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　院　學　報

　JOURNALOFXI′　ANMININGINSTITUTEVol.16No.4

Dec.1996

近距煤層上行開采底板穩(wěn)定性分析

黃慶享

(西安礦業(yè)學院資源開發(fā)與管理工程系,西安710054;男,30歲,博士生)

摘　要　通過現(xiàn)場掘探巷實測,取樣測定底板巖層物理力學參數(shù),并在相似模擬和數(shù)值計算基礎(chǔ)上,分析了條帶采空區(qū)上近距離煤層上行開采工作面底板穩(wěn)定性,探討了底板關(guān)鍵層的失穩(wěn)機理,提出了確定可行開采方法的原則。

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

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

對上行“登空”采煤的機理和準則,國內(nèi)外研究較少,且認識也不統(tǒng)一。一種觀點認為上層煤應處于下層煤開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;也有一種觀點認為只要處于不規(guī)則垮落帶上方即可,但垮落帶高度的計算差異較大。而對于條帶采空區(qū)上方近距離煤層上行開采的可能性及其工作面失穩(wěn)機理,國內(nèi)尚未進行研究。

1　4號煤層圍巖概況

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

表1　4號煤層底板層物理力學參數(shù)表

序號1

234567

巖　性　炭質(zhì)泥巖中粗粒砂巖粉砂質(zhì)泥巖細砂巖

中粗粒砂巖粉砂巖4號煤

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°　

抗拉強度/MPa

1.70.30.30.40.30.4　

抗壓強度/MPa13.32.20.23.18.37.12.

6190940

收稿日期　1996-07-02

292西　安　礦　業(yè)　學　院　學　報1996年2　4號煤層圍巖現(xiàn)狀實測與模擬

在4號煤層上行開采區(qū)內(nèi)掘探巷兩條,深入采區(qū)50

掘進頭動m。揭露的情況表明,4號煤層頂?shù)装鍩o明顯破裂。

態(tài)儀測站實測41d,巷道頂?shù)滓平�速度小�?.1mm/d,說

明6號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號煤層。

有限元數(shù)值計算及相似材料模擬一致表明6號煤層條

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)場開采提供的經(jīng)驗數(shù)據(jù)相符,說明計算與模擬參數(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號煤層僅存約5m厚巖層,上行開采工作面

底板破斷沉陷有活動空間。顯然,開采中若底板破斷失穩(wěn)則

工作面失穩(wěn)。此外,在開采中若6號煤層條帶煤柱失穩(wěn)也必

然會引起4號煤層底板失穩(wěn)及工作面失穩(wěn)。因此,4號煤層

上行開采的可行性主要取決于開采過程中工作面底板及其

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

在對4號煤層用走向長壁、條帶式、巷柱式上行開采的相似模擬與數(shù)值計算過程中發(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,底板及工作面才失穩(wěn),可以認定該巖層為底板關(guān)鍵層。實驗中還發(fā)現(xiàn)6號層條帶煤柱很少出現(xiàn)失穩(wěn),而煤柱失穩(wěn)對工作面的影響主要通過使底板關(guān)鍵層失穩(wěn)來體現(xiàn)。因此,上行開采工作面穩(wěn)定性可通過分析其底板關(guān)鍵層的穩(wěn)定性進行探討。

3.1　走向長壁開采

以80m長的走向長壁工作面進行

上行開采,數(shù)值計算中工作面?zhèn)葞兔后w

及其下部底板巖層、6號煤層條帶煤柱

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0.6m以上。工作面中部對應于

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)鍵層的應力分布如圖2所

示,圖中S1為水平應力,S2為垂直應圖2　走向長壁開采底板關(guān)鍵層應力分布

第4期黃慶享　近距煤層上行開采底板穩(wěn)定性分析293力,拉應力為負,壓應力為正。關(guān)鍵層中垂直應力峰值(|S2|max)為12.3MPa,是6號煤層條帶開采引起波浪式垂直應力峰值的2.1倍,是原巖(未受任何采動影響時)應力的3.8倍,垂直集中應力高。水平應力則由原巖1.2MPa擠壓應力變?yōu)?.3MPa拉應力(|S1|max)一應力已達到該巖層巖塊的單向抗拉強度,超過了巖體的抗拉極限。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一步沉陷則是由高垂直集中應力的剪切作用造成的。

3.2　條帶開采

上行條帶開采參數(shù)仍選用采20m留10m煤柱,并與下部6號層煤柱對齊布置。相似模擬中,當開挖至第4條帶時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)值計算模擬也得出相似結(jié)論,即開挖第4條帶后底板關(guān)鍵層出現(xiàn)拉破壞區(qū),預示了工作面將失穩(wěn)。

數(shù)值計算模擬開挖第1條帶后,底

max為5.6MPa,S1max為板關(guān)鍵層|S2|

0.03MPa;開挖第2條帶后,|S2|max為

6.4MPa,S1max為0.06MPa;開挖第3

條帶后,|S2|max為7.1MPa,S1max為0.

08MPa,開挖第4條帶后底板關(guān)鍵層應

力分布如圖3所示,|S2|max高達7.3

MPa(為原巖應力的2.3倍),S1max增至

0.1MPa。以上數(shù)據(jù)表明,水平拉應力增

長幅度大于垂直峰值應力的增長幅度,

當達到巖體抗拉極限后破斷失穩(wěn)。

條帶開采失穩(wěn)時的|S2|max及S1max

值都遠小于長壁開采時的值,說明通過改變開采參數(shù)可使底板關(guān)鍵層不失穩(wěn),實現(xiàn)安全的上行開采。

3.3　巷柱開采

根據(jù)4號煤層頂?shù)装迩闆r,決定采用開挖5m寬巷留間隔煤柱的方法開采,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,工作面沒有發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象,數(shù)值計算模擬中底板關(guān)鍵層沒有出現(xiàn)破壞區(qū),關(guān)鍵層中的應力分布如圖4所示。|S2|max約為原巖應力的1.6倍,基本上沒有改變6號層開采時引起的波浪式應力分布。水平應力S1仍為擠壓應力,S1max為-0.52MPa,這是巷柱式開采時底板和工作面不失穩(wěn)的原因。

表2　上行開采底板關(guān)鍵層應力極值對比

應力

|S2|max/MPa

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

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

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

關(guān)鍵層不出現(xiàn)拉應力便可保障上行開采

安全。

結(jié)　論

1)近距離煤層上行開采的可能性

主要取決于是否存在穩(wěn)定的度板巖層,

開采的可行性取決于開采過程中底板巖

層的穩(wěn)定性。

2)條帶采空區(qū)上近距離煤層上行

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

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、強度大的巖層。它的位置一般可根據(jù)地質(zhì)賦存條件進行初步判斷,然后根據(jù)相似模擬和數(shù)值模擬進行分析確定。條件許可的情況下,可采取必要的現(xiàn)場實測提高判斷的可靠性。

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

4)百子溝礦4號井西一采區(qū)條件下,用80m走向長壁式和采20m留10m煤柱的條帶式上行開采,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)鍵層中形成拉應力,因而確定為可行的上行開采方法。

參　考　文　獻

1　黃慶享,蘇普正,何萬盈,等.特殊條件下近距離煤層上行開采研究.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.