（采矿工程专业论文）白家庄矿残采区上行开采技术研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 自家庄矿残采区上行开采技术研究 摘要 上行开采法憝指在一个煤层群内，含有两层以上并有一定间距及开 采价值的煤层，在开采手段上是先采下部煤层，然后再开采上部煤层。出 于这种采煤方法在实际当中很少应用，黼前还缺乏这方面的系统理论研 究。但是像自家庄矿资源枯竭的矿井，为了提高矿井的产量和延长矿井服 务年限，在特殊情况下对6 。煤采用上行开采有一定的现实意义和应用价 值，很有必要进行研究。 自家庄矿建于1 9 3 0 年，是西山地区历史悠久和最早为新中国做出贡 献的煤矿。该矿的煤炭资源已濒临枯竭，虽然近几年来一直在挖掘潜力 坚持生产，但年产原煤由生产高峰期时的2 0 0 万吨下降到几十万吨。资源 枯竭、开采难度加大、生产成本提高，该矿的生产经营状况不断恶化， 并于2 0 0 4 年破产重组。这样，原来丢弃的平均厚度为1 7 m 的6 4 煤于2 0 0 5 年实行回采，以保证矿井产量及效益的提高。 本文针对自家庄矿6 。煤层开采的实际，在井下探测、围岩物理力学参 数分耄斤、理论分撰、数值计算、对6 5 煤层矿压观测积矿压分析并预溅可能 出现的矿压显现的基础上。研究了在8 4 煤层采空区上方对6 “煤层实行综采 的可行性，阐述了煤层群上行开采技术的判别方法、采渤影响的时间空 间关系及应用条件。利用沉陷理论论i ，正_ t 6 4 煤层底板可能出现的沉陷现 象，为解决类似问题的上行开采提供了参考依据和开辟了新途径。自家 庄矿6 。煤层自回采以来，提高了矿井煤炭产量与涸采率，取得了十分要著 的经济效益与社会效益。 太原理工大学硕士研究生学位论文 因此，本次上行开采的尝试，不仅可丰富了土行开采的理论和实践， 闷时对于资源枯竭的自家庄矿拓宽主业渠道、提高煤炭资源回收率有重 要的实际价值和现实意义。 关键词：煤层群，上行开采，采动影响，可行性分析 太原理工大学硕士研究生学位论文 s t u d yo na s c 霸n d i n g 蠢礓i n i n g i n 善珏ew 走s 誓嚣o fb m j i a z h u a n g 蓬l 粼e a b s t r a c t t h em e t h o do fa s c e n d i n gi si nt h ec o a ls e a m ，w h i c hc o n t a i nt w ol a y e r s a b o v ea n dc e r t a i ns p a c ea n dh a v es o m e m i n ew o r t h ，f i r s tm i n et h el o w e rc o a l s e a ma n dt h e nm i n et h et o p f o rt h i sm i n em e t h o di sf e wa p p l i e di nf a c t ，a n d l a c k t h e o r ys t u d yi n t h i sm e t h o da t p r e s e n t b u t l i k et h ed r i e du p b a i j i a z h u a n gm i n e ，i ti sr e a l i s t i cm e a n i n ga n da p p l i c a t i o nv a l u et or a i s e m i n e st u r n o u ta n dp r o l o n gs e r v i n gy e a rf o r6 8c o a li ne s p e c i a li n s t a n c e ，a n di t i sn e c e s s i t yt os t u d y b a i j i a z h u a n gc o m ei n t oe x i s t e n c ei n1 9 3 0 ，i t sh i s t o r yi sl o n ga n dd o c o n t r i b u t i o nf o rn e wc h i n ai nx i s h a na r e a i t sc o a lr e s o u r c e sh a sa l r e a d yg e t c l o s et od r i e du p ，a l t h o u g ha l w a y ss c o o po u tp o t e n t i a lt op r o d u c ei nt h el a s t f e w y e a r s ，b u tt h er a wc o a lo f y e a rp r o d u c ef r o m2 , 0 0 0 ，0 0 0t o n sf o rh i g hp e a k t os e v e r a l i 0 0 ，0 0 0t o n s 。t h er e s o u r c e si sd r i e du p ，m i n e sd i f f i c u l t y e n l a r g e m e n t ，p r o d u c t i o n c o s t e x a l t a t i o n ，i t sm a n a g e m e n tc o n d i t i o n c o n t i n u o u s l yw o r s e n , a n db a n k r u p tr e o r g a n i z a t i o ni n2 0 0 4 f i r s ta l r e a d y a b o n d o n et h e6 。c o a ls e a mo f1 7m e t e r sh a v eb e e nd e c i d e dt om i n ei n2 0 0 5 。 g u a r a n t e et h ei n c r e a s eo fc o a lm i n et u r n o u t t h e p a p e ra i ma tt h ef a c to fm i n i n g6 ”c o a ls e a mi nb a i j i a z h u a n g a tt h e b a s e o fu n d e r g r o u n de x p l o r a t i o n ，s u r r o u n d i n gs t r a t ep b ，s i c sm e c h a n i c s p a r a m e t e ra n a l y s i s ，t h et h e o r i e sa n a l y s i s ，n u m b e rs i m u l a t i o n ，c a r r ys t r a t a c o n t r o lo b s e r v a t i o na n ds t r a t ac o n t r o la n a l y s i si n6 8c o a ls e a ma n df o r e c a s tt h e g r o u n db e h a v i o u r s t u d i e dt h ef e a s i b i l i t yo fm i n e6 8c o a ls e a mo nt h e8 8c o a l i i i 蔓塑塑墼堕篁塑堕兰塑差竺垡笙塞 s e a m ，唧。u n dt h a tt h em a i nt e c h n o l o g yf a c t so f i n f l u e n c ea s c e n d i n gm i n i n g l nc o a ! s e a r n sa r et h ed i s t a n c e sb e t w e e n c o a ls e a m sa n dt h er e l a t i o n sb e t w e e n t 髓ea n d8 p a c eo f m i n i n gm o v i n g ，a n dt h ea p p l i c a t i o nc o n d i t i o n so fa s c e n d i n g m l n l n gh 1c o a ls e a m sa r ei n t r o d u c e d d e m o n s t r a t e ds o m ep r o b l e m6 群c o a l s e a m si o o tw a l l b yf o u n d e r i n g t h e o r y , p r o v i d et h e 瓣f e r e n c eg i s ta n d d e v e l o p e dt h en e wp a t hf o rt h es i m i l a r i t ya s c e n d i n g m i n i n gp r o b l e m s i n c e 翔1 黼1 9 ，b a i j i a z h u a n gi n c r e a s em u c hc o a lt u r n o u ta n de x t r a e t i o nr a t 斌o b t a i n e c o n o m i cb e n e f i ta n ds o c i a lb e n e f i t b e y o n dc o m p a r e s o , t h i sa s c e n d i n gm i n i n ga t t e m p t ，n o to n l ye n r i c h e d t h et h e o r ya n d p 。a c t l 。eo fa 8 c e n d i n gm i n i n g ，b u ta l s oh a v ei m p o r t a n tp r a c t i c e v a i u ea n d r e a f l s t l em e a n i n g st oe x p a n dm a i nw o r ka n d i n c r e a s et h ee x t r a c t i o nr a t i of o r l i t t l ec o a ls t o r a g eb a i j i a z h u a n g 髓yw o r d s ：c o a l s e a m s ，a s c e n d i n gm i n i 丑g ，m i n i n gi n f l u c n c e f e a s i b i l i t ya n a l y s i s i v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：座叠生日期：塑 ：! ! 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 复制赠送和交换学位论文- 9 学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：壁堕叁日期： 垃! 上。，。 日期：! ! 鱼。! tc 皇 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 问题的提出 第一章概述 开采煤层群时，多年来无论是单一布置还是联合布置，各煤层之间大都按自上而 下的顺序开采，上行开采在实际中很少应用。开采理论一般遵循下行式开采顺序，故 从开采理论上很少运用上行开采，因此目前国内外尚缺乏针对蹬空条件下的开采进行 系统的理论研究。本文就是运用“三带”判别理论、比值判别法、围岩平衡判别法和 概率统计方法对自家庄矿井近或缓倾斜煤层丌采条件下的6 = 煤层采用上行开采方法 进行研究。 自家庄矿是上世纪三十年代建成的，通过挖潜改造，年设计生产能力曾达l3 0 万吨左右。矿区煤层开采以薄煤层和中厚煤层为主，开采条件复杂，回采装备差，运 输问题多，安全管理难度大，生产成本高；特别是随着近几年大量的开采煤炭资源， 再加上附近小煤窑的私挖乱采，造成自家庄矿资源逐步萎缩。自家庄矿由松树坑、二 号井、小南坑三个坑口组成，松树坑已于1 9 9 8 年开采完报废，全矿减少了4 5 万吨的 设计能力；二号井已开采gj + 6 0 0 米标高，突破了安全开采突水系数范围，突水隐患 也越来越大，而且二号井“三下”压煤占全部可采储量的8 0 ，地质构造多、水文 地质复杂，所以二号井的能力也只能维持在2 0 万吨年左右。由于该矿的生产经营状 况不断恶化，于2 0 0 4 年破产重组。 白家庄煤矿6 4 煤层厚1 3 0 2 1 0 m ，煤层结构复杂，内含一层夹矸层。在二十世 纪九十年代开采该煤层由于其含矸量较高，煤价低，开采成本高，经济上不划算。但 是，白家庄矿作为破产重组的一个老矿，要稳定煤炭产量、提高生产效率和经济效益， 必须从自身的客观实际出发，依靠科技进步提高生产力水平。鉴于目前自家庄矿资源 枯竭的情况，为了拓宽主业渠道，延长矿井服务年限，提高资源回收率，必须对白家 庄矿七盘区中组煤弃采的6 4 煤层实行回采。 总而言之，研究采空区上方进行上行开采的理论可用于指导解决自家庄矿6 4 煤层 回采相关技术问题，具有重要的工程实际意义，同时还可以丰富和发展在煤矿中进行 太原理工大学硕士研究生学位论文 上行开采经验，具有重要的理论价值。 1 2 国内外上行开采研究现状 到目前为止，国内外矿床地下开采的矿山均采用自上而下即下行阶段开采顺序。 这种阶段开采顺序有很多优点：矿山建设初期开拓工程量小，初期基建投资少，投产 早等。但是目前有关专家同样提出研究和应用上行阶段开采顺序，上行阶段开采顺序 已成为矿床地下开采顺序的新方向。 上行开采时，由于其下层煤已经回采完毕，下层煤的上覆岩层必然产生变化，这 时可能会对上煤层顶底板造成一定的影响，甚至煤层的结构也可能产生一定的变化。 这均依赖于下层煤层顶板垮落的特性以及两层煤层的间距及其间的岩性。 当两层煤层层间距达到一定厚度，同时其间岩性的强度满足一定的条件时，下层 煤层开采后可能对上层煤层的开采影响不大。但蹬空开采时可能产生其它不利的矿压 显现，如：工作面底板出现台阶下沉；工作面进出采空区时矿山压力的变化较大：工 作面的矿山压力显现异于常规下行式工作面等。 所以，上行阶段开采顺序已引起了世界矿业专家的普遍关注，可借鉴的上行开采 经验如： ( 1 ) 前苏联杜鲍斯夫卡亚矿在层间距4 2 米，上煤层为长壁综采的情况下，工作 面及顺槽状况良好，共出煤1 5 0 万吨。 ( 2 ) 前苏联加伊铜矿业进行了上行阶段开采顺序的工业试验。 ( 3 ) 乌克兰金属矿山科学院也正在积极研究上行开采顺序。 ( 4 ) 我国华铜铜矿应用上行阶段开采顺序，已初见成效；山东孙村煤矿在蒋金 泉教授带领下实行上行开采技术并取得实际上的成功。 ( 5 ) 鸡西立新矿，受条件所限，以往只采中部4 个中厚煤层，厚l o m 。它们的开 采虽使地面发生塌陷，而位于其上部3 0 m 左右的5 4 中煤层，仅表现为下沉，其顶板岩 层基本完整。7 0 年代末，他们不但回收了5 4 中煤层，又对5 8 层上部3 0 m 处的6 4 层成功进 行了开采。 ( 6 ) 开滦唐家庄矿1 9 5 9 年曾因水大，放弃1 1 。煤层内已形成的2 6 1 0 ：2 ：作面，而 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 先采其下部的1 2 4 煤层2 6 1 2 i 作面( 1 14 煤厚2 0 m ，1 2 。煤厚1 5 m ，层间f f e 2 0 m ) 。1 9 7 2 年该矿挖潜时，又恢复1 l4 煤层2 6 1 0 i 作面( 长壁回采面长1 l o m ) 。回采过程中发现 底板上有一指宽的裂缝，但无错动。煤层中也有小的裂隙，但不影响开采。n 3 ( 7 ) 开滦吕家坨矿一水平一采区9 。煤层采空区上部7 。、8 煤层合并区( 7 、8 。煤 层合并区厚2 2 m ，9 。煤层厚1 0 m ，层间距l o m ) 的开采：大同永定庄矿对解放前日伪 时期掠夺式开采后丢弃的中间层9 2 煤的长壁式回采( 日伪时期只采了上部8 。煤层及下 部1 1 = 煤层，9 3 煤层厚1 3 - - 1 6 m ，1l ：煤层厚1 9 ：j 3 j 盯h 层问距2 6 m ) 。 ( 8 ) 鸡西城子河煤矿建于1 9 3 8 年，当时采用片盘斜井开拓方式，轨道上山一般 却置在底部层或中部层组中，由于开采技术条件等因豢的限制，先采了中部层组的2 j ： 煤，后采上部层组的2 9 。煤、3 6 4 煤或4 2 。煤层，形成了上行开采顺序，至今仍采用上行 开采。 从上述例子可以看出，有的是处于已采区裂隙带顶部，如鸡西立新矿；有的是 处于裂隙带的中部，如唐家庄矿；而吕家坨矿开采的7 、8 4 合并区及永定庄开采的9 。 煤层则处于下部煤层开采的裂隙带中、下部。上述矿井上行开采后所形成的裂隙带及 其以上的煤层是可以进行回采的。 7 0 年代，煤层( 群) 上行开采引起了我国采矿界广泛的关注和研究，并有计划 地进行了试采。8 0 年代，上行开采技术已用于煤矿设计、矿井技术改造及矿井的复采 工作当中，特别是地方煤矿复采老矿井采空区上方丢弃的煤炭资源，获得了丰富的实 践经验。我国部分煤矿上行开采实例如表卜l 、1 - 2 。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 表1 1 下部开采一个煤层的上行开采实例( 表中k 为采动影响倍数) t a b i e1 1a s c e n d i n ge x a m p l eo fm i n eo n l yc o a ls e a m 上煤层号，采高( m ) 煤层煤层上、下煤层 矿井名称 倾角间距 k ：旦 层间采煤 上煤层 下煤层号，采高( 小) m 岩性方法 开采问骗 ( 。)( m ) 时间( 月) 开采情况 砂岩6 2 ， 长壁 9 6 采掘正常 城子河煤 2 7 号12 1 22 21 8 3 其余为页 矿 2 5 号i2 全陷 砂岩4 5 ， 采煤9 7 5 0 f ， j ；口泉二矿 尘堕墨堡 3 - 6 5 92 35 其余为砂 长壁 西凹尺井8 号19 2 i质页岩、页全陷 3 0采掘全过程 无影响 大同永定 中、细砂岩 庄矿10 1 盘 ! 兰：! ：! 二! ：! 5 6 3 52 41 夹薄层页 长壁1 0 8 2 4 0 开采正常 l i 号i4 1 5 岩、砂质页 全陷 中央区正常 蛟河矿六 ! 兰：! ：! ：型 8 1 6 5 0 6 0 2 6 2 砂岩、页岩长壁 3 6 边缘区有裂 井 6 号2 1 互层 全陷 缝 压力大、底 蛟河矿六 5 号，i8 1 1 一1 23 01 8 8 砂岩、页岩长壁 l 臌、伪顶易脱 井6 号16互层全陷 落 鸡西立新 6 号，0 9 长壁 矿三井5 号12 1 83 02 5 坚硬砂岩 1 5 6 采掘正常 全陷 1 2 号，l5 2 0 砂岩、砂质 长壁 6 0 7 2 本溪煤矿 1 5 】01 1 93 3l 页岩、页采掘正常 7 8 号36全陷 岩、煤互层 坚硬中、粗房柱采、掘正常， 永定庄矿 ! 兰：! ：1 3 2 69 7 砂岩，砂质式采 1 8 0 煤层松软，漏 1 i n ，l9 3 5 页岩煤法水，局部冒顶 杜儿坪矿 砂岩、灰 长壁 东二下山 7 号09 2 - 5 2 0 5 5 1岩、页岩互 1 2 采掘正常 8 号40刀柱 盘区 官地矿西2 号2 3 3 84 72 5 4 灰页、砂长壁 3 6 采掘正常 一采区6 号，18 5岩、页岩刀柱 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 表1 2 下部开采多个煤层的上行开采实例3 t a b l ea s c e n d i n ge x a m p l eo fm i t i em o r ec o a ls e a m 层间距h 下层采高m 州( m ) 上、下煤 矿，i ：名称 上煤层号，采高( m ) 煤崖 倾角 h ih2h3h h ， k ! 层问采煤 下煤层号，采高( n z ) _ 。一 _ _ 。一岩性 方法 开采间隔 ( 。) m 2 ，m4m ，m6 时间( 月) 3 30 8 98l5 9l6 9 砂岩5 1 ， 平顶山鹿 堕盐! 二坚 1 2l02 02035l l8 砂页岩睦壁 1 2 0 邑燃矿 丁，丁t 戊3 戊o 4 0 j e牟陷 余为页岩 j 卜顶山山丁i83 - 1 0 7 379 352 4 52 6 5 砂岩5 2 _ _ _ 砂页岩长壁 2 037l53 51 1 0 21 6 8 褚庄煤矿戊3 、戊9 、己1 64 2 j c 余 全陷 为页岩 砂岩5 1 ， 阳泉二矿 i ! ：! ：! ：! 1 4 6 5 8 3 其余为砂 长壁9 6 2 3 西四尺外9 号1 2 号6 l5 4 页岩、页 全陷 砂岩6 4 ， 城子河煤 2 9 号，18 86 27 69 砂页岩长壁 矿 2 5 号，2 4 号，8 号 1 7 2 01 994 8 i9 l5 2 9 其余全陷 为页岩 城子河煤 2 5 号 2 2 1 658 24 长壁 l1 0l5 5 u7 砂岩为主 4 0 矿 2 4 号，8 号全陷 蛟河矿六 2 号 81 2长壁 井3 号4 号 1 4 - 1 8 1 一 37 砂岩为主 1 8 0 15 10 全陷 鸡西立新 6 号 1 8 3 06 0 白色硬砂长壁 矿三井4 号5 号 1 4 3 l22全陷 鸡西红旗5 号1 23 05 9 6 l6 3 白色坚硬长壁 小井4 号，3 中，3 上，3 下 1 8 2 6l6 56 3 2 4 l8l8砂岩全陷 唐家庄煤 l l 号14 0 1 721 82 1 2 号项层 1 8 - 2 4细砂岩、长壁 4 8 矿 l7 83534 页岩质软 全陷 1 2 号底层 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 本文解决的问题和研究方法 本文要解决的问题是在白家庄矿8 4 煤层采空区上方对6 4 煤实行蹬空开采。自家庄 煤矿煤田属近水平煤层，主要由2 。煤、3 。煤、5 。煤、6 。煤、7 煤、8 = 煤、9 4 煤组成，其 中7 。煤为不可采煤层，6 。煤层为弃采煤层。白家庄矿为拓宽主为渠道，提高资源回收 率和延长矿井寿命于2 0 0 4 年底，决定对原弃采的平均厚度为1 7 m 的6 。煤层进行回采。 由于其下部8 2 煤层采用刀柱法开采和长壁法开采，而且8 = 煤已于1 9 9 4 年开采完毕，这 就造处于七盘区6 4 煤层的3 6 7 0 3 i 作面区域处于“蹬空”状态。6 。煤层埋藏深度1 6 0m ， 直接顶为炭质页岩，64 煤层与8 4 煤层的平均层间距为2 7 5 m 。6 。煤层与8 。煤层之间有一 层不可采煤层或煤线，其平均厚度为8 0 c m 左右。层间岩层大多以钙质岩页、细砂岩和 坚硬的石灰岩为主，8 。煤层直接顶为坚硬的石灰岩。 本文的主要任务是通过现场勘探钻孔取芯、实验室实验、岩石物理力学参数分析、 数值计算和现场观测相结合的方法研究8 4 煤采空区上方6 4 煤层3 6 7 0 3 i 作面综采的可 行性。 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 8 4 煤层开采状况分析研究； ( 2 ) 6 4 煤层3 6 7 0 3 i 作面围岩的力学性能测试研究； ( 3 ) 6 。煤层3 6 7 0 3 i 作面上行开采可行性研究； ( 4 ) 6 4 煤层3 6 7 0 3 工作面底板沉陷分析； ( 5 ) 6 4 煤层3 6 7 0 3 工作面蹬空开采采场矿压显现规律及控制技术研究； ( 6 ) 6 4 煤层3 6 7 0 3 i 作面回采巷道矿压显现规律及控制技术研究。 ( 7 ) 6 4 煤层开采矿压显现规律实测研究。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章井下勘探与围岩力学参数分析 白家庄矿位于太原市西郊，地处吕梁山脉中段，距太原市中心约1 7 公里，处在杜 儿坪矿和官地矿之间。北部以虎峪南断层为界与杜儿坪矿相邻，东部与小井峪勘探区 划定技术为界，南部与西峪煤矿和金胜矿为界，西部与官地矿和晋源地方矿为界。井 田走向长4 5 公里，倾斜宽约3 2 公里，面积1 4 2 8 平方公里。西山煤田处于“祁吕 贺兰”山字型构造东翼带内，自家庄矿位于西山煤田东部。西山煤田的北、东、西三 面向中心倾伏向南开口，形态为北大南小的石灰二迭系含煤盒地。地表出露地层由老 到新有：奥陶系中统马家沟组及峰峰组，石炭系中统本溪组，上统太原组，二迭系下 统山西组，下石盒子组，上统上石盒子组及石千峰组，三迭系下统刘家沟组，第四系 红、黄土及近代冲积层。第四系地层不整合于基岩上，石炭系中统本溪组与下伏地层 整合。其余地层均为整合接触。h 1 自家庄矿主要含煤地层为石炭二迭系太原组和山西组，共含煤层及煤线1 3 层， 自上而下有0 2 4 ，0 34 ，l 。，2 4 ，3 4 ，5 4 ，6 4 ，7 4 ，8 ”，8 4 ，9 4 ，1 0 4 ，1 1 。煤，其中 2 4 ，6 4 ，8 4 ，9 4 为全区稳定可采煤层，34 煤层为不稳定局部可采煤层，7 4 为较稳定煤 层局部可采，8 “煤仅局部可采，有时同8 4 煤合并，其余均为不可采煤层，含煤地层 总厚1 6 5 6 1 米，煤层总厚度平均为1 4 6 9 米，含煤系数达8 9 ，可采煤层总厚度为 1 1 7 1 米，含煤系数7 1 。 2 1 并下勘探 为了得知8 “煤采空区上方和6 4 煤顶底板岩层的物理力学情况以及8 “煤层顶板的 垮落高度情况，决定对6 4 煤顶底板钻孔取芯。钻孔个数为5 个，其中6 8 煤顶板钻孑l2 个，2 个钻孔长度均为1 0 m ；其余3 个分别在6 。煤层底板8 4 煤层刀柱采空区上方、8 “ 煤层长壁采空区上方和七尺皮带巷下方8 “实体煤上方钻i l 取芯，钻孔深度为到采空区 或到8 4 煤；以便能够更好的了解刀柱采空区、长壁采空区上方“三带”的关系，实测 6 。煤与8 。煤的层间距。具体钻孔位置如图2 1 所示，钻i l 点记录如表2 一l 所示。 7 本次钻孔取芯采用液压高速钻机、钻孔直径为7 5 m m 。测得6 4 煤层与8 4 煤层的层 间距为2 4 2 8 3 0 7 8 m ，平均层间距为2 7 5 m ，其中3 6 7 0 3 运输巷2 点3 点之间范 图2 1 钻也取芯位置图( 2 、3 、4 、5 一探巷点) f i g2 - 1t h es t a t i o np i c t u r eo f d r i l ls a m p l i n g 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 围最薄，3 6 7 0 3 运输巷4 点5 点之间范围最厚。根据现场取芯编号绘出6 4 煤层顶底板 岩层综合柱状图，如图2 2 所示。 袁2 1 钻孔记录表 t a b l e2 - 1d r i l l i n gd a t as h e e t 6 “煤层顶板1 4 孔6 “煤层顶板2 “i l 岩性厚度( m )r q d 值 岩性 厚度( m )r q d 值 页岩1 95页岩l8 l l1 年i 扶岩l64 43 8t i 灰岩1 63 46 页岩4 49l页岩36 2 28 6 4 煤 l76 。煤l7 6 4 煤层底板1 。 l6 镍层底扳2 4 孔 泥岩 l770 6页岩0 7 钙质页岩103 5o石狄岩3 5 6 3 石灰岩l31 697 4 煤0 8 钙质页岩0 29 0石灰岩0 8 碳质页岩044 25砂岩 4 03 6 0 7 4 煤08钙质页岩 92 826 0 碳质页岩 04 52 44 石灰岩 9 421 3 砂岩23 53 32钙质泥岩5 6 2 75 钙质页岩5 02 0 石灰岩8 015 l6 4 煤层底扳3 4 孔( 实体煤下) 6 4 煤 l7 页岩( 接上) 2 o6 0o 石灰岩03砂岩3l 4 8 4 页岩o 43 75石灰岩5 3 石灰岩05砂岩 254 0 4 页岩3 64 56钙质页岩3 5 i o6 7 。煤08石灰岩4 862 5 砂岩( 接下) 2 64 42 注：受8 煤层采空区上覆岩层移动的影响，石灰岩实g y , , 的r q d 值要比上表计算出的要大。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 层位 槲咽 厚度 岩存名捌岩性描述 ( 1 1 1 ) 。f 影z 0 彭z 彩 1 9 m 页岩i 黑色，禽砂质 2 l m 石灰岩深她，坚硬，有化百 黑色坚晤础 顶 镞 0 m页岩育，层面充填方解石 板 t 臻t “够z 彩如 6 号煤 1 7 m6 号煤r 燃f 自勃 y 六i ，：i ：量f z z a1 5 m页岩 黑色，含砂质 2 5 m 石灰岩 溧肛阻u 鄱，有什石 卜? ：，：9 ，刽 1 4 m钝觅岩。黑色蛾含钱多_ ! i1 0 蔓o t ： n8 m 7 号煤绵够f 璐! 定 、n o n炭顾岩黑否蹬硬 六隧燃 、3 0 m砂岩 深扶邑，睁。怫扭t 岩一 3 6 m 钙质页岩 黑色璺觅含锈多。 县“：- i 辰h i l 板 ll ll 。i 7 5 m 石灰岩深灰色，! 野甄响化石 擞燃 3 2 m 钙质页岩 黑包坚匦含钙多。 3 8 m 石灰岩 深她，! 暨匦有化石 8 号蜞 3 8 m8 号煤煤层结# 赡定 图2 26 号煤层顶底板综合柱状图 f i g2 - 2 t h eh i s t o g r a mo f d o o rh e a da n dp a v e m e n tn o6c a o ls e a m 2 2 围岩的物理力学参数分析 矿山岩体的稳定性不但与岩体的性质及结构有关，且与其所处的工程或应力状态 密切相关。”3 首先我们研究了白家庄矿6 4 煤层顶底板岩层的各种物理力学性质，然后 进行了比较系统的力学试验研究。在力学试验方面，系统地进行了各类岩体的常规力 学性质试验( 包括岩石的抗拉试验、单轴抗压、抗剪试验及三轴试验等) ，分析了各 类岩体的强度特性及变形特性：为评价岩体中各种地质结构面对岩体稳定性的控制作 用进行多组试验，并在刚性试验机上初步进行了应力应变部分过程试验研究，为评价 6 ”煤层顶底板的稳定性提供了依据。岩体试样常规力学试验研究，包括白家庄矿6 4 煤层顶底板各类主要岩体的抗拉强度试验，抗压强度试验，抗剪切试验。试验目的在 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 于了解岩体的基本力学性能( 包括强度和变形) ，其结果不但直接用于评价6 4 煤层顶 底板岩体的强度及变形，且用于6 4 煤层顶底板的地质力学模拟试验及数值模拟计算。 2 2 1 基本信息概述 岩石的力学参数与破坏机制与采用的试验方法和试验条件有关，为了提高试验精 度和便于分析比较，对试验各方面条件都作了严格规定。 14 6 号燃层距顶板o l o m 范围内的页岩； 2 4 6 号煤层距顶板6 8 1 m 范围内的石灰岩； 3 。一6 号煤层距底板0 2 3 m 范围内的钙质页岩； 4 。一6 号煤层底板5 7 7 3 5 m 范围内的碳质页岩： 5 4 6 号煤层底板7 3 5 9 7 m 范围内的砂岩； 6 4 6 号煤层； 7 “一8 号煤层； 6 号煤层、8 号煤层的煤样，采用掏撬法选取，煤块裂隙发育，制样时，易沿裂 隙断开；钻孔岩样易沿层理断开，节理发育。实验室采用w i 一1 0 0 型万能材料试验 机、j d 2 0 0 2 - - 2 型天平等主要设备。试件规格约为3 0 x3 0 x3 0 c m 左右的煤块及中5 c m 左右的钻孔岩样。实验室加工试件，测定出岩芯所对应的各煤层及顶底板各岩层的力 学参数，主要包括煤岩试件的单轴抗压强度、单轴抗拉强度、变角度剪切( 内聚力、 内摩擦角) 、弹性模量、泊松比和容重。 2 2 26 4 煤层顶底板岩层试验结果 ( 1 ) 岩石的应变曲线 一 图2 3 是页岩应力应变曲线的一部分。应力应变曲线图不仅在理论上，而且在地 质工程及矿山工程岩体的稳定性评价中具有重要的意义。哺1 一是因为对于采场的稳定 性来说，其稳定状态并不孤立的，因为从采场的结构来看，采场的顶底板构组成了一 个体系：二是从刚性试验机上获得的应力应变曲线图可以推出，岩石在一定强度后仍 具有一定的承载能力，且其承载能力的大小与过峰值强度的后期变形有关。由此可 以看出，采场围岩即使过载性破坏，但是如果及时采取措施，有效地控制采场顶底板 岩体变形的进一步发展，对采场的稳定性是大有好处的。 太原理工大学硕士研究生学位论文 05 1 ) t l1 0 0 01 5 0 02 m j i j v 5 0 0 3 0 0 0 图2 3 页岩的应力应变曲线图 ( 2 ) 6 。煤层顶底板岩层物理力学参数 将同一编号的岩( 煤) 样制成五个同样的试件，实验得出岩石天然块密度、岩石 抗压强度、岩石抗拉强度、岩石抗剪强度、岩石弹性模量，综合得出6 4 煤层顶底板岩 层物理力学参数，如表2 2 。 表2 26 。煤层顶底板岩层物理力学参数表 t a b l e2 - 2p h s i c a lm e c h a n i c sp a r a m e t e ro f d o o rh e a da n dp a v e m e n t 密度抗拉强度 单轴抗压 天然抗剪断试验 序号岩石名称 强度 天然变形模置泊松比 ( g c m )( m p a ) c c m p a ) 中( 。) ( m p a ) 6 。煤层顶板 l 石灰岩 27 14 01 0 2459 502 26 4 43 50 2 页岩 21 60 9 1 59 o7 2o2 22 1 23 32 3 6 4 煤 1 3 40 45 80 2 10 3 2o 6 73 08 6 4 煤层底板 4 页岩 2 1 60 9 1 59 07 202 221 23 32 5 石灰岩 27 l4 01 0 2 45 9 502 264 43 50 6碳质页岩25 2116 42l5 40 1 327 73 98 7 砂岩26 1 2 6 7 0419 5 0 1 455 4 4 09 8 钙质页岩 27 22 1 1 0 7 14 8 6 0 1 86 6 14 l5 9 8 煤 l3 l0 54 403 203 10 6 33 4 6 1 2 如 柚 o 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 3 实验得出的结论 ( 1 ) 通过现场观测取样及煤样加工和实验过程可以明显看出，6 号煤节理裂隙发 育，易沿裂隙断开，煤层松软且强度较小。6 号煤层平均抗压强度为5 8m p a ，平均抗 拉强度为0 4m p a ，平均弹性模量为2 1g p a ，平均抗压强度与抗拉强度的比值为1 4 5 ， 明显脆性。 ( 2 ) 8 号煤层节理裂隙发育，8 4 煤层平均抗压强度为4 4m p a ，平均抗拉强度为 0 jm p a ，平均弹性模量为3 2g p a ，平均抗压强度与抗拉强度的比值为8 8 ，脆性比 6 号煤层小。 ( 3 ) r q d 值是用长1 0 c m 以上的整段岩芯累计长度占钻孔总长度的百分数来确定， 并认为r q d 与岩石工程质量问有如下关系，见表2 3 所示。 表2 3r q d 值判别标准 t a b l e2 - 3d i s t i n g u i s hs t a n d a r do fr q d r q d 2 5 2 5 5 0 5 0 7 5 7 5 9 0 9 0 1 0 0 岩石质量很差差一般好很好 从现场钻孔取芯可以得出3 6 7 0 3 工作面下方3 8 7 1 3 长壁采空区上方的从上而下 各层岩石的r q d 值为：0 3 o 7 m 范围内的页岩的rqd 指标为3 7 5 ；o 7 l _ 2 m 范 围内的石灰岩的rqd 指标为5 2 ；1 2 4 8 m 范围内的页岩的1 rqd 指标为4 5 5 ： 5 6 8 2 m 范围内的砂岩的r qd 指标为4 4 2 ；8 2 l o 2 m 范围内的碳质页岩的rq d 指标为6 0 0 ：1 0 2 1 2 6 m 范围内的砂岩的rqd 指标为4 8 4 ；1 2 6 2 2 0 m 范围 内的石灰岩的rqd 指标为2 1 ；2 2 o 2 7 6 m 范围内的钙质页岩的rqd 指标为 2 7 5 。从以上岩石的r q d 值和现场取芯的记录可以看出靠近采空区的石灰岩质量比 较好，且加上其韧性好，8 号煤层长壁采空区上方有一定高度的垮落，岩石的完整度 比较高。 ( 4 ) 根据现场取芯和实验室数据分析，得出自家庄矿6 4 煤层顶底板岩石强度如 表2 4 所示。 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 表2 46 号煤层围岩分类表 t a b l e2 - 4s o r to f n o6e n c l o s i n gr o c k 序号岩石名称单向抗压强度( m p a )岩石分类 l 页岩 1 5 9 软弱 2 石灰岩 1 0 2 4 坚硬 3钙质页岩1 0 7 1坚硬 4碳质页岩6 42中硬 5砂岩7 0 4中硬 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章64 煤层上行开采的可行性分析 在上行开采过程中，由于下部煤层的开采，形成大面积采空区，岩体在自然重力 及开采影响下会产生变形破坏，致使上部煤层回采的过程中岩体裂隙发育，顶底板破 碎，管理困难，因此国内外矿井在实际中很少采用。但是由于煤与瓦斯突出、冲击地 压的治理以及一些赋存不稳定弃采的煤层回收等原因，上行开采也在部分地区试用， 均取得了较好的效果。但在长壁采空区上方采用上行开采在西山地区还是首例，因 此，本次上行开采的尝试，不仅丰富了上行开采的理论依据和实际经验，同时对于资 源枯竭的白家庄矿提高煤炭资源回收率、延长矿井服务年限都有重要的实际价值和现 实意义。 3 1 自家庄矿6 4 煤层3 6 7 0 3 工作面条件 3 1 1 位置范围与邻区及地表的关系 3 6 7 0 3 工作面位于南坑0 1 水平7 盘区右翼，其左后部为未采区，左前部为3 6 5 0 2 己 采工作面，右部为3 6 7 0 1 未采工作面，前部为未采区，后部为大巷保护煤柱；下部为 3 8 5 0 2 刀柱式采空区矛n 3 8 7 1 3 上分层采空区。地面位于冶峪风井西部山区。地面标高为 1 1 6 8 1 2 3 4 m ，工作面标高1 0 5 2 1 0 7 5 m 。3 6 7 0 3 i 作面走向长8 3 0 m ，倾斜长1 4 0 m ，可采 储量约为2 3 9 7 6 9 吨。煤层的自燃发火期为6 个月。3 6 7 0 3 i 作面煤层瓦斯绝对涌出量为 o 1 9 m 3 分，煤层厚度为1 3 0 2 1 0 m ，6 。煤层与8 4 煤层的层间距为2 4 2 8 3 0 7 2 m ，两煤 层之间岩性以页岩、砂岩、石灰岩为主。详细见图2 2 。 3 1 2 采区的地质条件 3 6 7 0 3 i 作面煤层水文地质构造简单，在掘进中，运输平巷揭露正断层5 条，对回 采的影响程度见表3 1 ，运输平巷五条断层实测剖面图见图3 1 。6 。煤层倾角为1 。 6 。，其平均倾角为3 5 。，平均厚度为1 7 m ，中间夹矸厚度0 1 5 0 2 5 m ，岩性为泥 岩。 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 表3 1 运输平巷断层对回采的影响程度表 t a b l e3 - 1 d e g r e eo ft h em a i ng r o o v ef a u l ta f f e c tm i n i n g 构造名称 走向 倾角性质落差对回采的影响程度 ( ：r3 5 。 4 5 。正断层o 3 5 无 r1 2 5 。3 8 。 正断层 03 5 轻 f 】5 2 。6 0 正断层 0 5 轻 f |4 8 。一。4 2 。 正断层 0 5 轻 f 。6 5 。6 5 。正断层05 轻 # 犟= 享；= 三三三= 孑： i r ，d 一 塑竖! ：一二 图3 13 6 7 0 3 工作面运输平巷断层剖面图( f 5 靠近切眼) f i g3 - 1t h em a i ng r o o v ef a u l ts e c t i o no f t h e3 6 7 0 3w o r k i n gf a c e 3 2 影响6 4 煤层上行开采的主要因素 3 2 1 层间距 煤层( 群) 上行开采的生产实践及科学研究证明，足够的层间距是上行开采的基 本条件。上、下煤层的层间距( 或h m ) 越大，上覆岩层移动越平缓，倾斜、曲率等 变形值越小，越有利于上行开采。反之，层间距( 或h m ) 越小，上覆岩层变形愈剧 烈，甚至出现台阶下沉。采场上覆岩层的冒落性破坏及台阶错动是影响上行开采的最 大障碍。井下勘探知道白家庄矿6 4 煤层与8 4 煤层的平均层间距为2 7 5 m ，根据国内外许 多煤矿上行开采的成功经验知道，当上、下煤层的层间距大于2 0 m 的高度时，上煤层 发生台阶错动的机率就小，采取一定技术措施，就可以进行上行开采。 3 2 2 采高 采高是影响上覆岩层破坏状况及其高度的根本因素。采高越大，采出的空间越大， 采场上覆岩层结构可能获得平衡的机率就越小，势必导