大采高采场覆岩结构特征及运动规律研究.pdf

第 2 9卷第 1 期 2 O O 4年 2月 煤 炭 学 报 J OURN AL OF CHI N A C 0AL S OC I E T Y V o 1 ． 2 9 N o ． 1 F e b ．2 O o 4 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 0 4 O l 一 0 0 0 7 0 5 大采高采场 覆岩结构特征及 运动规律研究 弓 培林， 靳 钟铭 太原理工 大学 采矿工艺研究所 ，山西 太原0 3 0 0 2 4 摘要 运用关键层理论研究了采场覆岩结构特征及运动规律．结果表明垮落带及断裂带高度 与覆岩关键层的分布特征 密切相关，大采高的垮落带及断裂带高度 大于相同煤厚分层开采相应的 高度，且随采高增大呈 台阶状上升．此研 究是 大采高条件下采场矿 压控制、地表塌 陷评价的基 础 ． 关键词 大采高；关键层 ；岩层运动 中图分类号 T D 8 2 3 ． 2 1 1 文献标识码 A S t ud y o n t h e s t r uc t ur e c ha r a c t e r i s t i c s a nd m o v e me nt l a ws o f o v e r l y i n g s t r a t a wi t h l a r g e mi n i ng he i g ht GO NG P e i l i n，J I N Z h o n g mi n g I n s t i t u t e o fMin i n gE n g i n e e r i n g，T a iy u a n U n i v e r s i t yof T e c h n o l o g y ．T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ，C h ／ n a Ab s t r a c t Ba s e d o n t h e k e y s t r a t u m t h e o r y，t h e s t r u c t u r e c h a r a c t e ris t i c s a n d mo v e me n t l a ws o f o v e r l y i n g s t r a t a wi th d i ffe r e n t mi n i n g h e i g h t a r e s t u di e d．T h e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t the a r e a o f c o l l a p s e d a n d c r a c k e d 7 ,o n e i s d i rec tly r e l a t e d t o the c h a r a c t e ris t i c s o f ke y s t r a t u m． Th e are a o f c o l l a p s e d an d c r a c k e d z o n e i s l arg e r than t h a t o f the s a me c o a l th i c k n e s s w i t h s l i c i n g m i n i n g a n d i t s h e i g h t w i l l ri s e w i t h t h e e n l arg e m e n t o f min i n g h e i ght ．T h e s t u d y i s the b a s i s o f s o l v i n g s t r a t a c o n t r o l aro u n d c o a l f a c e and g r o u n d s i n k i n g a s s e ss me n t with l ar g e mi n i n g h e i ght ． Ke y wo r d s l arg e mi n i n g h e i g h t ；k e y s t r a t u m ；s t r a t a mo v e me n t 大采高综采是我国缓倾斜厚煤层开采的发展方向之一 ，近年来 的生产实践表明，在一定条件下大采高 综采能实现高产高效 ，但由于采高加大而引发的煤壁片帮 、端面漏冒及支架失稳是有的工作面没有取得理 想效果的主要原因；另外 ，由于大采高开采覆岩运动加剧、地表塌陷严重 ，引发的环境 问题也备受关 注． 以上问题与大采高采场覆岩结构及运动特征密切相关 ，因此，深人研究大采高覆岩的运动规律对大采高采 场矿压控制 、地表塌陷评价及指导生产实践具有重要意义． 1 关键层 的确定 随着煤层 的开采 ，采场上覆岩层 由下而上逐 步垮落 、断裂 ，形成 了垮落带 、断裂带及弯 曲下沉带 ， “ 三带” 的几何尺寸及其中的岩层运动特征直接影响采场矿压的显现特征 ，传统的矿压理论对精确划分覆 岩的 “ 三带”是 比较困难的，因此 ，对采场矿压的研究大部分集中在邻近煤层的上覆岩层形成的小结构 中，不能系统全面地对矿压的来源 、组成 、分布特征作 出解释．岩层控制的关键层理论 ⋯的提 出，使解 决这一问题成 为可能．本文以某采场覆岩为例 ，改变煤层的开采高度 ，运用关键层理论研究比较不同采高 牧稿 日期 2 0 0 3- 0 7 0 8 作者筒介 弓培林 1 9 6 6一 ，男 ，山西 寿阳人 ，博士研究生 ，副教授 ． l 0 3 5 1 6 0 1 4 0 6 3 O ， Em a i l p l g o n g 2 6 3 ． n e t 维普资讯 8 煤 炭 学 报 2 0 0 4 年第2 9 卷 的覆岩运动特征．覆岩结构及厚度见表 1 ，岩层岩性参数见表 2 ． 表 1 上 覆岩层结构 Tab l e 1 Roc k f or ma t i o n c o l nmnar s e c t i on 层号 层厚／ m 岩 石名称 层号 层厚／ m 岩石名称 层号 层厚／ m 岩石名称 层号 层厚／ m 岩石名称 l 1 ． 8 9 页岩 8 7 ． 7 7 砂 质页岩 1 5 0 ． 1 0 页岩 2 2 2 ． O 3 页岩 2 2 ． O l 砂 质页岩 9 6 ． 5 0 细砂岩 1 6 1 ． 5 2 页岩 2 3 6 ． 8 2 砂质页岩 3 1 ． 7 7 中砂岩 1 0 0 ． 2 0 砂质页岩 1 7 0 ． 7 6 页岩 2 4 3 ． 5 O 细砂岩 4 3 ． 3 0 砂 质页岩 l l 1 ． o 4 煤 l 8 5 ． 9 7 中砂岩 2 5 2 ． 5 l 砂质页岩 5 1 ． 1 6 页岩 1 2 4 ． 0 8 页岩 1 9 6 ． 0 6 砂质页岩 2 6 l 1 ． 5 7 中砂岩 6 1 ． 6 o 石 灰岩 1 3 0 ． 6 7 砂 质页岩 2 0 0 ． 2 5 页岩 2 7 2 ． 9 9 砂质页岩 7 3 ． 4 8 页岩 1 4 0 ． 4 4 煤 2 1 0 ． 8 7 煤 2 8 2 ． o 6 页岩 注 开采煤层采厚取 1～ 7 m，煤层 上层面距地表 2 0 0 m． 表2 岩层岩性参数 Ta bl e 2 Roc k me c ha ni c pa ra m e t e r s 根据关键层的支承特征及强度判别条件，编程计算研 究了表 1所示覆岩的关键层层位 、载荷及破断距 ，其 中， 破断距为采用弹性地基梁的计算结果，见表 3 ． 由表 3可知 ，覆岩 中共有 7层关键层 ，假定 2 6号层 上没能 形 成 关键 层 的岩 层 ，根 据 破 断距 分 析 2 6号层 1 1 ． 5 7 m厚的中砂岩为主关键层 ，其它 6层为亚关键 层 ，亚关键层控制着局部上覆软岩，被控制的软岩与亚关 键层协调变形 ，主关键层则控制着其上所有岩层 ，它们随 主关键层的运动而同步运动 、协调变形． 2 垮落带高度的确定 本文 以距离开采层最近的砌体梁结构以下 的破碎岩层 为垮落带 ，开采层下层面至进入垮落带岩层上层面的高度 为 h 图 1 ，显然 ，随着煤层开采高度 的增大 ，垮落带 范围将增大 ，在小采高情况下能形成砌体梁结构的岩层 ， 在大采高时则可能成为垮落带的一部分 ，关键问题是如何 判断基本顶是否进入断裂带 ，本文选取如下判别准则 l 表 3 关键层特征 T a b l e 3 2 “ h e c h a r a c t e r i s t i c s o f k e y s t r a t u m h r 1 ． 5 { M一[ ∑h i Ii} 一 1 ∑h k 一 1 】 ， 1 图1采 场 结 构 模 型 z m 2 h i , 2 F i g ． 1 T h e s ￡ Ⅲ c l u r e ro o d e 0 f t h e 0 v e r l y i2 h “ g s l r a l a Z 2 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ’ ‘ 。 ⋯ “ 维普资讯 第 1 期 弓培林等大采高采场覆岩结构及运动特征研究 9 式 中，h 为 自下而上第 i 层基本顶的分层厚度 ， 数， 取1 ． 1 5 ～ 1 ． 3 3 ； ∑h 为直接顶的厚度， m ； 基本顶悬露岩块的长度，m． m；M 为采高 ，m；k 为基本顶及其上 附加岩层 的碎胀 系 k 为直接顶岩层的碎胀 系数 ，取 1 ． 3 3～1 ． 5 0 ；Z 为第 层 式 1 的意义是基本顶岩层厚度大于其下 自由空间高度 的 1 ． 5倍 ；式 2 的意义是基本顶断裂岩 块 的长度要大于岩块厚度的 2倍．只有满足上述 2个条件 ，作 为基本顶的关键层才能形成砌体梁结构． 根据上述准则 ，并考虑软岩层随基本顶协调运动 ，对表 1 所示岩层结构的垮落带高度进行计算 ，结果 见表 4 ． 表4 垮落带高度随采高的变化关系 Ta bl e 4 The r e l a t i on s h i p be t we e n he i g ht o f c r ac k e d s t r at a a nd m li nli n。l h e i g ht 项 目 采 高／ m l 2 3 4 5 6 7 3 断裂带高度的确 定 随着工作面的推进 ，进入断裂带的最下层硬岩 第 1硬岩层 形成砌体梁动态平衡结构，这层硬岩 的断裂下沉将导致它所控制的上覆软岩随之协调变形 ，并与它的上覆硬岩 第 2硬岩层 产生离层并形 成 自由空间 △，如果第 2硬岩层也满足式 1 ， 2 ，则它又有形成砌体梁结构并与它所控制的软岩随工 作面推进动态前移 ，依此类推 ，如果第 n层硬岩层下的 自由空间高度为 △ ，则根据弹性地基梁计算的第 n 层硬岩极限跨距时岩层 的最大弯曲下沉量 Y 为 y 轰【 z 一 】 ， 3 ， 式 中，q 为该硬岩上覆岩层载荷 ；E 为弹性模量； 为该硬岩的惯性矩 ；z 为该硬岩极 限跨距之半 ； k ／ E ， ；k为 Wi n k l e r 弹性地基系数 ，k ／ d 0 ，其 中 为地基 的弹性模量 ，d 。为垫层厚度； z 6 w l 6 ／ [ 6 w l 2 ] ． 如果满足 Y ≥△ ，即第 n层硬岩达到极 限跨距时在跨 距中部已经触矸 ，则该硬岩不会断裂 ，当然， 随着工作面的推进 ，采空区矸石逐步被压实 ，该层硬岩将产生小的裂缝 ，笔者认为该 硬岩进入弯曲下沉 带 ，用 表示断裂带高度即开采层下层面至弯曲下沉带岩层下层面的距离，如图 1所示．断裂带高度随 采高的变化关系见表 5 ． 表5 断裂带高度随采高的变化关系 Tab l e 5 Th e re l a tio ns hip be tw ee n he i ght o f c o l l a ps e d s t r ata an d mi ni ng he i g ht 维普资讯 1 0 煤 炭 学 报 2 0 0 4 年 第2 9 卷 4 垮落带和断裂带高度的讨论 国内大量的现场实测资料认为 ，中硬岩条件下的垮落带与断裂带高度与采厚近似呈分式函数关系 ， 经验统计公式分别为 1 0 0 ．d 2 ， 上述关系及计算结果如图 2所示 ，同时得出以下结论 图 2 垮落带和断裂带高度与采高的关系 F i g ． 2 T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n mi n i n g t h i c k n e s s a n d h e i g h t o f c o l l a p s e d z o n e a n d c r a c k e d z o n e 1 当采高小于3 m时，垮落带随采高基本按比例增加，这是由于随采高增大，紧密相邻的 1 3号 岩层相继断裂垮落 ；当采高增大到 4 m时，8号亚关键层以下岩层全部为垮落带 ，因而垮落带高度与采高 3 m相比产生了突变．当采高由 4 m增大到 7 m时，垮落带高度增大的幅度很小 ，这是由于 8号亚关键层 的控制作用．可见 ，垮落带高度随采高的增加是 “ 跳跃”的 ，其突变点与上覆亚关键层的控制作用密切 相关．另外 ，经验公式是在一次性开采高度小于 3 m、累计采厚不超过 1 5 m条件下得出的，由图 2 a 可知 ，当采高小于 3 m时，计算值与经验值基本吻合，当一次性 开采高度超过 3 m时 ，计算值 大于经验 值 ，可见，当煤厚大于4 n l 后 ，采用一次采全高垮落带范围要大于分层开采垮落带的范围，经验公式不再 适 用． 2 断裂带随采高增大而增大的规律不符合经验公式 的分式函数关 系，在增长的过程中出现 了两个 拐点，即采高从 1 m增大到 2 m时，断裂带高度增长的幅度大；采高从 2 m增大到 5 m时 ，断裂带上升的 幅度很小 ；而采高从 5 m增大到 7 m时，断裂带高度急速增长 ，出现这种情况的原因同样是亚关键层的控 制作用 ，当采高为 1 m时 ，8号岩层进入弯曲下沉带 ，当采高为 2 m时，1 8号岩层进入弯曲下沉带 ，因而 断裂带高度产生了突变；采高从 2 m增大到5 n l ，进入弯曲下沉带都是 1 8号岩层，因而断裂带高度变化 不大 ；当采高为 6，7 m时，进入弯曲下沉带分别为 2 3和 2 6号岩层 ，因而 ，断裂带的高度又大幅度地上 升 ；当采高小于 5 m时 ，断裂带高度值与经验公式值差别较小 ；当采高为 6 ，7 m时，断裂带的高度比经 验公式值分别高 1 0，2 0 m左右 ，这同样是因为经验公式是根据采高较小 一般小于 3 m及厚煤层分层 开采而得 出的．当一次性开采高度增大时 ，断裂带高度要大于相 同煤厚分层开采的断裂带高度 ，可见 ，一 次性开采高度增大到一定程度后 ，用经验公式估算断裂带高度是不可行的 ． 3 文献 [ 4]研究 了兖州矿业集团鲍 店煤矿综放开采 9 m厚煤层 的断裂带高度 ，相似模拟结果为 7 8 m， 现场实测结果为 7 1 m，考虑到现场实测的误差及采空 区 1 5 ％的丢煤，其结果与本文采高 7 m时的 断裂带高度 7 2 ． 3 m基本一致 ；兴隆庄矿的实测结果【 纠也得出类似的结论，佐证了本文研究方法的正确性． 一 d一 ∑一 d ∞一 ∑ “ m 厚 采 累 为 d ∑ 中 式 维普资讯 第 1 期 弓培林等 大采高采场覆岩结构及运动特征研究 5 结 论 1 覆岩的垮落断裂受关键层的特征 、层位及分布控制 ，在不同采高时 “ 三带” 范围的确定应根据 关键层的特征确定．当一次性开采高度小于 3 m时 ，垮落带高度符合经验公式的近似分式 函数关 系，当一 次性开采高度大于 3 m时 ，垮落带高度大于相 同煤厚分层开采时 的垮落带高度 ，其高度受关键层特征控 制． 2 断裂带高度受关键层特征控制 ，上覆岩层 中的厚硬关键层 如 l 8号厚 5 ． 9 7 m的中砂岩 控制 着一定采高范围内 2 5 m 的断裂带高度 ，当这层关键层随采高增大而断裂下沉时 ，必将造成其上覆 岩层 的大规模运动 ，断裂带高度急剧上升 ，采高大于 5 m后 ，断裂带高度要大于同煤厚分层开采的断裂带 高度 ，且随采高增大上升的幅度较大，总体而言 ，断裂带高度随采高增大呈台阶状上升 ，每一个平台表示 一 层厚硬关键层的控制作用． 3 大采高开采一般开采高度在 3 ． 5 m 以上，垮落带及断裂带的范围要远大于同厚度煤层分层开采 相应 的范围，因而大采高开采采场矿压显现及控制、覆岩运动 、地表沉陷都有其新的特点 ，应用关键层理 论深入研究大采高条件下覆岩运动是解决上述问题的可行途经． 参考文献 [ 1 ] 钱鸣高 ，缪协兴 ，许家林 ．岩层控制中的关键层理论研究 [ J ] ．煤炭学报，1 9 9 6，2 1 3 2 2 5～ 2 3 0 ． [ 2 ] 侯忠杰 ．断裂带基本顶的判别准则及在浅埋煤层中的应用 [ J ] ．煤炭学报，2 0 0 3 ，2 8 1 8一l 2 ． [ 3 ] 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 [ M] ．北京煤炭工业出版社 ，1 9 8 1 ． [ 4 ] 赵经彻 ，陶廷云，刘先贵 ，等．关于综放开采的岩层运动和矿 山压力控制问题 [ J ] ．岩石力学与工程学报，1 9 9 7 ， 1 6 2 1 3 21 3 9 ． [ 5 ] 康永华 ．采煤方法变革对导水裂缝带发育规律的影响 [ J ] ．煤炭学报，1 9 9 6 ，2 1 3 2 2 5 2 3 0 ． ∈ ∈ ∈ ∈ ∈ ∈ ∈ ∈ ∈ ∈ ∈ ∈ ∈ ●∈ ∈ ∈ 1 ∈ 1E ∈ ●∈ ∈ ∈ ∈ ∈ ∈ ●∈ ∈ ∈ ∈ ∈ ∈ ∈ E ∈ ∈ ∈ ●∈ ∈ ∈ ∈ ∈ ∈ 2 0 0 4年 J O U R N A L O F C OA L S C I E N C E＆E N G 咂雹R G C HI N A 煤炭学报英文版 征订启事 J O U R N A L O F C O A L S C I E N C EE N G I N E E R I N G C H I N A 是 中国煤炭学会主办的刊物 ，是向国内 外公开发行的英文版煤炭科学技术方面的综合性 学术刊物．主要刊载煤田地质与勘探 、煤矿开采、矿山测 量、矿井建设 、煤矿安全、煤矿机械工程 、煤矿 电气工程、煤炭加工利用、煤矿环境保护等方面的科学研 究成果论著和学术论文，以及煤矿生产建设、企业管理经验的理论总结，也刊载重要 学术问题的讨论及国 内外煤炭科学技术方面的学术活动简讯． 煤炭学报 英文版 J O U R N A L O F C O A L S C I E N C EE N G I N E E R I N G C H I N A 是向世界传播我 国 煤炭科技 的重要媒体 ，对加强 中外科学技术交流，宣传我国煤炭科学成就 ，提高我国煤炭科 学技术的国际 地位将起到重要 的作用．及 时报道我 国煤炭科技新理论 、新技术、新经验 也是 煤炭学报 英文版的主 要任务． 煤炭学报 英文版和 中文版具有不 同的刊登 内容和各 自的特点． 煤炭学报 英文版是半年刊，每年 6月和 l 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