深部开采上覆岩层移动的现场检测分析.pdf

S e ri e s No ． 3 9 1 J a n u a r y 2 0 0 9 金 属 矿 山 ME TA L MI NE 总 第3 9 1 期 2 0 0 9 年第 1期 深部 开采上覆岩层移动 的现场监测分析 水 王志国 周宏伟 谢和平 ， 。 左建平 1 ． 中国矿业大学 北京 ； 2 ． 河北理工大学； 3 ． 四川大学 摘要针对当前煤炭深部开采问题 日 益突出的现实 ， 为了解深部开采上覆岩层移动规律， 结合潘一矿开采 实际， 通过在 1 3 1 槽底板瓦斯抽排巷布置上、 下钻孔， 采用多点位移计对其上覆岩层移动进行了位移监测 ， 分析 了上覆岩层不同深度的位移、 岩层弱化和破坏的范围， 以及“ 三带” 分布情况。结果表明， 岩层沉降过程可分为 3 个 阶段 初始期 、 活跃期和衰减期 ， 岩层随开采进度的沉降曲线符合负指数函数关系； 并根据沉降位移和离层情况给 出了裂隙带与变形带分界线， 推断岩层断裂与关键层的位置。研究结果为合理进行深部开采提供了依据。 关键词位移监测 深部开采上覆岩层移动规律长壁法 Ana l y s i s o f t he Fi dd M o n i t o r i ng o f Ro o f St r a t a Di s p l ac e m e n t i n De e p M i ni n g Wa n g Z h i g u o Z h o u Ho n g w e i Xi e He p i n g Z u o J i a n p i n g 1 ． C h i n a U n i v e r s i t y o fMi n i n g a n d T e c h n o l o g y ； 2 H e b e i U n i v e r s i t y o f T e c h nol o gy； 3 ． S i c h u a n U n i v e r s i t y Ab s t r a c t T h e p r o b l e ms i n d e e p c o a l mi n i n g a r e i n c r e a s i n g l y mo r e s e ri o u s ．I n o r d e r t o u n d e r s t and t h e r o o f s t r a t a mo v e me n t l a w i n d e e p mi n i n g， i n c o mb i n a t i o n w i th t h e r e a l c a s e o f e an y i Mi n e ，d i s p l a c e me n t mo n i t o ri n g w a s c a r r i e d o u t o n the roo f s t r a t a b y u s i n g a mu h i poi n t d i s p l a c e me n t mo n i t o r ，wit h the mo nit o rin g h o l e s a r r a n g e d o n t h e r o o f a n d fl o o r o f g a s d r a i n a g e t u n n e l i n c o a l s e a I n No ． 1 31 ． An aly s i s wa s ma d e of the s c o p e o f t h e roo f s t r a t a d i s p l a c e me n t ．we a k e n i n g a n d f r a c t u r e a t d i ff e r e n t l e v e l s and t h e d i s t r i b u t i o n o f the“ t h r e e z o n e s ”． T h e r e s u l t i n d i c a t e s t h a t t h e s tra t a s e d i me n t a t i o n p roc e s s c a n b e d i v i d e d i n t o t h r e e p h a s e s i n i t i al，a c t i v e a n d d e c a y ． Th e c u r v e o f the s tra t a s e d i me n t a t i o n t l l t h e mi n i n g p rog r e s s a - g r e e s with n e g a t i v e e x p o n e n t i al f u n c t i o n r e l a t i o n ． B a s e d o n the s e d i me n t a t i o n d i s p l a e e me n t and d e l a mi n a t i o n，t h e b o u n d a r y b e t we e n the fi s s u r e z o n e a n d d e f o r ma ti o n b e l t wa s d e c i d e d a n d t h e s t r a t a f r a c t u r e s i t e and the k e y s t r a t a we r e d e d u c e d ． Th e r e s e a r c h r e s u l t p r o v i d e s a b a s i s f o r a r a t i o n al d e e p mi n i n g ． Ke y wo r d s Di s p l a c e me n t Mo n i t o ri n g，De e p mi n i n g，Ro o f s t r a t a， Mo v e me n t l a w，L o n g wa 1 ]mi nin g me tho d 随着我国煤矿资源开发， 东部的部分矿区如开 滦、 北票、 淮南、 长广、 新汶、 徐州等都相继进入深部 开采 ， 相应深部开采的问题逐渐突出_ l 4 。 。在深部开 采的条件下， 煤层开采后其上覆岩层的活动规律是 一 个值得研究的课题， 而进行该研究的最直接方式 之一就是现场位移监测[ 5 -7 ] 。本研究结合潘一矿 2 1 7 1 1 工作面开采， 对其上覆岩层移动进行了位 移监测 ， 分析了上覆岩层不同深度岩层的位移 、 岩层 弱化和破坏的范围， 以及“ 三带” 分布情况 。 1 潘一矿 2 1 7 1 1 工作面工程地质概况 潘一矿 l 1 2槽煤层 2 1 7 1 1 工作面， 位于潘 一 矿东部 1 1 槽下山采区。1 1 2 槽煤层倾角为 6 。 ～ 9 。 ， 属于近水平煤层 ， 煤厚平均为 1 ． 8 m 。该工作 面走向长为 1 7 8 0 m， 倾斜宽为 2 0 6 in ， 实行综合机 械化采煤 ， 工作面推进速度为 3 ． 6 m ／ d 。该区井 田 地处淮河冲积平原， 地形平坦 ， 平均采深为7 4 2 in 。 2 1 7 1 1 工作面地质构造中等复杂， 基本为一 单斜构造， 面内发育 9 条正断层， 其中F e 7 断层落差 较大， 斜穿该联合面。上覆岩层中新生界土层厚约 为 2 5 3～ 2 7 6 in， 二叠系岩层厚约为 4 5 4～ 4 7 2 in。1 1 2煤层的直接顶为泥岩、 砂质泥岩及 1 1 3煤， 厚 度平均为4 ． 2 in； 老顶为中细砂岩， 厚度平均为 5 ． 8 in； 直接底为泥岩、 砂质泥岩、 炭质泥岩及 1 1 1 煤 ， 厚度平均为3 ． 5 in； 老底为细砂岩， 厚度平均为 7 ． 0 I n o 2 监测仪器及方法 本次位移监测工作采用 K D W 一1型机械式多 国家 自然 科 学 基 金 编 号 5 o 4 9 0 2 7 2 ， 9 7 3项 目 编 号 2 0 0 2 C B 4 1 2 7 0 7 。 王志国 1 9 6 9 一 ， 男， 中国矿业大学 北京 岩石力学与分形研究所， 博士研究生， 0 6 3 0 0 9河北省唐山市新华西道 4 6号河北理工大学 继续教育学院。 1 45 总第 3 9 1期 金 属 矿 山 2 0 0 9年第 1期 点位移计 。位移监测工作在 1 31槽底板瓦斯抽排 巷钻孔进行， 底抽巷位于距 1 1 2槽顶板约4 O余 Il l 的粗中砂岩中， 根据量测需要和仪器要求， 从底抽巷 向上 、 向下打垂直位移观测钻孔共 l 2个 ， 测孔间距 为 6 m， 每个钻孔 内布置 8个测点 依据岩性 ， 分别 距孔 口 2 、 4 、 6 、 1 0 、 1 3 、 1 5 、 1 9 、 2 0 m ， 详见 图 1深部 位移测点布置 。 血 ＼ ’ 量 司 f } ． ＼131煤 6 5 4 3 2 1 21 41 、 2 _ 3 4 2 3 J 氏拙 巷 I 、 测孔编号 量 1 00m 寸 一 煤 ／ 1 ／ 1I i ＼ 图 1 深部位移测点布置 观测时要求首个测孔超前 回采工作面 5 0 m时 开始量测 ， 回采工作面超过最后一个测孔时量测结 束。测孑 L 距 回采工作面 5 0 m 以外时， 量测频度 为 2 次／ 周 ， 在 5 0 m 以内时 ， 每天观测 1次。 3监测 结果与分析 工作面 自2 0 0 5年 1 0月 2 0日开始 回采 ， 位移监 测始于 1 1月 1 1日， 至 2 0 0 5年 1 2月 3 0日止 ， 共采 集位移监测数据 l 9 2 0个。 3 ． 1 上覆岩层移动规律 根据现场位移监测结果， 随着采煤工作面推进， 采场上覆岩层移 动规律可通过相对位 移 曲线来分 析。其中 6号测孔测点相对最高测点 的位移随开采 进度 的变化曲线如 图2 。 分析各测孔测点沉降位移曲线， 岩层沉降位移 具有以下规律 。 1 沉降位移曲线总体特征。根据岩层沉降位 移随工作面推进的变化规律 ， 可 以将岩层沉 降过程 大致分为 3个阶段。①初始期 。工作面采到测孔之 前 ， 即工作面距离测孑 L 约 5 0～0 m时 ， f 临近工作面端 的岩层开始发生沉降位移， 此时超前影响较小， 引起 的岩层沉降较小 ， 位移曲线基本呈水平状态。②活 跃期。工作面邻近或采过测孔时， 测孔邻近或处于 采空区， 此阶段采动影响剧烈， 沉降曲线突然变陡， 岩层沉降速率增大， 下部岩层沉降速率大于上部岩 层 如表 1 ， 随工作面推进 ， 岩层沉 降值迅速增加 ， 当工作面推过位移监测 区约 5 0 m时 ， 采 动影响减 小； 在活跃期末期， 即工作面通过测孑 L 约2 0 m时， 曲 ．1 46 线略有回复， 这是由于折断岩块反向回转， 造成近煤 层顶板岩层产生上向位移 如图3 。③衰减期。工 作面已远离位移监测 区， 在工作面推进到 1 5 8 ． 1 m 时位移监测区的位移才趋于稳定， 此后随工作面推 进位移监测区岩层沉降基本稳定 。 a下向孔 距煤层顶板高度 m _一4 0 ． 8 ； 一3 8 ． 8； ▲ 一3 6 ． 8； 丫 一3 2． 8； ◆ 一2 9． 8； - ．一2 7． 8； ．I一2 3 ． 8； 0 2 2 ． 8 b 上 向孔 距煤层顶板高度 m _一 4 7 ． 3 ； 一 4 9 ． 3 ； ▲ 一51 ． 3； 一5 5． 3； ◆ 一5 8． 3； ． ．一6 0． 3； ．一一6 4 ． 3； 0 6 5 ． 3 图 2 6 测子 L 测点沉 降位移 随开采进度变化 曲线 表 1 采动影响显著阶段沉降速率 e n Vm 型 兰 望 下向孔0 ． 9 2 0 ． 6 6 0 ． 6 9 0 ． 5 6 0 ． 5 6 0 ． 6 8 ． 注 沉降速率指工作面每推进 l m上覆岩层沉降位移值。 从垂直方 向看 ， 近开采煤层顶板岩层沉 降大于 上部各岩层， 随高度增加， 呈递减趋势， 沉降曲线的 斜率减缓 ， 即越 向上越沉降速率越小 ， 由此形成层间 离层； 由沉降位移曲线看出， 在垂直方向上各测点间 均存在大小不同的离层现象， 根据离层量的大小， 可 将离层量较小的测点所在 的岩层看成同一类岩层或 同步沉降岩层， 从而在垂直方向上推测出煤层回采 的采动影响范围， 从 相对沉降位移来看 ， 下 向孑 L 1 3 ～ 2 0 m测点所在岩层与其上部岩层之间离层量较 大 ， 最大值为 1 0～1 5 c m。 2 采动影响范围。根据实测数据， 可计算上 覆岩层采动影响范 围。对下 向孔 ， 工作面超前测孔 o 珈 枷 王志国等 深部开采上覆岩层移动的现场监测分析 2 0 0 9年第 1期 的影响距离平均为 1 7 m； 工作面滞后测孔 的影响距 离平均为4 7 ． 6 m； 采动影响范 围平均为 6 4 ． 6 m。对 上向孔 ， 工作面超前测孔的影 响距离平均为 1 1 m； 工作面滞后测孔的影响距离平均为 4 5 ． 1 m； 采动影 响范围平均为 5 6 m。上向孔所在岩层受采动影响 沉降起点滞后于下向孔， 平均滞后6 m； 上向孔采动 影响终点超前于下向孔， 平均超前 2 ． 5 m； 上向孔采 动影 响范 围小于下向孑 L ， 平均小 8 ． 6 m。平均超前 影响角为 5 3 ． 3 。 。 3 近煤层顶板岩层上向位移 的分析。老顶初 步来压后 ， 随工作面继续推进 ， 近煤层顶板 的上覆岩 层形成裂隙体梁 ， 而距离煤层顶板较高 的上覆岩层 则主要表现为变形沉降。如图 3 ， 工作面推进至距 测孔一定距离时， 首先在靠近工作面一侧下沉 ， 岩层 断裂为 A、 B两岩块 ， 工作面通过测点后一段距离 ， A 岩块 回转 ， 而 B岩块反 向回转 ， B岩块左 端下沉 ， 右 端发生上向位移。即裂隙体梁的岩体结构随回采工 作面推进不断变化 。由于 A岩块 的回转 ， 必然导致 回采工作面顶板的不断下沉 ， 支架所受 的荷载也随 之增加。此间应加强工作面顶板 的管理。 煤层＼ 工作面＼ 圆圈随臣二二二二二] 滞后采动影响 图3 近煤层顶板上覆岩层移动规律 4 上覆岩层沉降位移曲线特征。分析岩层随 开采进度的移动曲线 ， 从位移 曲线趋势上可以看 出 具有负指数函数关 系曲线的特点 ， 在距离煤层顶板 近4 0 m以上岩层随开采进度的移动曲线符合负指 数函数关系曲线， 如图4 a ； 4 0 n q 以下的岩层移动 曲线也具有负指数 函数关系 曲线趋 势， 由于岩层折 断造成的上向位移， 在沉降曲线的下拐点略有偏离， 如图 4 b 。此负指数 函数曲线 可用下列关系式表 示 s s 1一e - a Z b ， 1 式中 ， S 岩层移动基本稳定后的位移量 ， c m； s 为以 开切眼位置为原点的开采进度为 时岩层某点的位 移量 ， c m； Z x ／ L ； 为测点基本稳定时离工作面的 距离， 可取 5 06 0 rn ； o ， b 为随着岩层离煤层的距 离以及岩性特点 的不同而变化的系数。 b 测孔距煤层顶板2 2 ． 8 m测点 图4 岩层随开采进度的沉降变化曲线及其拟和曲线 一实测 曲线 3 ． 2 岩层断裂与关键层识别 由不同高度岩层沉降位移曲线可以明显看到， 在同一开采进度时， 不同高度的岩层沉降位移值是 不同的， 下部岩层的沉降位移值高于上部岩层， 由于 各岩层沉降值的不同造成了离层现象的发生； 而且 同一组岩层由于沉降变形的不协调， 造成岩层的断 裂。 当工作面推进到 1 0 8 ． 6 m 图5 a 时， 距煤层 顶板 3 6 ． 8 r n测点所 在岩层均存 在离层量约 为 1 0 e m 的离 层 ， 与 上部岩层 离层量较 大 ， 最 大约 为 1 5 c m； 3 8 ． 8 I T I 、 4 0 ． 8 m测点所在岩层则又与其上部岩 层产生离层量约为 5 c m 的离层。由离层的状态可 见 ， 位移监测区岩层分为 4组 2 2 ． 8 3 2 ． 8 m测点 所在岩层 a 组岩层 ， 3 6 ． 8 m测点所在岩层 b组岩 1 4 7 o 珈 总第 3 9 1 期 金 属 矿 山 2 0 0 9年第 1 期 层 ， 3 8 ． 8 I n 、 4 0 ． 8 m测点所在岩层 e组岩层 ， 4 7 ． 3 6 5 ． 3 m测点所在岩层 d 组岩层 。 此时， a 组岩 层的最大倾斜度为 2 7 m m ／ m， 说 明 a组岩层 已经折 断， 断裂约位于 1 1 8 m附近。 1 0 0 1 0 5 1 1 O l 1 5 1 2 0 1 2 5 1 3 0 测点与工作面距离 ， m 8 工作面推进至1 0 8 ． 6 I n 时 1 0 0 l O 5 l l O l 1 5 1 2 0 1 2 5 1 3 0 测点 与工作 面距 离 ／ m b 工作面推进至1 3 9 ． 8 m时 图5 不同工作面推进距离时岩层沉降曲线 距 煤层顶板 高度 m 一2 2 ． 8 ； 一 2 3 ． 8； ▲ 一2 7． 8； 丫 -2 9． 8； ◆ 一3 2． 8； ． ．一3 6． 8； ．-一3 8． 8； 0 4 0 ． 8； ★-4 7 ． 8； ， r -49 ． 3； o 一5 1 ． 3； 一5 5． 3； x 一5 8． 3； 一6 0． 3； ⋯ 一6 4． 3； 一6 5 ． 3 当工作面推进到 1 3 9 ． 8 m 图5 b ， 各岩层均 产生较大的沉降， 在其中e 组岩层沉降剧烈， 与b组 岩层的离层减小； a 、 b 组岩层同步沉降， 岩层倾斜度 进一步加大， e 组岩层沉降剧烈部分倾斜度与下面 岩层相同达到 4 0 m m ／ m， 说 明 e 组岩层也已经折 断。此时d组岩层才开始发生伴随的较大变形沉 降。 由以上分析知， e 组岩层在工作面推过后， 在相 当一段时间内， 其没有断裂， 支撑着上部岩层， 同时 由现场知 c 组岩层岩性较好， 主要为粗中砂岩； 而 d 组岩层由现场获取岩芯知其主要为泥岩和砂质泥 岩， 岩性较软， 垂直位移主要为变形沉降。由此可初 步判断 e 组岩层为一关键层。 3 ． 3 岩层沉降等值线云图与两带的判断 根据位移监测结果， 可以绘制不同开采进度时 位移监测区的岩层沉降等值线云图， 图 6 a 、 b 分别为工作面在位移监测区内和超过监测区 7 9 ． 2 l 48 m的位移等值线云图。 1 随工作面向前推进， 沉降范围逐渐向上、 向 前扩展 。工作面进入位移监测 区以及推过该区一段 距离内， 岩层移动进入活跃期。在活跃期， 如图 6 a ， 距顶板较近的上覆岩层沉降较大， 位移等值线 分布较密、 较为均匀， 说明各岩层相互之间的沉降位 移差较大 ， 并且各岩层沉降协调。采宽增加时， 上覆 岩层下部的位移等值线变得稀疏， 上部的位移等值 线变得密集 ， 这说 明下部岩层的离层裂隙逐渐闭合 ， 上部的位移沉降差加大， 即产生离层裂隙。 2 由沉降稳定后的位移等值线图 图 6 b 可见， 距离煤层顶板5 0 111 左右高度的岩层沉降相对 下部岩层已经较小， 该高度以上岩层的位移等值线 较为稀疏； 根据前面分析， 该部分岩层属于 d组岩 层， 主要为变形沉降； 并且从现场监测情况看， 在工 作面推过位移监测区后， 在底板抽排巷进行位移监 测时， 下部钻孔向内抽吸空气， 说明由于岩层断裂形 成横 向或纵向裂隙， 钻孑 L 与瓦斯抽排孔连通 ， 底板抽 排巷两帮局部片帮离层， 顶板有小块支护层掉落。 由此可初步推断距离煤层顶板 2 2 ． 8～5 0 m之间岩 层应属于裂隙带， 距离煤层顶板 5 0 m左右高度为裂 隙带的上边界， 此高度以上为弯曲变形带。 { 魁 恒 匿 1 0 0 1 0 5 1 1 0 l 1 5 1 2 0 1 2 5 1 3 0 测点与工作面距离 ／ m a 工作面推进至1 1 7 ． 6 m 时 1 0 0 1 0 5 1 l 0 1 1 5 1 2 0 1 2 5 1 3 0 测点与工作面距离 ， m b 工作面推进至2 0 9 ． 2 m 时 图6 不同工作面推进距离时岩层沉降等值线 3 ． 4 下沉 系数与岩层高度和采厚比的关系 上覆岩层移动稳定后， 由中间竖向观测线各测 5 o 瑚 0 m 珈 枷 珈 _J ／ 簿 蛙蟮 4 罐 ； } 口 口日 圈 ■■ ■ ■■ ■■ 合∞ ∞ 柏 粥 2∞ ∞ ∞ 王志国等 深部开采上覆岩层移动的现场监测分析 2 0 0 9年第 1期 点的最终下沉值可计算出不同高度的岩层下沉系 数， 以及下沉系数与岩层高度和采厚比的关系。据 此可绘制出各点 的下沉系数与该点煤层顶板高度 日 和煤层采厚 D之比的关系图 如图7 所示 ， 通过曲 线拟合可得出二者之间的函数关系式 Y0 ． 4 9 2 2 70 ． 0 1 3 3 6 x ， 2 式中 ， Y为不同深度的岩层下沉 系数 ； 为岩层距煤 层顶板的高度 日和煤层采厚 D之 比， 即 H ／ D。 上式表明， 不同深度的岩层 的下沉系数与岩层 高度和采厚比成线性关系， 随岩层高度的增大， 其下 沉系数逐渐减小。 岩层距 顶板商度 与呆厚比 图 7 岩层下沉系数与岩层高度和煤层采厚比的关系图 一 实测下沉系数； 一 一 线性拟合曲线 4 结论 1 根据岩层沉降位移随工作面推进的变化规 律 ， 可以将岩层沉降过程大致分为 3个阶段。①初 始期。工作面距离测孔约5 0 m时开始， 岩层沉降较 小 。②活跃期。工作面邻近或采过测孔 ， 测孔处于 采动剧烈影 响区 ， 岩层沉降增大 。③衰减期。在工 作面推进到超越测孔 2 8 ． 1 m时位移趋于稳定。 2 采动影响剧烈期工作面推进距离与上覆岩 层沉降的关系。上向孔所在岩层受采动影响沉降起 点滞后于下向孔， 平均滞后 6 m； 上向孔采动影响终 点超前于下向孔， 平均超前 2 ． 5 m； 上向孑 L 采动影响 范围小于下向孔 ， 平均小 8 ． 6 m。平均超前影响角 为 5 3 ． 3 。 。 3 根据位移监测区沉降位移分布特点， 可推 断距离煤层顶板 2 2 ． 8～ 5 0 m之间岩层应属 于裂隙 带， 距离煤层顶板 5 0 m左右高度为裂隙带的上边 界， 此高度以上为弯曲变形带。 4 下部岩层沉降速率大于上部岩层， 随高度 增加， 呈递减趋势， 由此形成层间离层； 根据离层量 的大小及其随工作面推进的变化特点， 以及各岩层 岩性， 可初步确定 由粗中砂岩组成的 c 组岩层为一 关键层 。 5 岩层随开采进度的沉降曲线符合负指数函 数关系， 在距离煤层顶板近4 0 m以上岩层随开采进 度的沉降曲线符合度较好； 4 0 m以下则略有偏离。 6 上覆岩层移动稳定后， 不同深度的岩层的 下沉系数与岩层高度和采厚比的关系具有线性关 系 Y0 ． 4 9 2 2 7 0 ． 0 1 3 3 6 x， 随岩层高度的增大， 其下沉系数逐渐减小。 参考文献 [ 1 ] 谢和平， 彭苏萍， 何满潮． 深部开采基础理论与工程实践[ M] ． 北京 科学出版社， 2 0 0 6 ． [ 2 ] 谢和平． 矿山岩体力学及工程的研究进展与展望[ J ] ． 中国工 程科学， 2 0 0 3 ， 5 3 3 1 - 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