采煤方法变革对导水裂缝带发育规律的影响.pdf

第 2 3卷第 3期 1 9 9 8年 6月 煤 炭 学 报 J OURNAL oF CHI NA C OAL S OCI ETY V0 1 ． 2 3 No． 3 J u n e 1 9 9 8 ／ 煤方法 革对导水裂缝带发育规 荔 康 永 华 摘要 依据大量的现场 卖洲资料 ，总结 了中硬覆岩厚煤层长壁 冒落开采条件下炮采、综采 及 综放 开采方法对导水裂缝带发育高度及其分布形态的影响．提 出减小初次开采厚度以降低导 水裂缝带发育高度 ；增 大重复开采厚度 以提 高采煤工效和矿 井经济效益；在顶水采煤时，若对 厚煤层采用分层与放顶煤相 结合的采煤方法，刖既能控制导水裂缝带的发育高度 ，叉可降低采 慊 生 墼 ， 墼 丛量 查 基 彗 荤 ，茛 有 伴 关 键 词 苎 墨 ，兰 墨 壁 塾 丛{ 生 盟 筮 聋 一 ‘ Jf 中圈分类号t D 8 2 3 在缓倾斜或近水平煤层长壁冒落开采条件下 ，随着 回采工作面从开切眼开始推进 ，上覆岩层将会相 继垮落、开裂及弯曲下沉 ，并 自下而上逐层扩展 ，一般可形成冒落带、导水裂缝带和弯曲带，在顶水采 煤时 ，导水裂缝带的发育范围及程度将直接决定着水体下安全采煤的可能性及合理性．随着煤矿机械化 水平的不断提高 ，采煤方法正由以往的炮采 、普机采迅速向综合机械化采煤 简称综采乃至综合机械 化放顶煤开采 简称综放 开采迈进 ．由于采煤方法的变革 ，也对导水裂缝带 的发育范围及程度产生了 十分明显的影响 ，因此 ，研究掌握不 同采煤方法尤其是综放 开采条件下 的导水裂缝带发育高度、分布形 态及其影 响特征 ，对于水体下安全采煤将具有非常重要的现实意义 ． 1 采煤 方法变 革对导 水裂缝 带发育 高度的影响 采煤方法不同，导水裂缝带的发育高度及其 变化规律也随之改变 ，其原 因主要在于初次或一次开采 厚度 、分层重复开采厚度以及重复开采次数等随着所用采煤方法 的不同而相应变化，如炮采的采厚一般 多在 2 m 左 右 ，综采 的采厚 一般 多 在 2 ． 5 ～3 m，综放 开 采的采 厚一 般 可达 5 ～1 0 m，从 而使 得导 水裂缝 带发育高度及其与采厚的关 系也随之出现明显差异 ． 1 ． 1 炮采条件下导水裂缝带量大高度与采厚的关系 国内大量现场实测资料表明，炮采中硬覆岩条件下 的导水裂缝带最大高度与采厚近似呈分式 函数关 系， 其经验统计公式 为H u 1 0 0 ∑d ／ 1 ． 6 ∑d3 ． 6 5 ． 6 ， 其中， Hu 为导水裂缝带高度， m ； 2 d为累计采厚，m．其关系曲线如图 l中的曲线 1 所示． 1 ． 2 综采条件下导水裂缝带量大高度与采厚的美 系 近年来 ，煤炭科学研究 总院北京开采研究所 与充州兴隆庄煤矿密切合作 ，开展了大量 的现场实测工 作，得出综采工作面一至三分层开采条件下导水裂缝 带最大高度与采厚亦近似呈分式函数关系 ，其经验 收稿 日期1 9 9 7 0 6 2 6 国隶 自然科学基金 批准号 5 9 6 3 4 0 3 0 重点责助项 目 维普资讯 第 3期 康永华 采 煤方{ 击变革对 导水 裂缝 带发育规律 的影 响 d／ m 鬲 I 导水裂缝带最 高度 与采 厚的关系 F ． 1 Th e r e l a t io n c u r x r e b e t we e n mi n i n g t h i n k n e s s e n d IT t t X h e i g ht o f wa t e r]] o wi n g f r a c t u r e d z o n e 1 国内中硬覆岩一般炮采 ；2 兴 隆庄 煤矿综机分 层开 采 ；3 国内薄煤层单层 开采 或 中厚 及卑煤 层分 层初 次开 采 {4 兴隆庄煤矿综赦 开采 ， 1 0 0、 d 统 计公 式 为 HI ， ，_一3 ． 1 3 ， 其 关 系 1- 6 4 d 2- 3 6 曲线 如图 1中 的 曲线 2所示 ． 由图 1可见 ，曲线 2的纵坐标 值一般均高于曲线 1 ，其 原因 即在 于 综 采 的分 层 开 采 厚 度 尤 其 是 初 次 开 采厚 度均 大 于炮 采情 况 ，而 分 层 开 采数 目少 于炮 采 情 况 ，所 以其导水 裂 缝 带 高度 大 于 后 者 ．由 图 1还 可 看 出 ，随着 采厚增 加 ，曲线 2的上升 速率 略 小 于 曲线 1 ， 即在初 次 开采厚 度 附 近综 采 裂 缝 带 高 与炮 采 裂缝 带 高 的差值较大，而在达到煤层厚度 附近 ，二者 的裂缝带 高差值则较小 ，说明增大初次开采厚度会导致导水裂 缝 带发 育 高度 的 明显 增 加 ，而 增 大 重 复 开采 厚 度 则 导 水 裂缝 带 高度上 升 较 慢 ，这 就 为 我 们 指 明 了一 条 通 过 减小 厚 煤 层 初 次 开 采 厚 度 来 控 制 导 水 裂 缝 带 发 育 高 度 ；通过 增大 重复 开采 厚 度 以降 低 采煤 生产 成 本 和 提 高采 煤工 效 与矿 井 经 济 效 益 的技 术 途 径 ．根 据 这 一 认 识，北京开采研究所与究州兴 隆庄煤矿共同合作 ，采 用 分层 与综 放 开采 相结 合 的采 煤方 法 ，即首 先用 分层 开 采方 法开 采厚 煤 层 的顶分层 ，然后 对 剩余 煤 厚用 放 顶煤 方 法进 行 开采 ，现 已成 功地 将 防 水 煤 柱 由垂 高 8 0 m 缩 小 到 6 S m，取 得 了 良好 的经 济 及 社 会 效 益 ． 1 ． 3 综放开采条件下导水裂缝带最大高度与采厚 的关系 综放开采是近年来得到普遍发展和应用 的一种高产高效采煤方法，其采煤工效及劳动生产率都明显 高 于分层 开采 情 况 ，而生 产成 本 明显 降低 ．所 以 ，综放 开采 条 件下 的导 水裂 缝带 发育 规 律也 就 成 了人们 关注 的热点问题 综放开采的一次开采厚度 以及开采强度较分层开采都明显增大 ，其导水裂缝带发育 高 度也 明显 增 高 ． 以往认 为 ，在炮 采条件 下 ，薄煤 层 单层 开采 或 中厚 及厚 煤层 分层 初 次开 采 时 的导水 裂缝 带高度与采厚呈线性关系，即随着采厚增加 ，破坏高度将按线性 比例增大 ，如图 1中的直线 3所示．这 样的认识是在开采厚度大都不超过 3 m 的条 件下得出的，但对于放顶煤开采情况则并非如此 ．由于放顶 煤一次开采厚煤层 的全层厚度远大于 3 m，例如达到 9 m 左右时，其导水裂缝带最大高度与采厚就不再 符合线性关系，而是近似地呈分式函数关系，如图 1中的曲线 4所示．可见 ，综放开采条件下的导水裂 缝带最大高度与采厚虽然也近似呈分式函数关系 ，但其关系曲线 的上升速率却 明显高于分层 开采情况 ， 即随着采 厚增 加 ，综 放开 采 的导 水裂缝 带 最太 高度 增 加 较快 ，这 一 点 对 于 实现 顶 水 安 全 采煤 极 为 不 利 ， 应予 以重视 ． 1 ． 4 分层开采数 目对导水裂缝带发育高度的影响 分层开采数 目对导水裂缝带发育高度有着明显 的影响．图 2是兴隆庄煤矿采用放顶煤、放顶煤与分 层、分层开采 3种采煤方法将厚度约 9m 的煤层全层采完 以后的实测结果 ．由图 2可见 ，导水裂缝带高 度及其 与采厚的 比值随着分层 开采数 目 的增加而显著减小 ，尤其 是由全层一次开采改为分层重复开 采 时，导水裂缝带高度减小 的程度特别 明显 ，其规律呈近似双曲线函数关系．这就进一步说 明了厚煤层 重复开采条件下 的导水裂缝 带高度与全层一次开采相 比显著降低，而重复开采时增大重复开采厚度引起 导水 裂缝 带 高度 增大 的幅度远远 小 于全 层一 次 开采 情 况 ． 维普资讯 媒 炭 学 报 1 9 9 8 年第2 3 卷 ～ b 图 2 导水裂缝 带高度与分层开采数 目的实 测关 系 F i g 2 Th e r e l a t i o n C L L ,“ V e b e t we e n h e i g h t o f wa t e r fl o wi n g f r a c t a z e d z o n e a n d n u mb e r o f s l i c e m i n i n g a 裂采比Hb ／ 与丹层开采数目 的关秉曲线； b 裂高H1． 与分层开采散目n的关系曲线 2 采煤方法变革对导水裂缝带分布形态的影响 变革采煤方法对导水裂缝带 的分布形态也会带来显著影响 ，这主要是由于采煤方法不 同，其开采厚 度 、重复开采 次数以及采动破坏性影响发育的充分程度等都明显不同．如炮采工作面长度一般仅为综采 或综放工作面的1 ／ 2 左右，其导水裂缝带发育的充分程度显然低于后者． 2 ． 1 分层开采条件下导水裂缝带的分布形态 1 初次开采时导水裂缝 带的分布形态实测结果表明 ，在中硬覆岩厚煤层长壁 冒落开采条件 下 ， 炮采及综采分层开采 条件下导水裂缝带 的分布形态一般呈 两边 高 中间低 的类似马 鞍形 ，如 图 3 a ， b 所示 ． 图 3 a 是炮采条件下的实测结果 ，其上、下边界的裂高值分别较 中部高 1 1 ％和 3 0 ％；图 3 b 是缘采条件下的实测结果，其上、下边界的裂高值分别较中部高 5 4 ％和 4 9 ％，该比例数值分别比炮采 的大 4 3 ％和 1 9 ％．显然 ，综采条件 下导水裂缝带马鞍形分 布形态 的明显 程度大 于炮采条件 ．这是因为 综采的采厚较大 ，约为炮采的 1 ． 5倍 ；工作面较长 ，约为炮采的 2倍 ，所 以综采条件下的覆岩破坏发育 较炮采充分，同时其采空区中部覆岩下沉减小开采空间和采空区边界煤壁支撑的作用也都得到加强 ，致 使其导水裂缝带分布形态表现出较炮 采明显的马鞍形． 2 重复开采 时导水裂缝带的分布形态一般情况下，厚煤层重复开采时导水裂缝带 马鞍形分布形 态的明显程度都将有所降低，分层开采数 目越多 ，降低越明显，有时甚至会使 马鞍形形态基本消失．以 综采工作面的导水裂缝带分布形态为例 ，如图 3 c 所示 ，其 二分层上 、下边界 的裂高值分别较 中部 高 7 ％和 2 2 ％，该比例数值较一分层的分别低 4 7 ％和 2 7 ％ 图 3 b ．说 明二分层导水裂缝带 马鞍形 分布形态 的明显程度 已大大低于一分层． 2 ． 2 综放开采条件下导水裂缝带的分布形态 综放开采条件下导水裂缝带的分布形态也呈现出两边高中间低的类似马鞍形 ，而且其马鞍形分布形 态的明显程度远远大于炮采及综采情况 ，如图 3 d 所示，其 上、下边界的裂高值分别较中部 高 1 4 4 ％ 和 1 4 8 ％．比例数值分别较炮采或综采 的大 1 3 3 ％，1 1 8 ％或 9 0 ％，9 9 ％．这是由于综放 开采与分 层开 采的差 异所 决 定 的 ． 综放开采与炮采或综采分层开采最明显的区别在于前者是一次将厚煤层的全层厚度采放 出来 ，其采 斟●●●蝌● 斜 ， 维普资讯 第 3期 靡永 华 采煤方 法变 革对导水裂缝带发 育规 律的影响 I b d 】 图 3导水裂缝带分布形 态 ．3 Di s t r i b u t io n p a t t e r n o f wa t e r fl o wi n g f r a c t u r e d g O T l a 】炮采工作面一分层 柴里攥 矿 3 0 1 I作面实舅剖面 ； b 综采 工作面一 分层 生 庄攥矿 2 3 0 6 I作面 宴 捌剖面 ； c 练采工作面二分层 兴蠹庄攥矿 2 3 0 6工作面实捌嗣面 ； d 综赦工作 面 兴J 蟹庄攥 矿某工作 面 宴涮剖 面 ；1 导木裂箍带嘎界 ；2 基岩界面 煤厚度明显增大 ，开采强度显著加大 ，采动破坏性影响程度也随之加剧，采空区边界煤壁的支撑作用得 到加强 ，而回采过程 中采场动压强度减弱 ，因而使得静态破坏作用加重 ，而动态破坏 作用 减轻 ．所 以， 综放开采的导水裂缝带就呈现出两边 明显增高、中间明显降低 的类似马鞍形分布形态． 3结 论 1 厚煤层采煤方法变革对导水裂缝带的发育高度及分布形态都将产生明显影响 ，其主要原因即在 于采煤方法的变革引起了初次或一次开采厚度、分层开采数 目等开采条件 的明显变化 ． 2 综放开采条件下导水裂缝带最大高度与采厚之间已不再符合线性关系，而是近似呈分式函数关 系。其关系曲线 的斜率大于厚煤层分层重复开采情况 ，小于薄煤层单层开采或中厚及厚煤层分层初次开 采情 况 ． 3 增大厚煤层初次开采厚度或全层一次开采会 引起导水裂缝带高度的明显增大 ，并使其马鞍形分 布形态的明显程度大大增加；而增大重复开采厚度则 导水裂缝带增高一般不明显．如综放开采与综采相 比，前者 的导水 裂 缝带 高 度较后 者 约增 大 8 5 ％ ；而 分 层 与 放 顶 煤相 结 台 方 法 同综 采相 比 ，前者 的导 水 裂缝带高度仅较后者约增大 1 0 ％．这就为我们提供 了一条通过减小厚煤层分层开采 的初次开采厚度来 维普资讯 煤 炭 学 报 1 9 9 8 年第2 3 卷 降低或控制导水裂缝带发育高度 ；通过增大重复开采厚度以提高采煤工效和矿井经济投益的技术途径． 例如采用分层与放顶煤相结合 的采煤方法 ，就可以明显地收到既控制导水裂缝带发育程度又降低采煤生 产成本的双重效果 ，是 当前水体下采煤 中值得推荐 的一种新方法． 孔凡铭、李奉海、许延春等同志参加了部分现场试验观测工作 ，在此表示感谢 参考文献 1 煤炭 科学研 究院北京开采研究所 ．煤矿 地表移动 与覆岩破坏规 律及 其应 用 北京 煤炭工业 出版社 ，1 9 8 1 2 康永华 ，耿 簿庸 ，茹 瑞典 等综采顶水开采条件 下提 高 回采上 限试验研究 ．煤炭 科学技木 ．1 9 9 5 ，2 3 6 1 ～5 作者简介 康永 华 ．男 ，高级工程师1 9 8 2年 毕业 于阜新矿业 学院采 矿 系，1 9 9 6年 于北 京科 技大 学获 工学 硕士 学位 ．现从 事 “ 三下一上 采煤 、岩石力 学及 地球物理勘探 等方 面的科研 工作 ．承担 国家及省部 缓课题多项 ，获 国家科技进 步 2等奖 1 项和省 部缓科技进步奖多项 ．出版 专著 1部 ．发表 “ 兴 隆庄煤矿 挺高 回采 上限 的试验研 究” 等论文 2 0余 篙北 京市 和 平里煤 炭科 学研究总院北京开采 研究所 ．邮政编码 1 0 0 0 1 3 THE EFFECT oF VARI oUS M I NI NG M ETHoDS oN DEVELoPM ENT LAW oF W ATER FL oW I NG FRACTURED ZoNE Ka n g Yo n g h u a B e i j i n gRe s e a r c h 口 C o a l Mi n i n g，C h i n C o a l R e s e a r c hI n ．i t u t e Ab s t r a c t B ase d o n a hr g e a mo u n t o f p r a c t i c a 1 me a s u r e d i n f o r ma t i o n，t h e e f f e c t s o f d ri l 1 a n d b i a s t i n g。 f u l l y me c h a n i z e d mi n i n g a n d f u l I y ． me c h a n i z e d s u b - l e v e l c a v i n g me t h o d o n d e v e l o p me n t hei g h t a n d d i s t ri b u t i o n p a t t e r n o f wa t e r fl o wi n g f r a c t u r e d z o n e a r e s u mme d u p u n d e r t h e con d i t i o n of t h i c k s e l L r n l o n g wa l l c a v i ng ml n ． i n g i n me d i u m h a r d o v e r l y i n g s t r a t a ，t h u s p u t f o r wa r d t h a t d e c r e a sn g p ri ma r y mi nin g t h i c k n e s s t o r e d u c e t h e d e v e l o p me n t h e i g h t of wa t e r fl o wi n g f r a c t u r e d z o n e |i n c x e asi ng r e p e a t ed mi n i n g t h i c k n e s s t o i mp r o v e mi n i n g e f f i c i e n c y a n de c o n o mi c r e s u l t s ； d u ri ng mi n i n g， ； { s l i c emi n i n g c o mb i n e dwi t h s u b - l e v e l cav i n gme t h o di nt h i c k s e a m ，i t c a n c o n t zol t h e d e v e l o p me n t h e i g h t of wa t e r f l o wi n g f rac t u r e d z o n e a n d r e d u c e p r o d u c t i o n c o s t a s we l 1 ． Ke y wo r d s d ri l l a n d b l a s t ，f u l l y me c h an i z e d mi ning ，f u l l y me c h a niz e d s u b l e v e l c a v i n g me t h o d，wa t e r fl o w i n g f r a c t u r e d z o n e 维普资讯