第34卷第6期

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

刀柱采空區(qū)上方遺棄煤層上行開采可行性判定

馮國瑞,張緒言,李建軍,楊雙鎖,康立勛11211

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

摘　要:針對刀柱采空區(qū)上方遺棄煤層開采問題,分析了現(xiàn)有上行開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)和上層煤開采對層間巖層的影響,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號煤層刀柱采空區(qū)上方遺棄的6號煤層可以上行

開采,并在生產(chǎn)實際中實施,開采情況正常.

關(guān)鍵詞:刀柱采空區(qū);遺棄煤層;上行開采;可行性

中圖分類號:TD823.5　　　文獻標識碼: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)上方遺棄有可采價值的煤層[1].在資源日趨短缺的今天,探討如何開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采可行性問題還沒有專門的理論.等[2]目前關(guān)于上行開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)計法.所有這些方法多是基于經(jīng)驗在“三帶”判別法的基礎(chǔ)上重點考慮上下煤層層間距,直接或間接的認為只要上下煤層間距超過一定的限值,上煤層就可在下煤層采空區(qū)上方上行開采.但是對于煤層開采后上覆巖層不形成“三帶”的煤巖層,如何準確判斷這些刀柱采空區(qū)上方遺棄煤層是否可以上行開采顯然

收稿日期:2009-02-08　　責任編輯:�！¤�

　　基金項目:國家自然科學基金資助項目(50704024);山西省青年科技研究基金資助項目(2007021024);太原市技術(shù)創(chuàng)新計劃資助項

目(0803003);太原理工大學礦業(yè)啟明星計劃資助項目

　　作者簡介:馮國瑞(1976—),男,山西陽城人,講師,博士研究生.Tel:0351-8835659,E-mail:fguorui@163.com

第6期馮國瑞等:刀柱采空區(qū)上方遺棄煤層上行開采可行性判定

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是一個全新的挑戰(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,更沒有考慮上部煤層開采的采動影響.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采可行性判定理論及方法

對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采主要取決于這些層間巖層是否可以形成一定的力學結(jié)構(gòu).本文立足于巖層結(jié)構(gòu)的力學特性,考慮上層煤開采的采動影響,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.對于厚度較小的巖層,可作為軟弱夾層處理;對于厚度較大或特厚巖層,根據(jù)沉積過程中形成的天然節(jié)理,可人為分層.因為實際觀測中,有時離層也在特厚巖層內(nèi)部產(chǎn)生,從而形成2個獨立運動的單元.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層堅硬巖層的厚度,m;R,R分別為第j,j+1層堅硬巖層的抗拉強度,MPa;q,qTTjj+1分別為jj+1第j,j+1層堅硬巖層承受的載荷,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:考慮上層煤開采對層間巖層的影響,計算各關(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)礦壓理論計算);yk=k+yk為不考慮上層煤采動影響時第kqξkH為由于上層煤開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)鍵層按此方法計算的其所在巖層數(shù).

第5步:第4步無法判定的巖層,通過計算滿足式(4)的判定為可上行開采,否則不可以上行開采.

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煤　　炭　　學　　報

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采可行性判定方法如圖1所示.

2　上行開采可行性判定實例

山西焦煤集團有限責任公司西山煤電集團

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

圖1　上行開采可行性判定

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號煤層平均埋深100m,判斷6號煤層上行開采的可行性.

(1)通過鉆孔取芯,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和以上計算分析可知,8號與6號煤層的層間巖層共有2層堅硬巖層:其中8號煤層的直接

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

第6期馮國瑞等:刀柱采空區(qū)上方遺棄煤層上行開采可行性判定

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.