斜沟煤矿综放开采覆岩三带发育高度研究

1、斜沟煤矿综放幵采覆岩“三带”发育高 度研宄毕建乙山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿摘要：采场覆岩“三带”的准确划分，是防止顶板突水、确定高位钻孔终孔位置及高抽 巷布置层位的前提。根据斜沟煤矿的地质条件，采用理论分析、数值模拟方法和 现场验证手段，对综放幵采过程中采场裂隙带的发育高度及运移规律进行研宄 分析，得出覆岩“三带”的分布范围：冒落带高度是48 . 3150 . 67 m，裂隙带高度 是50. 67l08. 56 m。并对比分析经验公式的计算结果、现场窥视仪观测结果及rfpa 数值模拟结果，结果证明：经验公式的计算结果比较准确，符合实际情况。关键词：综放开采;现场实测;高位钻孔;“三带”高度

2、;数值模拟;作者简介：李国辉（1976-）,男，工程师，毕业于丙安理工大学机械电子工程 专业，主要从事矿山压力与顶板管理工作。收稿曰期:2017-06-11received： 2017-06-110引言煤层开采过后将引起上覆岩层的变形、冒落和下沉现象，采场上方会产生冒落 带、裂隙带和弯曲下沉带。“三带”高度的准确判定是“三下”安全采煤设计、 覆若离层充填技术及上邻近层瓦斯抽放研宄的基础1-2。对于综放开采上覆岩层裂隙演化规律，w内外学者通过数值模拟、理论研究、现 场实测及相似模拟试验等方法进行大量的研宄。高建良、陈帅在王庄煤矿实 验研究得到“三带”高度，同时验证cdem数值模拟软件适用于上覆岩

3、层演化规 律。张军、王建鹏ill通过相似材料模拟实验方法，研宂得出西山煤电杜儿坪矿 68303工作面覆岩“三带”高度，并采用钻孔参数分析法和仰斜钻孔分段注水 法现场实测冒落带、裂隙带高度，结果证明基于采动覆岩裂隙分布特性的相似模 拟实验研宄结果合理可靠。丁鑫品5和许延春6通过在多个煤矿综放面统计“三带”高度的现场实测数据，并进行研宄分析、归纳当顶板为中硬或软弱覆岩 吋，综放开采“三带”高度计算的经验公式。通过理论研宄、数值模拟分析和现场实测相结合，对斜沟煤矿13煤层23112综 放工作面覆岩“三带”发育高度进行研究m，最终得出“三带”高度，为高位 钻孔、高抽巷等参数设计提供一定的科学依据，并对

4、比分析了归纳总结的经验公 式与建筑物、水体、铁路及主耍井巷煤柱留设与压煤采煤规程（以下简称“三 下”釆煤规程收录的“三带”高度的计算公式的适应性。1矿井概况斜沟煤矿位于山西省吕梁市兴县，该区位于河东煤田北部的屮南部。主采煤层为 8、13煤，13煤层位于太原组下部，上距8煤层52. 42 m,下距s1砂岩23. 76 m。 煤层倾角为8°，厚度为13. 88 m，是全区可采煤层，含夹矸（t6层，夹矸厚度 为0. 0（t0. 90 m。其顶板岩性为中粒砂岩和粉砂岩，底板为炭质泥岩和粗粒砂岩。 斜沟煤矿岩层柱状如图1所示。名称层厚xn累厚/fn中粒砂岩粉砂岩13#煤层柱状12#煤层0.68

5、3.250*000.40炭质泥岩14#煤层0.60 1.101.5510.891.534.0713.5015.9050.68黑色，爰57.4861.2275.6677.2277.54-石局 灰屑， 浅岩纹岩灰黑色泥岩，黑有好层夹层定煤矸结构图1岩层柱状下载原图23112工作面位于21釆区辅运上山南侧，两侧、南侧、东侧均为实煤区，上部 为8煤层18112掘进工作面和18110冋采工作面;工作面长度为253 m，推进长 度为2 828 m;采煤方法为单一走内长壁采煤法，采煤工艺为低位综采放顶煤， 采高为3. 8 m，放煤高度为9. 77 m，顶板采用全部垮落法管理采空区顶板。2理论计算从斜沟煤矿岩

6、层柱状可知，斜沟煤矿13煤层厚为13.88 m，顶板是中粒砂岩和 粉砂岩，为中硬岩层。很长一段时间以来，覆岩“三带”高度的计算采用“三 下”采煤规程的经验公式。但当覆岩为屮硬岩层时，计算覆岩“三带”高度， 在“三下”采煤规程没有记录采用综放开采方法的计算公式，一般根据厚煤 层分层开采方法的经验公式来计算。具体如下：冒落带高度计算公式为：h - 100zm m 4.7xm+19±2.2式中em为累计采厚，m。异水裂隙带高度计算公式为:100zm= 1.6xm+3.6±5.6将斜沟煤矿数据分别带入公式(1)、(2)计算得到：13煤层23112工作面冒落 带高度为14. 2818

7、. 68 m，导水裂隙带高度为48. 1859. 38 m。由于斜沟煤矿23112工作面是综放面，“三带”的发育高度比分层开采时显著增 大，这时就不适合采用分层开采的计算公式。可用以下经验公式来计算综放工作 面中硬岩层条件下覆岩“三带”的高度： 冒落带高度计算公式为:100m0.49m+19.12±4.71导水裂隙带高度计算公式为:100m0.26m+6.88± 11.49将斜沟煤矿数据分别带入公式（3）、（4）计算得到：13煤层23112工作面冒落 带髙度为48. 808. 26 m,导水裂隙带髙度为120. 84143. 82 mo弯曲下沉带是在开采范围内，裂隙带顶部以

8、上到地表的所有岩层，其高度的计 算公式为：hh(m式中:1k为弯曲下沉带高度，m;h为工作面采深，m;hh为裂隙带高度，m;h.为垮 落带高度，m。3现场实测覆层裂隙为了准确获取上覆岩层的裂隙发育情况，在23112工作面皮带巷（回风顺槽） 距离工作面100 m处布置3个观测孔,观测孔深度为80 m,仰角分别为50°、 45°、40° ,终孔位置距离13煤层顶板分别为61. 28、56.57、51.42 m。观测 钻孔布置如图2所示。各钻孔采前、采后的岩层裂隙发育情况通过cxk6矿用本 安型钻孔成像仪观测，并统计异常区出现的位置，进而分析得出斜沟煤矿 23112综放

9、工作面覆岩“三带”高度。1#观测孔23112itz j “ i:皮w巷2#观测孔 f3#观测图2观测孔布罝示意 下载原图当工作面推进到距离观测孔位置至少25 m时称为采前位置；当工作面推进到距离 观测孔位置不足8 m时即快要推进到观测孔时称为采后位置。刚开始工作面每推 进1 m测1次数据，之后每隔1015 d窥视1次。通过现场窥视仪的观测，收集 相关数据，得到各钻孔采前和采后裂隙密集区距13煤层23112工作面顶板的垂 高，如表1所示。利用窥视仪图像分别从钻孔纵向、横向上研究覆岩裂隙、裂缝的演化规律。窥视图像的结果均表明:采后的裂隙无论在横向还是纵向上都比采 前的要多，釆后裂隙发育完全。从表1

10、中可以发现，采前3个钻孔（12、3钻孔） 裂隙密集区处是距23112工作面顶板垂高48. 6249.54 m、48. 7349. 98 m、48. 3广49.88 m处，采后3个钻孔（1、2、3钻孔）裂隙密集区处是距23112工 作面顶板垂高为49. 8750. 94 m、49. 7350. 82 m、49. 5950. 67 m。现场观测结 果表明，当距离23112工作面顶板垂高为48. 3广50. 67 m时，覆岩裂隙最为发育, 此处覆岩在横纵向上产生大量的裂隙和裂缝，已经形成完整的裂隙面，因此可 确定为23112工作面冒落带的高度。表1覆岩裂隙密集区统计情况下载原表钻孔倾角 钻孔垂ft

11、裂隙想*集钻孔kkl j u isvx 7 rj/(°)/m采前1#5061.2848.6249.542#4556.5748.7349.983#4051.4248.3t49.88通过对比冒落带的计算结果，发现采用“三下”采煤规程来计算综采放顶煤“三带”高度，其计算结果明显偏小;而采用经验公式的计算结果与现场观测基 本一致，说明在理论计算综放面采场“三带”高度上经验公式是适用的。4采场覆岩裂隙演化数值模拟采用rfpa软件（真实破裂过程分析方法）模拟覆岩裂隙随着工作面的不断向前 推进发生演化规律，模拟结果如图3所示。(a)推进40 m(b)推进80 m(c)推进 120 m由图3分析表明

12、，上覆岩层裂隙带的发育随着工作面的向前推进呈现动态演化 过程：当工作面推进37 m吋，顶板出现破断冒落，接着煤层直接顶在自重力的作 用下发生断裂进而裂隙逐渐发展，破断的岩体铰接相连，断裂成块而冒落，无 规则地堆积在采空区内，呈现不规则性和冒落拱的形态。当工作而推进到54 m 时，老顶发生大面积断裂冒落，堆积在直接顶上方，视为老顶的初次来压，随 着采空区的扩大，在上覆岩层的压力作用下，冒落岩石间的空隙在一定程度上 得到压实。此吋的冒落带高度约为26. 84 m;随着工作面持续开采，老顶开始弯 曲变形、破断下沉，当开采至72 m位置，覆岩开裂成离层，产生大量的斜交或 垂直于岩层的裂隙并不断扩展，老

13、顶离层现象越来越显著，此时出现第二次冒 落，即老顶出现第二次来压，上部冒落岩层逐步充满采空区，形成明显的“两 带”特征，此时冒落带高度约为39.75 m，裂隙带高度约为64.72 m。上部岩层 整体向下移动，顶板一般不再发生破断而进入弯曲下沉阶段，此时就进入弯曲 下沉带。随着工作面的不断前移，顶板覆岩裂隙持续扩展，当顶板跟未受力破坏的岩层 接触时，裂隙不会再继续向上扩展，此时裂隙发育最为完全，裂隙带也达到最 大发育高度。13煤23112工作面顶板“两带”高度的变化规律如图4所示。020 40 60 80 100 120 140 160工作面推进距离xn从图4可以发现，当工作面向前开采134 m

14、时，覆岩裂隙发育最为完全，此时 23112工作面冒落带高度是51.47 m,裂隙带高度是108. 56 m,这与应用“三 下”采煤规程计算的结果相差较大，而与运用经验公式计算“三带”的高度基 本吻合。证明了“三下”采煤规程中的计算公式己不再适用综放开采“三带” 高度的计算。5结论(1) 通过数值模拟、经验公式计算与现场考察计算出斜沟煤矿13煤23112综放 工作面采场覆岩“三带”高度分别为：冒落带高度48.3150.67 m,裂隙带高度 50. 67108. 56 m, 108. 56 m以上为弯曲下沉带。通过对比3种方法得到的“三带”结果可知，3种方法得到的结果基本吻合, 经验公式的计算结果

15、跟现场实测和数值模拟基木一致，对综放面“三带”高度 预测的准确性较高;而“三下”采煤规程所列出的公式己不再适用理论计算 综放工作面“三带”的高度，计算结果明显偏小；同时也验证丫 rfpa软件模拟 方法是采动覆岩“三带”高度研宄的有效手段。参考文献1毕建乙.马堡煤矿大直径顶板走向长钻孔瓦斯抽采技术研究!).阜新:辽宁工 程技术大学，2015.2杨道华，王保锋，雷云，等.野川煤矿综放开采覆岩三带高度发育研宂j. 中州煤炭，2014, 11 (2) ;1-3.3高建良，陈帅.采空区上覆岩层“三带”划分数值模拟j.安全与环境学报， 2016, 16 (1) : 36-39.4张军，王建鹏.采动覆岩“三带”