急斜特厚煤层开采围岩与覆盖层破坏规律.pdf

第 2 8卷 第 1期 2 0 0 3年 2月 煤 炭 学 报 J OURNAL OF CHI NA COAL S OCI ET Y Vo 1 ． 28 No ．1 Fe b． 2 x 】 3 文 章 编号 0 2 5 39 9 9 3 2 0 0 3 0 l 一0 0 1 30 4 急 斜 特 厚 煤 层 开 采 围岩 与 覆 盖 层 破 坏 规 律 石平五，高召宁 西安科 技学 院 能 源科学 与工 程系 ，陕西 西安7 1 0 0 5 4 摘要 为 了再造一 个山川 秀美的 西北地 区 ，需要研 究地下矿床 开采 引起 围岩 和地表覆 盖层破坏 规律 ．研 究了急斜特厚 煤层水平分段放顶煤 开采 围岩破 坏规律 ，提 出开采过程顶煤 和 围岩 的破坏 过程 大致可 分为顶煤放 出区、沿底 坐滑区、顶板 离层破坏 区和煤岩 滞后 垮 落区 4个区． 建立 了急 斜老顶狭 长板模 型 ，分析其 变形破坏特征及 主要 影响 因素．得 出急斜 特厚煤层 开采破 坏主要 向煤 层上方发展 ，地表 呈 串珠状塌 陷坑 ，在 老顶 上方地质破 坏 不显 著． 只要 对塌 陷坑进 行科 学 充填 ， 就 可 实现 地 表 绿 化及 城 市利 用． 关键词 急斜煤层 ；破 坏规律 ；狭 长板 ；串珠状塌 陷坑 中图分类 号 T D 8 2 3 ． 2 5 4 文献标识码 A 煤 矿开采 引起的地表塌陷 日益 引起各 部门重视．开采倾角 4 5 。 以上急斜 煤层 ，随开采 不断 向下发展 有 一 不断 反复 开采 过程 ，也必然 引起地 表反复塌陷和破坏．笔者试 图通过研究急斜 特厚煤 层开采 围岩破 坏运 动规律 ，找 出控制开采以控制对地表破坏的科学途径 ，尽量减少和控制对西部本已十分脆弱生态环境的损 害． 1 急斜 特 厚煤 层 水 平分 段 放顶 煤 围岩破 坏 过 程 从 2 0世纪 8 0年代后 期我 国在窑街 、乌鲁木齐等矿 务局成功地试 验应用水平分层综放 以来 ，十几 年间 它已成为开采倾角 4 5 。 以上 急斜特 厚煤层 的主要采煤 方法．我国西部 的乌鲁木 齐 、窑街 、热水 、华亭等 矿 区 ，急斜特厚煤层 的厚度 大都 在 3 0 m 以上 ，工作 面 垂直于走 向在顶 、底板 间水平布置 ，沿走 向推进 ，一 般采用 的水平 分段 高 度 在 1 0～1 8 m． 根据 多 年观 测 和模拟实验分析 ，开采过 程对工作面矿 山压力有影 响 的主要是 上 位顶 煤 、已采 分段 残 留煤 矸 和顶 板． 显 然 ，采后引起 的围岩破坏 也是 向煤层上方 和顶 板方 面 发展 。 ．开采过程 顶煤和 围岩 的破坏 过程 大致 可分 为 4个 区 图 1 I区为顶煤放 出 区．即随开采从放煤 窗 口放出 的 破碎顶煤 ，破坏特征成拱 ，放 出高度取决 于顶煤 的可 图 1 顶 煤 和围岩 破 坏发 展分 区 F i g ． 1 F a i l u r e e v o l u t i o n o f d i v i d e a r e a o f t o p c oa l a nd s ur r o un di n g r o c k 冒放性 ，以及采取 的松动破碎措施 ； 1 1 区为沿底坐滑 区．靠底 板未能从 窗 E l 放 出的顶煤 ，开采后 沿底 板下 滑充填采空 区 ；1 1区为顶板离层破坏 区．随开采 向下部水平分段 发展 ，顶板悬露 到一定面积后 的离层 向破 坏垮落 区发展 ；1 V区为煤 岩滞后垮落 区．随顶板垮落顶 煤破坏 同时 向上发 展 ，垮落 顶板 和顶煤 未能 回收 ， 充填采空 区． 收稿 日期 2 0 0 2 0 1 2 5 维普资讯 l 4 煤 炭 学 报 2 0 0 3 年第2 8 卷 2老顶 破 断 力学 模 型 2 ． 1老顶挠 曲变形 与缓斜煤层长壁 开采不同 ，采场是急斜 上方煤矸和顶板共 同形成 的结构．而顶板 中坚硬稳定 的老 顶是 一 个沿走 向推进悬露 的狭长倾 斜薄板 图 2 a ，作用 于板 的荷 载被看 成是 沿层 面法线 分力 q ． q e o s 和沿 层面切 向分力 q q s i n o ．在 四边 固支条 件下 ，利用能 量 中的李兹 法进 行计算 ，并 由最小 势能 原理求 得顶板挠 曲函数 一为 z c ， ， c 1一c 0 s 2 r x 1 一 C O s ， 1 U 0 2 ql b 8 D1 T b 3 ／ 0 43 ／ b 2 ／ 0 b 一3 叮 『 口 ， ’ 式 中 ，D为顶板弯 曲刚度 ，P a m ；q 。 为垂 直顶板 的荷载 ，N ／ m ；q 为沿层 面 的荷载 ，N ／ m ；n为沿推 进方 向顶板 的悬 露长度 ，m；b为沿倾 斜方 向顶板 的悬 露长度 ，m． 由式 1 绘制 的顶板 挠 曲曲线如 图 2 b 所 示． 由图 2 b 可 看 出，顶板 挠 曲变 形 的最 大点 在狭 长板 的几何 中心． 即在 大多数情况下 ，老顶 的最 大变形点不在工作 面控 顶 区上方． 5 l 4 3 髫 1 5 l 4 3 鲁2 1 0 a／ 4 日／ 2 3 a／ 4 a 0 距开切眼距离／ m b b／ 4 b／ 2 3 b／ 4 6 距基 准点距离／ m c 冈 2 老顶狭长板受力模型及挠 曲曲线 F i g ． 2 F o r c e d mo d e l a n d d e f o r ma t i o n c u r v e s o f ma i n r o o f o f t h i n a n d l o n g s h e e t b 1 ～5 0．b ／ 3．b ／ 2，3 b ／ 4．6 ； c 1 5 0．a ／ 3 ．a ／ 2．3 a ／ 4．n 2 ． 2上 覆岩层挠 曲变形影 响因素分 析 图 2 b 表明 ，老顶挠 曲变形 的最 大点在狭长板 的几何 中心 ，由公 式 1 求 得 W 为 f z ， ； j ； ； j ； ． 取 bh ／ s i n ，0k b k h ／ s i n O L h为水平分段高度 ； 为煤层倾角 ，得 s i n [ 8 D, r r s i n 3 ／ k 2 ／ k 3 一3 “ t r q h ] 2 3 由公 式 3 分 析影 响老顶和上覆岩层 的变形 因素 ，如 图 3所示 ． 1 煤层倾 角 图 3 a 绘 出了 当水 平分段 高度 分别 为 1 0，2 0，3 0，4 0和 5 0 m 时 ，随倾 角 变化 的顶板最大挠 曲变形量． 显然 ，当 6 0～ 6 5 。 时 ，顶板挠 曲即离层量 变小 ，曲线 明显 变缓 ，说 明当 6 0 。 后 ，层间离层量很 小 ，在煤层 的上覆岩层不 会形成 可注浆离层带 ，试 图像缓 斜煤层通过给离 层带注 浆控 制地表塌陷就不可能 ． 2 水平 分段 高度 当 4 5，5 5，6 5，7 5和 8 5 。 时 ，随水平 分段 高度 h变化 的顶板最 大挠 曲变形 量 有一个 由小变大 的临界值 ，如倾 角 6 5 。 时 ，水 平分段 高度 小于 2 5 m，顶板最 大挠 曲变 形量 不 到2 0 m m。 一 般 不会完全断裂．说 明控制水 平高度并及 时充填 采空 区 ，可 以限制破坏 向顶板方 向的发展． 图 4为乌鲁 木齐六道 湾矿塌陷 区 ，在煤层倾 角为 7 0 。 条件下煤 层露头上方烟 囱 已近倒 塌 ，而十几米 外处 于老 顶上 方的 维普资讯 第 1期 石 平 五等 急斜 特厚 煤层 开 采 围岩 与覆盖 层 破坏 规律 1 5 6 0 0 ￡ E 3 0 0 、 O L ． ． ～． 6oo 曼400 200 2 O 4 O 6 O 水平分段高度 h ／ m b 图 3影 响老顶 变 形 因素 曲线 Fi g． 3 The de f o r ma t i o n f a c t o r cu r v e s o f i nflue n c i n g ma i n r oo f a l一 5 5 0，4 0，3 0，2 0，1 0 n ； b 1 5 4 5，5 5，6 5，7 5 ，8 5 。 烟 囱几乎没有倾斜 ． 1 6 D r s i n O l Mt 1 6 Dq h ／ ． t c o s O l ；S2 4 D r s i n O l Mt ． F i g ． 4 C o l l a p s e a r e a o f L i u d a o w a n c o a l mi n i n g i n Wu l u m u q i 乌鲁木 齐六道湾煤 矿煤层倾 角 为 7 0 。 ，平均 厚度 为 3 5 m，埋藏 深 度 为 7 5 m，水平 分 段 高度 为 1 5 m， 参 照该矿 实测岩石力学参数 ，判别式 4 日 S0无解 ，老顶不破 断 ，这与现场观测结 果是吻合的． 甘肃 省华亭煤矿煤层倾角 为 4 5 。 ，平均厚度 为 5 1 ． 5 m，埋藏深度为 1 6 3 m．水平 分段高度为 1 0 m，参 照该 矿实测岩石力学参数 ，可得老顶破 断步距 为 1 4 ． 5 m，与实测 现场初 次来 压步距 为 1 2 ． 6～1 3 ． 2 m是一 致的．说明在急斜倾角较小 时 ，老顶仍会离层破断 ，破坏 在向顶板 的法线方 向偏 上发展． 3急斜 特 厚煤 层 地 表 覆盖 层 破坏 特 点 急斜特厚煤层水平分段 放顶煤 开采 围岩破坏 主要 向煤层上方发展 ，因而地 表覆盖层 破坏与缓斜煤层 不 同，呈不连续地 表塌 陷 ，如图 5所示的典 型串珠状槽 形塌陷坑．在乌鲁木 齐市区东 地表上形成两条黑色 串 珠状槽形塌陷坑 ，是开 采南大槽和北大槽两层急斜 特 厚煤层造成 的． 从 图 5可 以看 出 ，深槽 形塌陷坑 的表土层塌 落具 有西部干黄土边坡特 征．深槽形塌陷可 以通过充 填和 碾压 ，构筑“ 临时绿 化带”，恢 复 地质 环境． 由于乌 鲁木齐矿 区煤层倾 角为 7 0～8 0 。 ，特厚 煤层顶 板 中有 厚十几米 以上 的老 顶 ，隔 阻 了破 坏 向顶板 方 向 的发 展 ，因而深槽形 塌陷的影响范 围是有 限的 ，在老顶上 图 5 乌鲁木齐东煤矿开采区的地表深槽彤塌陷 Fi g ． 5 De e p t r o ug h c o l l a ps e o f s u l a c e i n W ul umuqi mi ni ng a r ea ∞ 如 艉 维普资讯 l 6 煤 炭 学 报 2 0 0 3 年第2 8 卷 方就可构筑永久绿 化带和建筑物 ，为城市所利用 ．若 干年后下一分段或水平 开采时 ，只要保证 自上而下的 充填 是及时 的 ，破 断的影 响范围是有限的 ，依靠资 源补偿 费 ，再构 筑 “ 临 时绿化带 ”，急斜特 厚煤层 开采 的地表就完 全可能是一 片绿 色的秀美 山川 ． 参 考文献 【 1 ] [ 2] [ 3 ] [ 4] 石平 五 ． 高 召宁 ， 黄 与宏 ． 徐芝 纶 ． 作者简 介 急斜大段高放顶煤矿压显现及围岩控制 [ J ．矿山压力与顶板管理 ，1 9 9 2 4 4 3～4 7 ． 石平五．急倾斜水平分段放顶煤 开采岩移规律 [ J ] ．西安科技学院学报 ，2 0 0 1 4 3 1 63 1 8 板结构 [ M] ．北京 人 民交通出版社 ，1 9 9 2 ． 1～3 7 ． 弹性力学 下册 [ M] ．j 京 高等教育出版社 ，1 9 9 2 ． 8 3～ 9 7 ． 石平五 1 9 4 1 一 ，男，教授 ，博士生导师，西安科技学院学术委员会副主任 ，矿业工程一级学科博士点学术带头人， 1 9 6 3年毕业于西安矿业学院，主要从事采矿工程和岩层控制方面的研究 ，获省部级 以上科技进步奖 7项 ，主编参编著作和 教 材 7部 ，发 表 “ 神 府 浅埋 煤层 顶板 破 断运 动规 律 ” 等论 文 8 0篇 ． Th e f a i l ur e l a ws o f s ur r o undi ng r o c k s and o v e r l y i ng be d i n t he s t e e p s pe c i a l t h i c kne s s s e a m m i ni ng S HI Pi n g - WH， GAO Zh a o - n i ng D e p t ．o f E n e r g S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g，X i ’ a n U n i , ,e r s i t o f S c i e n c e a nd T e c h n o l o g y ，X i ’ a n 7 1 0 0 5 4，C h i n a Abs t r a c t I n o r d e r t o bu i l d a be au t i f u l s c e ne r y o f mo un t a i n s i n t h e no r t hwe s t z o n e。 i t i s ne c e s s a ry t o s t u d y t he f a i l ． u r e l a ws o f s u r r o un di n g r o e k s a n d o v e r l y i ng b e d i n du c e d t o mi ne i n t he un d e r g r o un d d e po s i t s．Th e f a i l u r e l a ws o f s u rro un di n g r o c k s i n t he ho r i z o n t a l s e c t i o n t o p c o a l c a v i n g o f s t e e p s pe c i a l t h i c k ne s s s e a m i s s t u d i e d，t he t o p c o a l a nd s u rro u nd i ng r o c k s un s t a bl e f a i l ur e wh i c h d i v i d e s f o u r a r e a s i nc l u d i ng t o p c o a l c a v i n g a r e a，s l i p pi n g a r e a a l o n g t h e b e d r o c k，r o o f s e p a r a t i o n a nd f a i l u r e a r e a， d e l a y e d c a v i n g a r e a o f c o a l a nd r o e k e c t i s pu t f o r wa r d，t he t hi n a nd l o n g s h e e t mo d e l o f s t e e p ma i n r o o f i S b u i l t ． t h e de f o r ma t i o n a n d f a i l u r e c ha r a c t e r a n d ma i n a f f e c t f a c t o r s o f ma i n r o c k i s a n a l y z e d a n d i t s f a i l u r e t r e n d t o t he up pe r o f s e a m ．Gr e e n s u r f a c e a nd r e g u l ar a c t i v i t y o f c i t i e s c a n be r e a l - i z e d wi t h e qu i t a b l e f i l l i ng o f t h e c o l l a p s e a r e a． K e y wo r d s s t e e p s e a m ； f a i l u r e l a w； t hi n a n d l o n g s he e t ； be a di n g s i nk pi t 维普资讯