第34卷第6期

　2009年6月煤　　炭　　學(xué)　　報(bào)JOURNALOFCHINACOALSOCIETYVol.34　No.6　June　2009　　　文章編號(hào):0253-9993(2009)06-0726-05

刀柱采空區(qū)上方遺棄煤層上行開(kāi)采可行性判定

馮國(guó)瑞,張緒言,李建軍,楊雙鎖,康立勛11211

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,山西太原　030024;2.中北大學(xué)理學(xué)院,山西太原　030051)

摘　要:針對(duì)刀柱采空區(qū)上方遺棄煤層開(kāi)采問(wèn)題,分析了現(xiàn)有上行開(kāi)采可行性判定方法的不足.受關(guān)鍵層理論啟迪,基于刀柱采空區(qū)上方巖層可形成的結(jié)構(gòu)和上層煤開(kāi)采對(duì)層間巖層的影響,提

出了關(guān)鍵層疊合破斷距的概念,形成了“5步法”刀柱采空區(qū)上方遺棄煤層上行開(kāi)采可行性判定理論及方法.用本文提出的方法判定白家莊礦8號(hào)煤層刀柱采空區(qū)上方遺棄的6號(hào)煤層可以上行

開(kāi)采,并在生產(chǎn)實(shí)際中實(shí)施,開(kāi)采情況正常.

關(guān)鍵詞:刀柱采空區(qū);遺棄煤層;上行開(kāi)采;可行性

中圖分類號(hào):TD823.5　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

Feasibilityontheupwardminingoftheleft-overcoalabovegoaf

withpillarsupportingmethod

FENGGuo-rui,ZHANGXu-yan,LIJian-jun,YANGShuang-suo,KANGLi-xun

(1.InstituteofMiningTechnology,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan　030024,

Taiyuan　030051,China)China;2.CollegeofScience,NorthUniversityofChina,11211

Abstract:Inallusiontotheleft-overcoalabovegoafwithpillarsupportingmethod,thedeficiencyofthedecisionmethodonfeasibilityontheupwardminingwasanalyzed,thetotalfractureintervalofkeystratawasproposedonthebasisofkeystratatheory,thenewdecisiontheoryand“fivestepmethod”onfeasibilityontheupwardminingwaspresentedconsideringrockstructureandminingeffect.Atlast,itwasdeterminedasfeasiblethattheleft-overNo.6coalabovetheNo.8coalgoafwithpillarsupportingmethodinBaijiazhuangCoalMineofXishanCoalElec-tricityGroupCompany,operationalexperienceinBaijiazhuangCoalMineshowsthatitprovidesafeasiblemethodtodeterminefeasibilityontheupwardmining.

Keywords:thegoafwithpillarsupportingmethod;theleft-overcoal;upwardmining;feasibility

　　由于多種原因,很多刀柱采空區(qū)上方遺棄有可采價(jià)值的煤層[1].在資源日趨短缺的今天,探討如何開(kāi)采利用這些煤層非常必要,也引起了采礦界的一致關(guān)注.限于現(xiàn)有工程技術(shù)水平,刀柱采空區(qū)上方遺棄煤層哪些可以回采,哪些不能回采,即刀柱采空區(qū)上方遺棄煤層上行開(kāi)采可行性問(wèn)題還沒(méi)有專門的理論.等[2]目前關(guān)于上行開(kāi)采可行性的判定方法有比值判別法、“三帶”判別法、圍巖平衡法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法.所有這些方法多是基于經(jīng)驗(yàn)在“三帶”判別法的基礎(chǔ)上重點(diǎn)考慮上下煤層層間距,直接或間接的認(rèn)為只要上下煤層間距超過(guò)一定的限值,上煤層就可在下煤層采空區(qū)上方上行開(kāi)采.但是對(duì)于煤層開(kāi)采后上覆巖層不形成“三帶”的煤巖層,如何準(zhǔn)確判斷這些刀柱采空區(qū)上方遺棄煤層是否可以上行開(kāi)采顯然

收稿日期:2009-02-08　　責(zé)任編輯:�！¤�

　　基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50704024);山西省青年科技研究基金資助項(xiàng)目(2007021024);太原市技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)

目(0803003);太原理工大學(xué)礦業(yè)啟明星計(jì)劃資助項(xiàng)目

　　作者簡(jiǎn)介:馮國(guó)瑞(1976—),男,山西陽(yáng)城人,講師,博士研究生.Tel:0351-8835659,E-mail:fguorui@163.com

第6期馮國(guó)瑞等:刀柱采空區(qū)上方遺棄煤層上行開(kāi)采可行性判定

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是一個(gè)全新的挑戰(zhàn),而且綜觀以上方法,都未從采空區(qū)上方巖層結(jié)構(gòu)的本質(zhì)入手,更沒(méi)有考慮上部煤層開(kāi)采的采動(dòng)影響.本文以全新的思路提出了基于結(jié)構(gòu)理論的刀柱采空區(qū)上方遺棄煤層上行開(kāi)采可行性判定理論及方法.

1　刀柱采空區(qū)上方遺棄煤層上行開(kāi)采可行性判定理論及方法

對(duì)于種種原因造成刀柱采空區(qū)上方滯留有遺棄煤層的煤礦,其刀柱采空區(qū)與遺棄煤層之間(層間巖層)一般由多個(gè)厚度不http:///
一、性質(zhì)各異的巖層組成.遺棄煤層是否適宜上行開(kāi)采主要取決于這些層間巖層是否可以形成一定的力學(xué)結(jié)構(gòu).本文立足于巖層結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性,考慮上層煤開(kāi)采的采動(dòng)影響,在關(guān)鍵層理論的基礎(chǔ)上提出了刀柱采空區(qū)上方遺棄煤層上行開(kāi)采可行性判定理論及方法.

第1步:結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)柱狀圖鉆孔取芯,明確層間巖層的組成,并將這些巖層統(tǒng)一編號(hào).對(duì)于厚度較小的巖層,可作為軟弱夾層處理;對(duì)于厚度較大或特厚巖層,根據(jù)沉積過(guò)程中形成的天然節(jié)理,可人為分層.因?yàn)閷?shí)際觀測(cè)中,有時(shí)離層也在特厚巖層內(nèi)部產(chǎn)生,從而形成2個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的單元.一般情況下,均以自然層面作為分層的界線.

[3-5]

第2步:根據(jù)關(guān)鍵層理論,從堅(jiān)硬巖層及其破斷距入手,用式(1),(2)確定層間巖層中的關(guān)鍵層.

γh<Em+1∑Em+1h

i=1

3

iim

2m+1

∑hγ,

i=1

m

ii

(1)(2)

hj

<hTj+1jjTj+1,j+1

式中,h,γ,E巖層的厚度、容重、彈性模量(i=1,2,…,m,m+1);h,hiii分別為第ijj+1分別為第

j,j+1層堅(jiān)硬巖層的厚度,m;R,R分別為第j,j+1層堅(jiān)硬巖層的抗拉強(qiáng)度,MPa;q,qTTjj+1分別為jj+1第j,j+1層堅(jiān)硬巖層承受的載荷,MPa.

第3步:確定下部煤層采空區(qū)的尺度.比較采空區(qū)沿煤層走向和傾向的水平最大懸空尺度l和z,max

l=min(l,l.q,max,取采空區(qū)懸空跨度lz,maxq,max)

第4步:考慮上層煤開(kāi)采對(duì)層間巖層的影響,計(jì)算各關(guān)鍵層的疊合破斷距l(xiāng)yk,并比較其與采空區(qū)懸空跨度l的關(guān)系,滿足式(3)的判定為可以上行開(kāi)采,否則轉(zhuǎn)入第5步.

lax(hin(l)　　(k=1,2,…,n),yk,max=mkTyk)>mz,maxlq,max

k

(3)

其中,n為第2步判定的層間巖層關(guān)鍵層層數(shù);h層關(guān)鍵層的厚度;R層關(guān)鍵層的抗拉強(qiáng)k為第kT為第kk度;qqq,q層關(guān)鍵層所承受的均布載荷(按傳統(tǒng)礦壓理論計(jì)算);yk=k+yk為不考慮上層煤采動(dòng)影響時(shí)第kqξkH為由于上層煤開(kāi)采影響而引起的作用在第k層關(guān)鍵層上的等效均布載荷;ky=pγp為上層煤開(kāi)采支承壓力峰值區(qū)應(yīng)力集中系數(shù),一般取1～3;H為上層煤埋深;ζ為由于上層煤采動(dòng)影響而引起的第k層關(guān)

[6-

9]

鍵層上的豎向附加應(yīng)力系數(shù)(可由支承壓力在底板巖層中傳播方法求得),即

g

[4]

arctag

π

2x0l

t

2

8x0lt∑h

t=1

2

2

+　　

∑h

t=1

+16x4()0+t∑h

2

2

t=1

g

222

h)t+16x)16x+4(∑0+

4(t∑ht=1

t=1

g

2

2

l+4(t∑h

t=1

8x0∑t=1

πl(wèi)

1

2

2

4()t∑h

2

t=12

g

2

2

t=1

,

2

x)0+4(t∑h

2

t=1

[10]

(l+4()t∑h+16x4(0+t∑h

t=1

式中,x;h層巖層厚度(從上層煤底板開(kāi)始自上而下t=1,0為超前支承壓力極限平衡區(qū)寬度t為第t

2,……);g為第k層關(guān)鍵層按此方法計(jì)算的其所在巖層數(shù).

第5步:第4步無(wú)法判定的巖層,通過(guò)計(jì)算滿足式(4)的判定為可上行開(kāi)采,否則不可以上行開(kāi)采.

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煤　　炭　　學(xué)　　報(bào)

h(Kcosα,k>M-k-1)i∑h

(4)

2009年第34

卷

式中,K層關(guān)鍵層下垮落巖層的平均碎k為第k脹系數(shù);α為煤層傾角;是第k層關(guān)鍵層下i∑h部的所有層間巖層厚度之和.

刀柱采空區(qū)上方遺棄煤層上行開(kāi)采可行性判定方法如圖1所示.

2　上行開(kāi)采可行性判定實(shí)例

山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司西山煤電集團(tuán)

公司白家莊礦20c90s越過(guò)6號(hào)煤層開(kāi)采了下部的8號(hào)煤層,目前資源緊缺,需回收有開(kāi)采價(jià)值的6號(hào)煤層.其處于8號(hào)煤層刀柱采空區(qū)上

圖1　上行開(kāi)采可行性判定

Fig.1　Flowdiagramofdecisiononfeasibilityoftheupwardmining

方的36703工作面屬典型的刀柱采空區(qū)上方遺棄煤層.該工作面地面位置位于冶峪風(fēng)井西南部山區(qū),井下位于南坑1001水平七盤區(qū)右翼,左前部為36502工作面采空區(qū),左后部為未采區(qū),右部為36701工作面未采區(qū),下部為38502刀柱式采空區(qū).36703工作面和下面刀柱采空區(qū)布置平面圖如圖2所示.6號(hào)煤層平均埋深100m,判斷6號(hào)煤層上行開(kāi)采的可行性.

(1)通過(guò)鉆孔取芯,結(jié)合地質(zhì)柱狀圖明確刀柱采空區(qū)上方遺棄煤層與下部已采煤層間的巖層組成,如圖3所示

.

圖2　36703工作面和下面刀柱采空區(qū)布置Fig.2　Planelayowtof36703faceandlowergoa

f

圖3　遺棄煤層與下部已采煤層間的巖層組成Fig.3　Rocksbetweenleft-overcoalandlowermined-outspace

1

3

3

i=1

(2)根據(jù)關(guān)鍵層理論,從下部煤層往上確定層間巖層中的關(guān)鍵層位置.γh.72×2∑Eii=γ2E1h1=2

2

3

2

2

2

i=16

3

ii

27

i=1

3

ii

23

2i=16i=1

5.95×3.8=888.05>Eh.86×3.2×3.8×2.71=512,同理計(jì)算得γh<Eγ,2h1γ1=43∑E3h∑hii

3

3

ii

24

i=17i=1

3i=1

7i=1

4

3

ii

25

i=18i=1

4i=1

8i=1

5

3

ii

26

i=1

5i=1

γγ,γh>Eγ,γh>Eγ,γγ,4∑Eh>E4h∑hii5∑E5h∑hii6∑E6h∑hii7∑Eh>E7h∑hiiγhγ,γhγ.8∑Eii>E8h8∑hii9∑Eii>E9h9∑hii

3

2

3

2

結(jié)合圖2和以上計(jì)算分析可知,8號(hào)與6號(hào)煤層的層間巖層共有2層堅(jiān)硬巖層:其中8號(hào)煤層的直接

頂(3.8m的石灰?guī)r層)是第1層堅(jiān)硬巖層,從8號(hào)煤層往上第3層巖層(7.5m的石灰?guī)r層)是第2層堅(jiān)硬巖層.以下分析l1和l2,限于篇幅本文選擇了計(jì)算較為繁雜的l2.

第6期馮國(guó)瑞等:刀柱采空區(qū)上方遺棄煤層上行開(kāi)采可行性判定

23729(1)其中關(guān)鍵是qq.1×7.5=203.25kN/m,(qγ2,由組合梁理論計(jì)算:1=γ1h1=272)1=E1h1(1h1+

γ/(E.22kN/m>q(qqqqqq2h2)1h1+E2h2)=2761,同理可得:3)1>(2)1,(4)1>(3)1,(5)1>(4)1,(qqqqqqq.04kN/m<(q.36kN/m,所以q6)1>(5)1,(7)1>(6)1,(8)1>(7)1,(9)1=18)1=4832=(q36kN/m.8)1=483.