厚煤层开采覆岩移动规律的现场监测研究.pdf

★ 煤炭科技 开拓与开采 ★ 厚煤层开采覆岩移动规律的 现场监测研究 王树 忠 王继林 于 洋 胡 学军 刘连峰 熊 国军 1 ．中国矿业大学 北京资源与安全工程学院，北京市海淀区，1 0 0 0 8 3 ； 2 ．中国矿业大学 北京力学与建筑工程 学院，北京市海淀区，1 0 0 0 8 3 * 摘 要 现有的监测大多在巷道顶板 5 ～8 m 深的范围展开，本文通过深孔多点位移计 实时监测 了工作 面回风巷 和运 输巷 顶板 岩 层 0 ～ 2 0 m 深 处 范 围 内的岩 层 移动 规 律 。获得 了 不同回采阶段覆岩移动变形规律 ，并根据监测曲线获得 了周期来压步距。 关键词 深部开采深部覆岩 多点位移计 实时监测 覆岩移动规律 中图分类号T D3 2 5 文献标识码A Fi e l d o b s e r v a t i o n o n s t r a t a m o v e m e nt l a w f o r t h i c k c o a l s e a m m i ni n g Wa n g S h u z h o n g ，Wa n g J i l i n ， Yu Ya n g 。 ，Hu X u e j u n ，L i u L i a n f e n g ， X i o n g Gu o j u n 1 ． S c h o o l o f Re s o u r c e a n d S a f e t y En g i n e e r i n g，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o g yBe i j i n g ，Ha i d i a n，Be i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ． Sc ho o l o f M e c h a ni c s a n d Ci v i l Eng i ne e r i n g，Chi na Uni ve r s i t y o f M i n i ng a n d Te c h n o l o g yBe i j i n g ，Ha i d i a n，Be i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，Ch i n a Ab s t r a c t M os t o f t he e x i s t i ng o bs e r v a t i o ns a r e f o c u s on t h e r o a d wa y r o o f mo ve m e n t i n t h e r a n g e o f 5 - 8 me t e r s i n t h e l i t e r a t u r e s ．I n t h i s p a p e r ，mu l t i p o i n t d i s p l a c e me n t me t e r h a s b e e n a p pl i e d t o r e a l t i m e m o n i t o r t he mo ve m e n t l a w o f s t r a t a l o c a t i n g i n t he ma t e r i a l a nd t r a ns po r t a t i o n t u n n e l i n t h e r a n g e o f 0 - 2 0 m．Th e mo v e me n t l a w o f s t r a t a u n d e r d i f f e r e n t b a c k mi n i n g s t a g e s h a s b e e n o b t a i n e d ． B a s e d o n t h e mo v e me n t c u r v e o f s t r a t a ，we d e d u c e t h e p e r i o d p r e s s u r e s t e p ． Th e s e ma y b e h e l p f u l f o r t h e mi n i n g e n g i n e e r i n g ． Ke y wo r d s d e e p mi ni n g，d e e p s t r a t a，m u l t i p oi n t di s pl a c e me n t me t e r，r e a l t i me m o ni t or ， s t r a t a m o v e me nt】 a w 1 前 言 覆 岩 移 动 一 直 是 采 矿 工 程 研 究 的 核 心 课 题 之 一 ，特别是随着煤炭开采深度的增加 ，深部煤层顶 板的破断规律及位移监测成为重点关注的对象。通 常认为采空区附近及上覆岩层的移动 、变形和破坏 的现象和过程是 由于采动所引起的。由于上覆岩层 的岩性 、厚度、层位关系及构造情况不同，存在着 多种多样的运动规律 ，而顶板的结构形式决定了顶 *基金项 目中 国矿 业大 学 北京基 本科研 业务 费 专 项 基 金 2 0 0 9 Q L 0 8 ；国 家 重 点 基 础 研 究发 展 计 划 9 7 3 资助项 目 2 0 1 0 C B 7 3 2 0 0 2 ；2 0 1 0年度 北 京 市科 技 新星计划 2 O 1 0 B 0 6 2 ；教 育部 新世 纪优 秀人 才 支持计 划 NC E T一0 9 0 7 2 6 资助 厚煤层开采覆岩移动规律 的现场监测研究 板的运动特征，因此也是决定顶板控制方式和方法 的关键 因素 。近年来 ，随着综放技术的发展及开采 深度的不断增加 ，与矿山压力相关的重大灾害逐渐 增多 ，事故分析的结果表明，应重新认识深部矿山 压力的计算模型和事故发生的机理，推动采场上覆 岩层结构理论的进一步发展 。目前有关监测覆岩移 动的方法 ，多数是通过 2个测点来测量顶板的 3 ～ 8 m 范围内的岩层移动。为了获得更大范围的顶板 移动规律 ，通过多点位移计监测 ，得出了对五阳煤 矿顶板钻孔深 2 0 m范围的覆岩移动规律 。 2 五 阳矿 7 6 0 5工作面 上覆岩 层移 动监 测方案 工作面上覆岩层位移测量主要是监测该工作面 3 3 果动影响的上覆岩层变形随时间变化 岩层 位移 测量 的 目的是深 入 了解 巷道 深度岩层的位移、岩层弱化和破坏的 覆岩层的 “ 三带”分布情况。 用 KD W 一1型机械式 多点位移计 。 工作拟在 7 6 0 5工作面运输巷和 回风 量测需要和仪器要求 ，本设计从巷道 分别打垂直向上钻孔，考虑到采煤工 l向以及施工钻孔工期 ，最终在 回风巷 开切眼 2 2 0 I 1 1 处开始布置 5个观测 向布孔 ，间距 7 I i3 ，同时 ，在运输巷 m处亦布置 间距为 7／ 7 1 的 5个观测 个钻孔 ，孔 径 5 0 mm，顶板 钻 孔 深 孔 内每隔 2 m布置测点，每孔布置 个测点安装一个孔 内固定器 ，分别 ，垂直 向上 在主要岩层 中布置测点 【 、 3 m 、 5 m 、 7 m 、 9 m 、 1 1 l ln _ 、 1 3 m、1 9 I l l 距离 ，如图 1所示 。 t m --回风巷2 2 0 m处 0 ， 、 运输巷3 2 0 m处 运输巷 开 切 眼 1工 作 面测 点 布 置 不 意 图 司采期问每隔一段时间下井采集岩层 读数之差即为该测点相对于巷道围 直。考虑到采煤工作面 的超前影 响， 开始即进行观测，在顶板岩层活动剧 少要测一次。工作面采过钻孑 L 一段距 夸落不能再监测时停止观测。设初始 点 ，而随着回采影响 ，测点 A将发 置 B点 ，如果测得 A点 、B点与围 位移 L A 和 L B，则 它们 的差 L A 一 B点问离层位移相对值 。 l 场 监测 结果及 分析 7 月 8日至 0 2 0 1 0年 9月 1 3日，对 监测和分析，根据多点位移计观测数 巷与运输巷不同深度岩层位移绝对沉 2和图 3 ，其 中测绳伸长时为正值 ， ；缩短时为负值 ，表示岩层上升 ，这 意味着岩层破断后局部区域有回弹现象 。通过对同 孔不同高度处的沉降数值分析，得 出同一位置处不 同高度处的覆岩变形和沉降量的差异。 图 2 a 显示 8月 9 E t 以前岩层由于测点前方 采空区上方的覆岩发生周期破断而发生周期性的上 下移动 ，但此时岩层移动变化量较小 ；8月 9日以 后覆岩开始发生急剧沉降 ，这是由于随着开采的不 断进行 ，开采工作面离测孑 L 越来越近 ，尤其当开采 面超过测孔后 ，由于覆岩已进入采空区开始发生剧 烈的沉降 ；曲线总体上是呈下降的趋势，表明覆岩 整体上是随着开采的进行垂直位移不断增大；最后 测绳缩短量的大小 可知岩层越高测绳缩短量越大 ， 根据所选取测量仪器的原理可知越高处的岩层下沉 量越小 ，即位移变化速度越向上越慢。 由图 2 b 可知，前期总体上岩层发 生较 为 微软的下降趋势；8月 1 0号开采工 作面已接近此 测孔，这时覆岩开始发生剧烈变化，尤其是 当工作 面推过测孔一段距离后垂直位移更加剧烈。 由图 2 c 显 示 的趋势 与前 面 的趋 势相 近 ，无 异常点 。 由图 2 d 可知 ，9 m 处测 点在 7 月 1 6日～8 月 1 3日大部分 处于正值部分 ，这表明测绳变化量 为正，测绳变长 ，这可能是此处岩层发生局部破坏 致使测点处的位移计发生下滑 ；8月 1 3日以后 开 始发生剧烈沉降 。 由图 2 e 可知 ，整 体上变化趋 势与前 面相 同 ；9 I 1 “1 深处 岩层 在 7月 1 8日和 7月 2 0日发 生 两 次 向上的突变，分析认为这是由于测点处岩体较破 碎致使测点处岩层下滑 ，测绳变长。 2 l 0 量． 1 皿 斑 Ij 一z ．3 4 5 中国煤炭第 3 7卷第 1 1 期 2 0 1 1年 1 1月 啪 咖 娜 吼 回 加 2 O ．1 删 z ．3 -4 ．5 2 1 O - 1 一2 _3 -4 ．5 2 1 0 ． 1 商 ．2 制 3 _4 ． 5 2 l 0 g一 1 ． 2 _ 3 -4 ．5 7 ． 1 2 7 ． 1 6 7 ． 2 O 7 - 2 4 7 - 2 8 8 ． O1 8 0 5 8 0 9 8 ． 1 3 日期 b回风巷2 孔 7 1 2 7 ． 1 6 7 - 2 0 7 - 2 4 7 - 2 8 8 ． 0 1 8 0 5 8 0 9 8 ． 1 3 日期 c 回风 巷3 吁L 7 ． 】 27 1 6 7 - 2 07 - 2 47 - 2 88 - 0 l 8 - 0 5 8 - 0 9 8 ． 1 38 ． 1 7 日期 d 回风巷4 吁L 7 ． 1 2 7 ． 1 6 7 - 2 07 - 2 47 - 2 8 8 - 0 l 8 ． O 5 8 - 0 98 1 3 8 - 1 7 日期 e 回风巷5 孔 图 2 回风巷不 同深度岩层位移绝对沉降量 厚煤层开采覆岩移动规律 的现场监测研究 图 3 a ～3 e 为运输 巷 5个测孔 的沉 降 变化曲线图。开采工作 面推至测孔位置处时，由于 支撑将测绳处的岩层遮盖住致使此时无法进行 测 量，因此测不到覆岩发生较剧烈沉降变化时的值 。 这是由于上面所述原因使得图形最后部分没有发生 类似回风巷各孔的剧烈下降，这说 明支架暂时有效 阻止了岩层的移动。且离工作面越近测孔变化越剧 烈，岩层越高垂直位移变化速度越小 ，即从浅部到 深部的岩层移动 总体上呈下 降趋势。由图 3 b 可以看 出 8月 2日以后覆岩开始发生近于直线的下 降；3 I T I 和 5 m 测点在 9月 3日发生 向上的突变 ， 这说明这两处发生了局部垮落，这可能是支架没有 有效发挥支撑作用所导致的。 2 S 0 襄 。 ．2 g u 唧 2 l 0 骞 面 一 1 ．2 -3 ．4 7 ． 2 6 7 ． 3 1 8 ． 0 5 8 - 1 0 8 ． 1 5 8 - 2 0 8 - 2 5 8 - 3 0 9 - 0 4 9 - 0 9 日期 a 运输巷 l 吁L 1 ． 5 m 3m 5m 7m 9m l1 m l 3 m 1 5 m l 7m 1 9 m 7 2 6 7 3 1 8 0 5 8 ． 1 0 8 ． 1 5 8 ． 2 O 8 2 5 8 - 3 O 9 ． 0 4 9 0 9 日期 b运 输巷2 孔 7 ． 2 6 7 ． 3 1 8 ． 0 5 8 - 1 08 一 l 5 8 - 2 0 8 -2 5 8 - 3 0 9 - 0 49 - 0 9 日期 c 运输巷3 孔 1 5 m 3 m 5 m 7 m 9 m 11 m 1 3m 1 5 m 1 7 m 1 9 m 3 5 2 0 J 0 4 2 要0 蓑 一 _2 3 7 ． 2 6 7 ． 3 1 8 ． O 5 8 一 l 08 ． 1 5 8 - 2 0 8 - 2 5 8 - 3 0 9 0 49 0 9 日期 d 运 输巷4 吁L 7 ． 2 6 7 ． 3 l 8 ． 0 5 8 1 0 8 ． 1 5 8 ． 2 0 8 ． 2 5 8 ． 3 0 9 ． 0 49 ． 0 9 日期 e 运输巷5 吁L 图 3 运输 巷不同深度岩层位 移绝对沉 降量 4 结论 通过多点位移计实时监测了工作面回风巷和运 输巷顶板岩层深 0 ～2 0 m 范围内的岩层移动规律 。 在开采过程的前期监测所得位移变化量很小 ，并呈 现出一定规律的上下波动 ，这主要是远处覆岩周期 性垮落对测点处覆岩的影响，当工作面推过监测区 域后才会引起垂直位移的急剧增加 ；回采工作面推 过一 定距 离 5 m 左 右 后 ，监测 所得位 移 急剧 增 加 ，但是岩层位移速度不尽相同，特点是越向上越 慢 ，这表明在各层覆岩之间出现了离层 ；利用覆岩 随时间位移变化曲线可 以计算出 7 6 0 5工作面上覆 岩层的周期来压步距分布区间，本项 目周期来压步 距大致为 9 ． 0 m到 1 4 ． 0 m左右 ，这与矿区其他相 邻工作面来压步距大致吻合 ，验证 了所得数据的准 确性 。 参考文献 汤建泉 ，何满 潮 ，马庆 云等 ．开采覆 岩运动 和破坏 规律 的实验研究 [ J ]．中国煤炭 ，1 9 9 6 2 周宏伟 ， 谢 和平 ， 左建 平 ．深部 高地应力下岩石力学 行为研究 口]．力学进展 ，2 0 0 5 1 钱呜高 ，缪协 兴 ，许家林 ．岩层控制 的关键 层理论 [ M]．徐 州 中国矿业大学出版社 ，2 0 0 0 钱鸣 高，石 平五 ．矿 山压 力与 岩层控 制 [ M]．徐 州 中国矿业大学 出版社 ，2 0 0 3 陈炎光 ，钱鸣 高 ．中 国煤矿 采场 围岩控 制 [ M]． 徐州 中国矿业 大学 出版社 ，1 9 9 4 宋振骐 ．实用矿 山压力控制 [ M]．徐州 中国矿业 大学 出版社 ，1 9 8 8 何满潮 ，钱七 虎 ．深部 岩体力学基 础 [ M]．北京 科学出版社 ，2 0 1 0 作者简介 王树忠 1 9 6 5 一 ，男 ，博士研究 生 ，高级 工程师 ，主要从事采矿工程技术及管理工作。 责任编辑张毅玲 上接 第 3 2页 参考文献 E l i 解奕炜 ，李俊杰 ，车灿辉 ．西 山煤 田陷落柱形 成之 主控 因素分析 E J 3．中国煤炭 ，2 0 0 9 1 0 [ 2 ] 陈国亮．岩溶塌 陷的成 因与 防治 [ M] ．北 京 中 国 铁道 出版社 ，1 9 9 7 [ 3 ] 王国强 ，刘洋，吴道祥等．淮南矿区的环境地质问 题 [ J ] ．煤 田地质与勘探 ，2 0 0 2 1 [ 4 ] 桂 和荣 ，陈兆岩 ，任 守义等．淮 南市 东部地 区地 面 沉 降机制研究 E J 2 ．安徽地质 ，1 9 9 5 4 [ 5 ] 许 光泉 ，沈 慧珍．疏 降地下水 引起 地面塌 陷浅析一 以淮南 煤矿区为例 E J ] ．中国地质灾害 与防治学报 ， 2 0 0 4 4 36 [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] W a n g Gu oq i a ng． Cov e r e d Ka r s t Col l a p e i n Ton gl i n g E J 2 ．S c i e n t i a Ge l o g i a S i n i c a ，1 9 9 8 1 朱寿增 ，周建 红 ，陈学军．桂 林市 西城 区岩溶塌 陷 形成条件及 主要 影 响 因素 [ J ] ．桂林 工 学 院 学报 ， 2 00 0 2 袁 道 先． 中 国 岩溶 学 [ M3 ． 北 京 地 质 出 版社 ， ] 9 93 责任编辑张艳华 中国煤炭第 3 7卷第 1 1期 2 0 1 1年 1 1月 ] ] ] ] ] ] ] 口