DOI:10.13800/j.cnki.xakjdxxb.1996.04.001

第16卷　第4期　1996年12月

西　安　礦　業(yè)　學(xué)　院　學(xué)　報(bào)

　JOURNALOFXI′　ANMININGINSTITUTEVol.16No.4

Dec.1996

近距煤層上行開(kāi)采底板穩(wěn)定性分析

黃慶享

(西安礦業(yè)學(xué)院資源開(kāi)發(fā)與管理工程系,西安710054;男,30歲,博士生)

摘　要　通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)掘探巷實(shí)測(cè),取樣測(cè)定底板巖層物理力學(xué)參數(shù),并在相似模擬和數(shù)值計(jì)算基礎(chǔ)上,分析了條帶采空區(qū)上近距離煤層上行開(kāi)采工作面底板穩(wěn)定性,探討了底板關(guān)鍵層的失穩(wěn)機(jī)理,提出了確定可行開(kāi)采方法的原則。

關(guān)鍵詞　近距煤層　上行開(kāi)采　底板關(guān)鍵層　穩(wěn)定性中圖分類號(hào)　TD823.81

陜西彬縣百子溝煤礦四號(hào)井西一采區(qū)4號(hào)煤層下部12m處為6號(hào)煤層條帶采空區(qū),上部2m處又有已受小窯采動(dòng)的3號(hào)煤層。為了緩解礦井采掘按替狀況,擬對(duì)4號(hào)煤層進(jìn)行開(kāi)采。為此,百子溝礦與西安礦院達(dá)成協(xié)議進(jìn)行上行開(kāi)采可行性研究,本文結(jié)合研究成果對(duì)上行開(kāi)采底板穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。

對(duì)上行“登空”采煤的機(jī)理和準(zhǔn)則,國(guó)內(nèi)外研究較少,且認(rèn)識(shí)也不統(tǒng)一。一種觀點(diǎn)認(rèn)為上層煤應(yīng)處于下層煤開(kāi)采形成的圍巖彎曲下沉帶,層間距為下層煤厚度的40～50倍以上;也有一種觀點(diǎn)認(rèn)為只要處于不規(guī)則垮落帶上方即可,但垮落帶高度的計(jì)算差異較大。而對(duì)于條帶采空區(qū)上方近距離煤層上行開(kāi)采的可能性及其工作面失穩(wěn)機(jī)理,國(guó)內(nèi)尚未進(jìn)行研究。

1　4號(hào)煤層圍巖概況

西一采區(qū)4號(hào)煤層埋深約140m,采區(qū)走向長(zhǎng)240m,傾斜長(zhǎng)200m,煤層近水平賦存。4號(hào)煤層上部約2m厚的泥巖之上為3號(hào)煤層小窯破壞區(qū),下部約12m為6號(hào)煤層條帶采空區(qū)(采20m留10m煤柱)。煤系地層為中侏羅統(tǒng)延安組。由于上行開(kāi)采底板穩(wěn)定性直接關(guān)系到工作面穩(wěn)定性,故對(duì)4號(hào)煤層底板巖層進(jìn)行實(shí)測(cè),得到柱狀如圖1所示,取樣測(cè)定的巖石物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1　4號(hào)煤層底板層物理力學(xué)參數(shù)表

序號(hào)1

234567

巖　性　炭質(zhì)泥巖中粗粒砂巖粉砂質(zhì)泥巖細(xì)砂巖

中粗粒砂巖粉砂巖4號(hào)煤

彈性模量/MPa2.3×1031.1×1045.0×1035.1×1041.4×1046.8×103

泊松比0.130.150.160.080.080.09　

內(nèi)聚力/MPa3.119.07.86.111.09.3　

內(nèi)摩擦角21.8°21.4°23.8°30.4°21.8°26.6°　

抗拉強(qiáng)度/MPa

1.70.30.30.40.30.4　

抗壓強(qiáng)度/MPa13.32.20.23.18.37.12.

6190940

收稿日期　1996-07-02

292西　安　礦　業(yè)　學(xué)　院　學(xué)　報(bào)1996年2　4號(hào)煤層圍巖現(xiàn)狀實(shí)測(cè)與模擬

在4號(hào)煤層上行開(kāi)采區(qū)內(nèi)掘探巷兩條,深入采區(qū)50

掘進(jìn)頭動(dòng)m。揭露的情況表明,4號(hào)煤層頂?shù)装鍩o(wú)明顯破裂。

態(tài)儀測(cè)站實(shí)測(cè)41d,巷道頂?shù)滓平�速度小�?.1mm/d,說(shuō)

明6號(hào)煤層條帶煤柱尚處于穩(wěn)定狀態(tài),條帶工作面冒落帶

高度未波及4號(hào)煤層。

有限元數(shù)值計(jì)算及相似材料模擬一致表明6號(hào)煤層條

帶采空區(qū)內(nèi)頂板拉破壞區(qū)(或離層垮落)高度為6m左右,

這與現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采提供的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符,說(shuō)明計(jì)算與模擬參數(shù)

選取正確,結(jié)果可靠[1]。

值得注意,條帶采空區(qū)冒落后并末充填滿采空區(qū)(相似

模擬結(jié)果),4號(hào)煤層僅存約5m厚巖層,上行開(kāi)采工作面

底板破斷沉陷有活動(dòng)空間。顯然,開(kāi)采中若底板破斷失穩(wěn)則

工作面失穩(wěn)。此外,在開(kāi)采中若6號(hào)煤層條帶煤柱失穩(wěn)也必

然會(huì)引起4號(hào)煤層底板失穩(wěn)及工作面失穩(wěn)。因此,4號(hào)煤層

上行開(kāi)采的可行性主要取決于開(kāi)采過(guò)程中工作面底板及其

下部條帶煤柱的穩(wěn)定性。圖1　4號(hào)煤層底板巖層柱狀圖3　上行開(kāi)采模擬及底板關(guān)鍵層穩(wěn)定性分析

在對(duì)4號(hào)煤層用走向長(zhǎng)壁、條帶式、巷柱式上行開(kāi)采的相似模擬與數(shù)值計(jì)算過(guò)程中發(fā)現(xiàn),底板巖層中部約2m厚的砂質(zhì)泥巖在圍巖結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)破壞區(qū)時(shí),底板及工作面才失穩(wěn),可以認(rèn)定該巖層為底板關(guān)鍵層。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)6號(hào)層條帶煤柱很少出現(xiàn)失穩(wěn),而煤柱失穩(wěn)對(duì)工作面的影響主要通過(guò)使底板關(guān)鍵層失穩(wěn)來(lái)體現(xiàn)。因此,上行開(kāi)采工作面穩(wěn)定性可通過(guò)分析其底板關(guān)鍵層的穩(wěn)定性進(jìn)行探討。

3.1　走向長(zhǎng)壁開(kāi)采

以80m長(zhǎng)的走向長(zhǎng)壁工作面進(jìn)行

上行開(kāi)采,數(shù)值計(jì)算中工作面?zhèn)葞兔后w

及其下部底板巖層、6號(hào)煤層條帶煤柱

出現(xiàn)貫通破壞區(qū),底板關(guān)鍵層主要為拉

破壞區(qū),底板和工作面將失穩(wěn)。相似模擬

則直觀地顯示出工作面?zhèn)葞兔后w及其底

板破斷并沉陷于下部條帶采空區(qū)內(nèi),沉

陷量達(dá)0.6m以上。工作面中部對(duì)應(yīng)于

條帶采空區(qū)之上的底板巖層也出現(xiàn)破斷

沉陷,工作面失穩(wěn)。

底板關(guān)鍵層的應(yīng)力分布如圖2所

示,圖中S1為水平應(yīng)力,S2為垂直應(yīng)圖2　走向長(zhǎng)壁開(kāi)采底板關(guān)鍵層應(yīng)力分布

第4期黃慶享　近距煤層上行開(kāi)采底板穩(wěn)定性分析293力,拉應(yīng)力為負(fù),壓應(yīng)力為正。關(guān)鍵層中垂直應(yīng)力峰值(|S2|max)為12.3MPa,是6號(hào)煤層條帶開(kāi)采引起波浪式垂直應(yīng)力峰值的2.1倍,是原巖(未受任何采動(dòng)影響時(shí))應(yīng)力的3.8倍,垂直集中應(yīng)力高。水平應(yīng)力則由原巖1.2MPa擠壓應(yīng)力變?yōu)?.3MPa拉應(yīng)力(|S1|max)一應(yīng)力已達(dá)到該巖層巖塊的單向抗拉強(qiáng)度,超過(guò)了巖體的抗拉極限。所以工作面失穩(wěn)是因底板關(guān)鍵層拉破壞所引起的。底板巖層破斷后的進(jìn)一步沉陷則是由高垂直集中應(yīng)力的剪切作用造成的。

3.2　條帶開(kāi)采

上行條帶開(kāi)采參數(shù)仍選用采20m留10m煤柱,并與下部6號(hào)層煤柱對(duì)齊布置。相似模擬中,當(dāng)開(kāi)挖至第4條帶時(shí)工作面底板破斷失穩(wěn),條帶煤柱及其底板巖層沉陷于下部條帶采空區(qū),工作面失穩(wěn)。數(shù)值計(jì)算模擬也得出相似結(jié)論,即開(kāi)挖第4條帶后底板關(guān)鍵層出現(xiàn)拉破壞區(qū),預(yù)示了工作面將失穩(wěn)。

數(shù)值計(jì)算模擬開(kāi)挖第1條帶后,底

max為5.6MPa,S1max為板關(guān)鍵層|S2|

0.03MPa;開(kāi)挖第2條帶后,|S2|max為

6.4MPa,S1max為0.06MPa;開(kāi)挖第3

條帶后,|S2|max為7.1MPa,S1max為0.

08MPa,開(kāi)挖第4條帶后底板關(guān)鍵層應(yīng)

力分布如圖3所示,|S2|max高達(dá)7.3

MPa(為原巖應(yīng)力的2.3倍),S1max增至

0.1MPa。以上數(shù)據(jù)表明,水平拉應(yīng)力增

長(zhǎng)幅度大于垂直峰值應(yīng)力的增長(zhǎng)幅度,

當(dāng)達(dá)到巖體抗拉極限后破斷失穩(wěn)。

條帶開(kāi)采失穩(wěn)時(shí)的|S2|max及S1max

值都遠(yuǎn)小于長(zhǎng)壁開(kāi)采時(shí)的值,說(shuō)明通過(guò)改變開(kāi)采參數(shù)可使底板關(guān)鍵層不失穩(wěn),實(shí)現(xiàn)安全的上行開(kāi)采。

3.3　巷柱開(kāi)采

根據(jù)4號(hào)煤層頂?shù)装迩闆r,決定采用開(kāi)挖5m寬巷留間隔煤柱的方法開(kāi)采,煤柱尺寸按有關(guān)礦壓理論選用10m。相似模擬挖了6條寬巷,工作面沒(méi)有發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象,數(shù)值計(jì)算模擬中底板關(guān)鍵層沒(méi)有出現(xiàn)破壞區(qū),關(guān)鍵層中的應(yīng)力分布如圖4所示。|S2|max約為原巖應(yīng)力的1.6倍,基本上沒(méi)有改變6號(hào)層開(kāi)采時(shí)引起的波浪式應(yīng)力分布。水平應(yīng)力S1仍為擠壓應(yīng)力,S1max為-0.52MPa,這是巷柱式開(kāi)采時(shí)底板和工作面不失穩(wěn)的原因。

表2　上行開(kāi)采底板關(guān)鍵層應(yīng)力極值對(duì)比

應(yīng)力

|S2|max/MPa

S1max/MPa原巖3.2-1.36號(hào)煤層條帶開(kāi)采4.9-0.54長(zhǎng)　　壁10.30.34號(hào)煤層上行開(kāi)采條　　帶5.6～7.30.03～0.1巷　　柱4.8-0.52圖3　條帶開(kāi)采底板關(guān)鍵層應(yīng)力分布

不同的上行開(kāi)采方法在底板關(guān)鍵層中形成的最大垂直壓應(yīng)力|S2|max及最大水平拉應(yīng)力()2

294西　安　礦　業(yè)　學(xué)　院　學(xué)　報(bào)1996年其極值與下部6號(hào)層條帶開(kāi)采引起的極值基本相同,水平擠壓應(yīng)力雖略有減少,但仍為擠壓應(yīng)力。因此,只要調(diào)整上行開(kāi)采參數(shù)使底板

關(guān)鍵層不出現(xiàn)拉應(yīng)力便可保障上行開(kāi)采

安全。

結(jié)　論

1)近距離煤層上行開(kāi)采的可能性

主要取決于是否存在穩(wěn)定的度板巖層,

開(kāi)采的可行性取決于開(kāi)采過(guò)程中底板巖

層的穩(wěn)定性。

2)條帶采空區(qū)上近距離煤層上行

開(kāi)采工作面底板穩(wěn)定性取決于底板關(guān)鍵圖4　巷柱式開(kāi)采底板關(guān)鍵層應(yīng)力分布

層的穩(wěn)定性。底板關(guān)鍵層是指底板穩(wěn)定巖層中分層厚、強(qiáng)度大的巖層。它的位置一般可根據(jù)地質(zhì)賦存條件進(jìn)行初步判斷,然后根據(jù)相似模擬和數(shù)值模擬進(jìn)行分析確定。條件許可的情況下,可采取必要的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)提高判斷的可靠性。

3)上行開(kāi)采中底板關(guān)鍵層的失穩(wěn)主要為拉伸破壞。下層煤條帶開(kāi)采和上層煤上行開(kāi)采都會(huì)使底板關(guān)鍵層中壓應(yīng)力降低,甚至出現(xiàn)拉應(yīng)力,造成底板失穩(wěn)�？尚械纳闲虚_(kāi)采方法應(yīng)以不使底板關(guān)鍵層出現(xiàn)拉應(yīng)力為準(zhǔn)。

4)百子溝礦4號(hào)井西一采區(qū)條件下,用80m走向長(zhǎng)壁式和采20m留10m煤柱的條帶式上行開(kāi)采,工作面都因底板關(guān)鍵層出現(xiàn)拉伸破壞而失穩(wěn)。采5m寬巷留10m煤柱方式?jīng)]有在底板關(guān)鍵層中形成拉應(yīng)力,因而確定為可行的上行開(kāi)采方法。

參　考　文　獻(xiàn)

1　黃慶享,蘇普正,何萬(wàn)盈,等.特殊條件下近距離煤層上行開(kāi)采研究.陜西煤炭技術(shù),1996,(2):12～16

ANALYSISOFFLOORSTABILITYOFASCENDING

MININGINTHECONTIGUOUSSEAMS

HuangQingxiang

(Dept.ofResourcesExploitationandManagementEngineering,Xi'anMiningInstitute,Xi'an710054)

Abstract　Throughthefieldmeasurementofdrivingtestroadsandsamplingtodeterminethephysical-mechanicalparametersofthefloorstrataandbasedonthesimulationmodeltestandnumericalcalculation,thefloorstratastabilityofthecontiguousseamsinascendingmin-ingfaceabovethepartialmined-outareaisanalyzed,thedestabilizingmechanismofthekeyfloorstrataisinvestigated,andtheprincipletodeterminethereasonableascendingminingmethodisputforward.