急倾斜水平分段放顶煤开采岩移规律.pdf

第 2 1卷第 4期 2 0 0 1年 1 2月 西安科技学院学报 J OUR NAL OFXI ’ AN UNI VER S I TY OF S CI E NC E T E C HN OL O GY V0 1 ． 2 1 No ． 4 De e ． 2 0 o1 文章编号 1 6 7 1 ～1 9 1 2 2 0 0 1 0 4 0 3 1 6 0 3 急倾斜水 平分段放顶煤开采岩移规律 高召宁， 石平五 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 采用相似材料模拟 实验研究方法， 对急斜特厚煤层水平分段放顶煤开采上位项煤与采 场上覆岩层运动与破坏规律以及地表 变形进行 了系统的研 究， 阐明了上位顶煤与采场上覆岩层 存在不稳定拱和地表 向顶板方向偏移的非对称性下沉。 关键词 急斜 煤层 ；不稳 定拱 ；非对称性 下沉 中图分类号 T D 3 2 5 ． 1 文献标识码 A 从 8 0年代后期窑街二矿和乌鲁木齐六道湾煤矿工业实验成功后 ， 水平分段放顶煤作为开采急斜特厚 煤层先进的采煤方法 ， 得到了广泛的应用。工作面沿水平垂直于顶底板走向线布置 ， 沿走向线推进。水平 分段的高度不同矿井依其赋存特征为 8 --1 6 m， 自上向下分段开采。显然 ， 这一采煤法与急斜薄及中厚煤 层各类走 向长壁采煤法所引起的围岩移动不 同， 也与传统 的采高仅为 2 ～2 ． 5 IT I 的水平分层采煤方法不 同。鉴于乌鲁木齐市区发展 ， 六道湾井田已处在市区内， 急斜塌陷区与井 田境界内的荒漠化 ， 已严重影响 到乌鲁木齐的环境， 在 9 0年代初现场实测和模拟研究 的基础上 ．2 J ， 又进一步对开采中的围岩破坏移动 及地表沉陷特征进行了相似材料摸拟 ， 这不仅是研究治理市区内数百公顷塌陷区的科学依据 ， 也会进一步 丰富矿井开采 的岩 移理 论 。 1 相似材料模拟实验的建立 模拟条件为新疆乌鲁木齐矿务局六道湾矿 B 4 5 6 号煤 和B 3 号煤 ， 煤层平均倾角 7 0 。 ， 直接顶为 0 ． 4 ～0 ． 7 m 的泥 岩 ， 老顶为厚度 2 5 m的分层较多但中等稳定的砂岩 ， 采用水 平分段走 向放顶煤 开采。采用急倾斜平面应力试验台， 架型 2 2 0 0 1 5 0 0 2 0 0 ， 几何比 1 ／ 1 0 0 ， 采放 比 1 7 ， 密度比 1 ． 6 ， 材料使用沙子 、 石膏、 大白粉 ， 按一定比例混合， 添加缓凝剂堆 砌模型， 堆砌模型时试验台保持 7 0 。 不变。整个模型分一个阶 段开采 ， 阶段 内先采 B 4 5 6 号煤 ， 再采 B l 3 号煤 图 1 。根据 急斜放顶煤水平分段高度加大的趋势， 以及从较危险的状态 着手 ， 水平分段高度定为 2 0 m。 图 1 六道湾矿相似材料模型实验 F i g ． 1mi l a r ma t e r i mo d alt e s t i n Li u d a o wa n c o l l i e r y 2 急斜水平分段放顶煤岩移规律 相似模拟实验反映 了急斜特厚煤层大段 高开采 中， 上位 顶煤及覆盖层的成拱机制及失稳运 动是造成放顶煤工作面矿压显现和顶煤破断放出的基本因素。顶煤和 收稿日期 2 0 0 1 0 61 3 作者简介 高 召宁 1 9 7 1 一 ， 男 ， 陕西蓝田人 ， 在读硕士研究生 ， 主要从事急倾斜煤层开采的研究 ◆ d 维普资讯 高召宁等 急倾斜水平分段放顶煤开采岩移规律 3 1 7 顶板岩性不同， 具有不 同的破坏特征 。 2 ． 1 顶煤的破坏及冒落 急倾斜水平分段放顶煤工作面较短， 实验开采后， 在煤层顶底 板的挤压作用下沿工作面方 向形成拱结构 图 2中 工区 ， 拱的平 衡是暂时的， 随着工作 面的推进 ， 拱的平衡遭到破坏 ， 煤“ 自然” 冒 落和放出， 造成工作面来压。实测六道湾大段高放顶煤工作 面靠 顶板侧 、 中部和靠底板侧 3个测站支架载荷见表 1 【 3 j 。以初次来压 为例， 工作面推至 2 8 m时， 靠顶板侧支架载荷明显增大 ， 推至 2 9 ， 6 1X I 时 ， 靠底板侧来压 ； 工作面中部来压明显滞后于两侧 ， 至 3 1 m时 中部载荷增大。这进一步说明上位顶煤及覆盖层可形成拱结构。 2 ， 2 离层顶板和上位顶煤的冒落 随着顶煤 自然 冒落和放出， 在上覆岩层荷载的作用下， 悬露顶 ， 板挠曲变形并下沉出现离层 图 2中 Ⅱ区 ； 工作面继续推进时， 离 层顶板和上位顶煤冒落 ， 形成二位平衡拱 图 2中Ⅲ区 ， 由于靠顶 图 2急斜放顶煤岩移特征示意图 Ch a r a c t e r i s t i c d i a g r a m o f t h e mo v e me n t o f t o p c o a l c a v i n g i n s t e e p s e 帅 板侧顶煤受拉分离 ， 使拱 向底板侧方向挤压 ， 造成拱的不对称性 ， 而且此拱明显滞后于 工区。当上位拱Ⅲ 区和分段 内形成来压的下位拱 工区同步失稳时 ， 工作面来压更加剧烈。 表 1 六道湾矿大段高放顶煤工作面来压特征 Ta b． 1 Pr e s s u r e c h a r a c t e l s t i c s o f t h e l a r g e s e c t i o n f a c e wi t h t o p c o a l c a v i n g me t h o d i n Li u d a o wa n c o l l i e r y 由于上位顶煤形成不对称拱后 ， 使“ 顶板一上位顶煤一底板” 形成了一个力学结构 ， 底板侧顶煤受压难 以放出， 存留三角煤 图 2中Ⅳ区 ， 当开采下一分段时 ， 随着顶煤 的放出， 残 留三角煤失去支撑沿底板向下 滑动坐落 ， 上位拱失稳 ， 工作面来压。 2 ． 3 破断角和破断方式 开采后围岩破坏的发展方向， 不是沿水平面 向垂直方 向发展， 而是沿急斜煤层面的法线方 向向上扩 展， 沿倾斜的上下呈不对称状， 破坏区偏 向上侧。当开采向深部发展时， 随着顶煤 的冒落 ， 上部垮落顶板几 乎充填满采空区， 减缓 了下位顶板岩层的运动， 顶板只出现离层而不垮落， 而上位顶板岩层活动仍然剧烈 ， 岩层移动破坏不对称现象更加明显， 沿倾斜上部岩层破断角减小而下部破断角增大。表 2反映了随开采 深度增大悬露顶板沿法线方向逐层向上破断变小 ， 岩层破断线不是直线型， 而是 向采空区弯曲的曲线。当 开采 B 4 5 6 煤层第二水平分段时 ， 顶煤 冒落至黄土层， 黄土层出现弯曲下沉 ； 开采第三水平分段时， 岩层 破断角 7 4 。 ， 黄土层冒落高度 1 3 ． 6 r r l 。开采到 B 1 3 煤层第三水平分段时， 岩层破断角 7 O 。 ， 地表完全沉陷。 3 地表变形 模拟实验时 ， 以 B 4 5 6 煤层底板作为基准点 ， 在模型表面布置测点观测地表下沉 图 3 。图中曲线 维普资讯 3 1 8 西安科技学院学报 2 0 0 1 年 1 ， 2 ， 3分别为开采 B 4 5 6 煤层第一、 第二和第三水平分段时地表下沉 曲线 ； 曲线 4 ， 5 ， 6分别是开采 B l 3 煤层第一、 第二和第三水平分段时地 表下沉曲线。 表 2 围岩破断特征 Ta b． 2 Fa i l u r e c h a r a c t e r i s t i s o ft h e s m e n c U n g r o c k 从 图 3可 以看 出地 表变 形 明显 向顶 板侧偏 移 ， 最大 下 沉 点 距 B 4 5 6 煤 层 底 板 1 3 ． 7 m 左右 ， 影响范 围约从 一3 5 ． 5 m 至 9 6 ． 3 m。这 进 一 步说 明 了急 斜 特 厚 煤层水 平 分段 放 顶 煤 开采 时 ， 上 位 顶 煤 与覆盖层形成不对称拱结构 ， 拱 的失稳 是造成地表下沉 非对称性的基本 因素。 随着采深增 大 ， 地表变 形范 围增 大 ， 下沉 量也增加 ， 如果采用充填措施， 地表变形 的范 围和下沉量都会 得到 明显控制 。 4结论 ，、、 ～_ 、＼＼＼ 2 ． ● 一 ， 、 、＼、 ． ， ． 一 1 一 、＼＼ 4／ ． ／／ ＼ ＼ ／／ ＼＼ ／． ／ ， 、 S ／ 厂 ＼ ／ ＼ ／ L 6 _ ／ ， 图 3 地表非对称性下沉 曲线 Fi g ． 3 。Un s y mme t r i c a l s u b s i d e nc e C L L r V e S o f t h e s u r f a c e 单位 纵座标 m m， 横座标 m 1 急斜特厚煤层大段高开采 中． 顶 煤成拱机制及失稳运动是造成放顶煤工作面矿压显现和顶煤破断放出的基本因素。 2 当上位拱和分段内形成来压的下位拱同步失稳时， 工作面来压更加剧烈 ， 灾变影响也就大得多。 3 急斜特厚煤层大段高开采中 地表下沉向顶板侧偏移 ， 呈现明显的不对称性； 采深加大， 煤层群开 采也加剧了地表下沉和向顶板侧 的偏移。如果采用充填措施 ， 地表变形的范围和下沉量都会得到明显控 制。 ’ ● ． 参考文献 [ 1 ] 石平五． 急斜长壁开采顶板破断运动及危险性[ J ] ． 西安矿业学院学报， 1 9 9 8 ， 1 8 1 1 ～7 ． [ 2 ] 李成端． 水平分段巷道放顶煤采煤法研究[ J ] ． 西安矿业学院学报， 1 9 9 6 ， 1 6 2 1 0 9 ～1 1 1 ． [ 3 ] 石平五． 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 ． 0 Ro c k mo v e me nt l a w o f]h o 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 i n s t e e p s e a m GAo Z h a o - n i n g，S HI Pi n g - wu - D e p t ． o fE n e r g yS c i e n c e 口 7 E， J u - q n g， Xi ’ a l l U n i w e r s i t yof S c i e n c e＆ T e c h n o l o g y ，Ⅺ ’ 口 ， l 7 1 0 0 5 4 ， C h i 7 m Ab s t r a c t Th r o u g h t h e s i mu l a t i o n t e s t i n l a b o r a t o r y，t h e mo v e me n t a n d f a i l u r e l a w o f t h e t o p c o a l and o v e r b u r d e n an d s u r f a c e d e f o r ma t i o n a x e s y s t e ma t i c a l l y s t u d i e d i n h o 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 i n s t e e p s e a m． I t i s c l a r i f i ed t h a t t h e r e e x i s t s an u n s t a b l e arc h i n t o p c o a l an d o v e r b u r d e n an d an u n s y mme t r i c a l s u b s i d e n c e d e v i a t i n g t o t h e r o o f ． Ke y Wo r d s s t e e p s e a m；u n s t a b l e arc h；u n s y mme t r i c a l s u b s i d e n c e 0 0 0 0 0 0 4 墙 维普资讯