整体强度较低, 刚 度较小, 完整性较差, 属于中等偏软岩层。对于这类 岩层在初次开采时, 其垮落带高度与采厚的比值往往 具备坚硬覆岩垮落带的发育规律, 导水断裂带高度与 采厚的比值则主要具备中硬覆岩导水断裂带的发育 规律; 而在重复开采时, 裂高采厚比则由主要具备坚 硬覆岩垮落带发育规律逐步过渡到主要具备中硬覆 岩垮落带发育规律, 裂高采厚比则由具备中硬覆岩导 水断裂带发育规律逐步向具备软弱覆岩导水断裂带 发育规律方面过渡。 从上覆岩层岩性本身来讲, 断裂带高度降低的岩 层正好位于 4m 多厚的泥岩、 砂质泥岩及断层破碎带 范围, 这部分岩层带由于岩性偏软, 特别是泥岩有遇 水膨胀的特性, 造成了部分岩层的裂隙闭合, 从而使 断裂带发育高度有所下降。因此, 下硬上软型覆岩结 构对于实现水体安全采煤是有利的。 由于观测区域两层煤间距不足 1 m, 3下207工作 面的开采相当于厚煤层第二分层的开采, 从实际观测 结果 看, 下 分层开 采后 导水断 裂带 发育 高度 为 41 . 51 m, 按照平均开采厚度 3 . 42 m 计算, 裂高采厚 比为 12 . 12 。上分层实测断裂带发育高度为 30 . 7 m, 按照平均开采厚度 2 . 3m 计算, 裂高采厚比为 13 . 2 。 测试数据表明, 一分层开采后断裂带发育高度为 2个 分层开采后裂高总厚度的 73 . 2 。根据对 3下207工 作面上覆岩层所做的岩石力学试验分析, 3下207工作 面上覆岩层整体上属于中等偏软岩层, 岩层整体强度 低, 完整性较差, 上分层开采结束后断裂带发育高度 已达到 2个分层开采后断裂带发育高度的大约 3/4 , 下分层开采后断裂带发育高度增加较少, 符合随分层 数的增加, 断裂带的高度增长幅度逐渐降低的规律。 5 结论 1 根据某矿 3上煤层和 3下煤层在 3下207工作面 区域的赋存情况, 3下207工作面的开采相当于厚煤层 下转第 26页 ∃22∃ 2010年 12月 矿业安全与环保 第 37卷第 6期 针对不同 RF的矿用无线信号转换器在巷道的 有效传输距离进行了大量实验测试, 结果如表 2所 示。选用 2. 4GH z功耗低且传输距离远的 ZigBee模 块, 在矿井平直实验巷道其单跳有效传输距离最大 可达 610 m。此外, 在阳泉煤矿工作面进行了工业现 场试验, 结果也表明该系统可正常运行, 并能将矿井 瓦斯等信息实时上传到现有 KJ90NA /NB等煤矿安 全监控系统地面监控中心。 表 2 不同 RF频段有效传输距离测试结果 平直实验巷道 RF频段天线增益 /dB发射功率 /mW巷道有效传输距离 /m 2 . 4 GHz7 . 8100610 868 /915MH z7 . 8500500 433 MH z5 . 0500180 4 结论与展望 基于 ZigBee无线传感器网络的新型瓦斯移动远 程监测监控系统装置, 有效解决了现有瓦斯监测系 统面临的移动在线连续监测接入监控系统的难题。 巷道实验和工业试验结果表明, 采用无线传感器网 络技术有效地实现了机载瓦斯移动远程在线连续监 测和断电控制功能, 为提高煤矿开采的安全等级提 供了一种灵活、 经济和方便实用的技术手段, 未来可 广泛推广应用到其他灾害预警监测系统中, 如顶板 移动监测等地质灾害监测系统, 风速、 温度、 湿度、 CO等井下环境监测系统, 井下应急救灾侦测和通信 系统, 电网、 水泵、 胶带和机电运输无线监测系统等。 参考文献 [ 1] 张士凯, 郑国莘, 李和善. 采煤机机载式瓦斯断电系统 [ J]. 煤炭科学技术, 2002, 30 4 44- 45. [ 2] 徐大维, 郑国莘. 基于 ZigBee技术的矿井工作面移动式 瓦斯监测 [ J]. 国外电子元器件, 2007 7 21- 24. [ 3] 宋文, 黄强, 戴剑波. 矿山监测与应急通信系统无线技术研 究与发展[ C]. 北京 第 19届全国煤矿自动化与信息化学 术会议暨中国矿业大学 北京 百年校庆学术会议, 2009 . [ 4] 宋文, 黄强, 鲁远祥, 等. 矿用多功能无线数据收发与信号 转换系统装置 [ P]. 发明专利公报, 2009, 33 25 812. 责任编辑 吴自立 上接第 22页 第 2分层的开采, 一分层开采后断裂带发育高度为 2个分层开采后总裂高的 73 . 2 , 下分层开采后断 裂带发育高度增加较少。通过实测数据验证了厚煤 层分层开采随分层数的增加, 断裂带的高度增长幅 度逐渐降低的规律。 2 针对 3上207工作面开采后导水断裂带发育 高度的观测结果, 停采 3 . 5 a后的导水断裂带发育高 度降低了 4. 0 m。测试数据表明, 随着工作面停采 时间的延长, 采动裂隙尤其是上部的微小裂隙将会 部分闭合, 导致导水断裂带发育高度有所降低。 3 对于下硬上软型上覆岩层的结构类型, 导水 断裂带高度并不完全具备中硬覆岩的发育规律, 而 是介于中硬覆岩与软弱覆岩的规律之间, 对于实现 水体安全采煤是极为有利的。 参考文献 [ 1] 张金才, 张玉旧, 刘天泉. 岩体渗流与煤层底板突水 [M ]. 北京 地质出版社, 1997. [ 2] 涂敏, 刘泽功. 综放开采顶板离层裂隙变化研究 [ J]. 煤 炭科学技术, 2004 4 44- 47 . [ 3] 国家煤炭工业局. 建筑物、 水体、 铁路及主要井巷煤柱留 设与压煤开采规程 [ S]. 北京 煤炭工业出版社, 2000. [ 4] 山东科技大学. 3下207工作面裂缝带高度探测研究报告 [ R]. 2009. [ 5] 刘增辉, 杨本水. 利用数值模拟方法确定导水裂隙带发 育高度 [ J]. 矿业安全与环保, 2006, 33 5 16- 19 . 责任编辑 熊云威 ∃26∃ 2010年 12月 矿业安全与环保 第 37卷第 6期 English Abstracts of This Issue Ex permi entalStudy ofMetha ne- co alDustCo mpo und Expl o- sion in a Closed Tube1- Experm i entsof methane- coal dust compound explosion with low ignition energywere carriedout in a1 . 2m long vertical tube . Study wasmadeon the i nfluence of different i nitial state para meters inclu dingmethane ratio of coal dust concentration , coaldust particle size and ignition delay tm i e upon the co mpound explosion characteris tics . The results sho wed that the explosionpressure rose significant lywith the speed- up of fla me propagation , themaxm i u m explosion rise rate appeared at the initial stage of the explosion and it reached themaxm i u m valuewhen fla me propagated to the end of the tube ; after the coal dust was added into low concentrationmethane ,the explosion pressure markedly increased ;the s maller the coal dust particle size ,the larger the co mpound explosion pressure and the faster the explosion pressure rose ; themaxm i u m explosion pressure and the pressure rise rate increased first and then decreased with coal concentration and ignition delay tm i e , so a peak point existed . Nu merical Smi ulatio n ofGasandVentilati on Safety inCoalandGasOutburstProcessSmi ula tionLa boratory5- The coal and gas outburst sm i ulati on test- stand developed byChongqi ngUni versity can sm i ulate coal andgasoutburst process in different conditions , ho wever , thehidden riskbrought by a mount ofmethane gas can t be ignored . In order to research the gas enrich ment andmigration regularity aftercoal andgasoutburst and the degree of hi dden risk , CFD soft ware Fluentwasused i n this paper to sm i ulate themethane gas enrich ment status and corresponding safety counter measureswere thusput for wardaccording to thenu merical sm i ulation results .It was found fro m the contrast analysis of nu merical sm i ulation results and the gas concentrationmeasured at the site that theyhave agood consistency , this thusprovidedscientificbasis for the safe construction of laboratories . Sm i ulation o nReleasing Characteristics ofCd , Zn andCu in SoilPollutedbyAcidRain 13 - In thispaper , studywasmade on the releasing characteristicsof heavymetalCd , Cu and Zn in the soil polluted by acid rain and co mparisonwasmade on their releasing difference fro m the natural soil and polluted soil by acid rain through leaching experm i ents of sm i ulated acid rain for natural soil and polluted soi.l The results indicated that the releasing a mount ofCd andZn in natural soil in creased linearlywith the increase of the leaching a mount of sm i ula ted acid rai n , the stronger the acidity of the acid rain ,the larger the releasing a mount of the heavymetals , therewasamarked li near relation bet ween the accu mulative a mounts of three heavy metals , the releasing sequence of the heavymetalswasZn Cd Cu and the absorbed sequence ofheavymetalsby thenaturalsoilwasCu Cd Zn . In thepolluted soi, l the releasingmode ofCd , Zn andCu increased logarith mically ,the releasing sequence of heavy metals wasCd Zn Cu and the absorbed sequence of the heavymetals by the polluted soil was Cu Zn Cd ;the acidity increase has a little influence on the releasing a mount ofCd , Zn andCu in pollu ted soi.l The poll uted possibility ofnatural soilbyheavymetalsun der the action of acid rai n was relative s mall due to less releasing a mount of heavy metals from i. t Emulation Study onFlying ProcessofAir- boosti ng Carrier in Lm i itedM ine Space1 6 - I n this paper ,the flyi ng principle of air- boosting carrier in the lm i itedmine spacewasdescribed , themathe maticmodel for carrier flying process and rope haulage forcewas established ,the nu meri cal e mulation of carrier flying process and the joint e mulation cal culation of its launching process were carried ou,t the launching device and test syste m for the carrierwere designed and launching testswere conducted , the correctness and confidence of the carrier e mulation studywere verified , and the flying feasibility of the air- boosting carrier in lm i itedmine spacewas finally obtained . Research o n FailureReg ularity of OverburdenRock inProcessofThick Sea m SlicingMining 20 - In this paper , researchwasmade on the failure regularity of overburden roof rock and the develop ment height of flo wing frac tured zone in the condition of thick sea m slicing mining with the of actual measure ment and sm i ulation study ,the actually measured develop ment height of the fractured zonewas3 4 . 7m after the extraction of the first slice , but it reduced to 3 0 . 7m after3 . 5a ; after the extraction of the lower slice finished , themeasured value was 4 1 . 5 1m . The measured results showed that the mi ning- in duced fractures ,especially the upper micro - fractures , would closed partlywith the increase of the coalmini ng stop tm i e , which would lead to thedecrease of the develop ment height ofwater flo w ing fractured zone . At the sa me tm i e ,the increase range of the height of fractured zonewould reduce graduallywith the increase of slice nu mber duri ng thick sea m slicingmini ng . Develop ment ofMachine-mountedRe moteGasMonitoring andCo ntrolSystemBasedonZi g BeeWirelessTra ns ducerNetwork2 3 - I n this paper , the author put for ward a machine- mounted re mote gas monitoring and control syste m based on ZigBeewireless transducer net work technology in order to suit the co mplocated working environ ment and realize the re mote gasmonitoring and re mote cut- off controlunder themobile condi tion of themine safetymonitoring syste m , analyzed the key technol ogy for realizing network co mmunication of this syste m ,and ob tained the test results both in the experm i ental gallery and coal mine . The test results showed that this syste m can not only reduce thewiring difficulty and cost of gasdisastermonitoring syste m , but also provide a ne w idea for the effective m i ple mentation of re mote gasmonitoring and po wer control in a coalmine . Test Study onTreat ment ofPrinting andDyingWaste water withModified Co alGangueAb sorptio n2 7 - Investigati onwasmade on the infl uenceof the particle size and dosage ofmodified coal gangue and the adsorption tm i e upon the tream t ent effect of the printi ng and dyingwaste water by usingmodified coal gangue absorption . The test results indicated that the re moval rates forCOD in prm i arywater and colourity coul d respectively reac h 4 6 . 2 and8 3 . 7 whenC ODwas3 2 9 8 . 8mg/L , the colouritywas1 1 0 0tm i esand 4gmodifiedcoalgangue of1 2 0meshwasreactedwith5 0mL printi ng and dyingwaste water for5min , and the effluent concentration of C OD and colouritywere respecti vely1 7 7 4 .8mg/L and1 8 0 tm i es . Thisstudy provided theoretical basis for using modified coal gangue as the absorbent for printi ng anddyi ngwaste water tream t ent and also provi deda ne wway for printi ng anddyingwaste water tream t en.t Nu mericalSmi ulatio nResearch ofBolt Support forRoa dwaywithFriableRoof3 2- The road waywith friable roofbelongs to soft rock road way , and itssup port designwasaffectedbymany kindsof factors . Towell recognize the bolt support effect under different pre- stress leve,l nu merical analysiswasmade in this paper on the defor mation characteristics and stress distribution la w of surrounding rock in three pre- stress levelsby taking a road way with friable roof in a mine as back ground . The calculation results showed that the high pre- stress sche me could greatly m i prove the strength and bearing capacity of surroundi ng rock and effectively control thedefor mation of the road way with friable roof rock , this is to say , the success and failure of supportmainly depended on the high or low pre- stress leve,l so this study has certain references for the design ,construction and maintenance of sm i ilar road ways in a coalmine . Study ofAirFlo w a ndGasMigrationLa w i n aU- ShapedFull yMechanizedCaving Face4 7 - To counter the disallowed gas concentration in 7 8 02fullymecha nized caving face ofWuyang CoalMine , deep study wasmade on the air flo w fieldand gasdistribution in the face through nu mrerical sm i ulation and theoretical analysis . The study results revealed the air flow and gasmigration la w in aU- shaped fullymechanized ca vi ng face and found out the main reasons for gas accu mulation in the upper corner angle of the face . Finally relevant prevention measureswere put for ward according to thismain reason . Study onBlocking- upWaterGrouting Technolog y for CoalRo adway i n H2 S Enviro n ment 5 3- Based on the cause analysisofminewater inflo w inNing tiaota CoalMine , a plan of grouting for blocking upwater in coal road way underH2 S environ ment