遗弃资源回收底板岩层移动变形规律研究资源环境与城乡规划管理毕业论文

1、遗弃资源回收底板岩层移动变形规律研究摘要目前我国煤矿多煤层开采时, 主要开采顺序为下行式。但在特定的地质和开采条件下, 不宜采用下行式开采。由于白家庄矿区煤层开采以薄煤层和中厚煤层为主，开采条件复杂，回采装备差等一系列问题，造成白家庄矿资源逐步萎缩，运用遗弃资源回收对原先放弃的煤层进行开采。运用“遗弃资源回收”各种研究理论, 采用围岩平衡的观点,结合我们对白家庄监测到的数据，主要对白家庄6#煤层顶底板位移及两帮位移进行了分析，得到了上覆岩层开采过程中的运动规律，即遗弃资源回收破坏了采场上覆岩层的原始应力平衡状态，引起岩体应力重新分布，必然引起上覆岩层的横向及纵向变形与破坏。但随时间延长，采动影

2、响逐渐消失，采动裂隙会重新闭合压实。为遗弃资源回收的上覆岩层运动规律理论分析与可行性研究论证提供了重要经验和借鉴。关键词：遗弃资源回收;上覆岩层;运动规律abandoned Resources recycling and law of movement and deformation of floor rocksAbstractAt present when our country coal mine multi-coal bed mining, the main mining sequence is downward -like. But under the specific geology

3、 and the mining condition, it is not suitable to use the downward -like mining. Because Baijiazhuang mining area coal bed mining by the thin coal bed and the little thick coal bed, it is primarily complex of the mining condition and a series of questions what cause the Baijiazhuang ore resources to

4、wither gradually. It is use of abandoned resources recycling to the coal bed which gives up originally carries on mining. We use each kind of research theory of “abandoned resources recycling”, take the viewpoint of adjacent formation balanced, and combine the data which we have monitoring from Baij

5、iazhuang. We analyse the roof and floor displacements and two group displacements of 6# coal bed of Baijiazhuang, and obtained the behavior Law in the overburden mining process. overburdenoverburdenKeywords: Abandoned resources recycling; Overburden; Behavior Law目 录摘要IAbstractII1绪论11.1遗弃资源回收的必要性和意义2

6、1.2 问题的提出41.3 国外遗弃资源回收的主要研究现状51.4 国内煤层(群)遗弃资源回收的主要研究现状61.4.1 遗弃资源回收在我国被广泛关注和研究的原因61.4.2 我国煤层(群)遗弃资源回收的现状61.5 影响遗弃资源回收的主要因素71.5.1 层间距71.5.2 采高7采煤方法81.5.4 岩性及层间结构81.5.5 煤层倾角91.5.6 时间92 井下勘探与围岩力学性质102.1 井下勘探102.2 围岩物理力学性质132.2.1 概述142.2.2 6#煤层顶底板岩层试验结果142.2.3 实验结论163遗弃资源回收机理173.1遗弃资源回收机理173.1.1 采场上覆岩层裂

7、隙的变化规律173.1.2 遗弃资源回收与围岩平衡173.1.3 遗弃资源回收的基本原则183.1.4 遗弃资源回收应采取如下技术措施184 遗弃资源回收实测数据分析194.1 顶底位移和两帮位移实测数据分析194.2 各点相对高程实测数据分析335结论52致谢54参考文献551绪论我国的煤炭产量和消费量均居世界第二位，约占国内一次能源生产和消费总量的85%1.近些年，随着我国对煤炭的需求量增大，遗弃资源回收在部分地区试用，尤其对于资源枯竭矿区提高煤炭资源采出率有重要的实际价值。同时也减少了浪费，在当前节约型社会的大环境中更能发挥其优越性。遗弃资源回收法是指在一个煤系地层内，含有两层以上并有一

8、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2。由于这种采煤方法受到现有技术的制约，矿井设计极少采用，也没有引起人们的重视。随着矿井开采深度的增加，地质条件复杂化和机械化程度的提高，特别是矿井水平接替和生产采区向新水平过渡时期，为保证回采工作面接续，特别是综采面的接续和矿井逐年产量的完成。采用遗弃资源回收法在煤矿设计中有一定的现实意义，很有必要进行研究。国内进行遗弃资源回收的煤矿己有很多，例如两淮的个别煤矿在八十年代已进行遗弃资源回收3。它是一种特殊顺序的开采方法,在我国有较为广泛的实际应用. 研究遗弃资源回收技术,对于保证矿井安全生产,特别是对于复采采空区上部遗留煤

9、炭资源具有十分重要的现实意义4 .进行遗弃资源回收时,如果下部煤层采用长壁采煤法进行开采,由于采场较少留有煤柱,老采空区上覆岩层垮落比较充分,如果上下煤层的开采时间间隔足够长,且上部煤层的连续性不受到破坏,就可以进行遗弃资源回收. 但是,如果下部煤层采用部分开采方法,如房柱式开采或刀柱式开采,此时采空区遗留较多的残留煤柱,老采空区上覆岩层一般不垮落不充分,则在采动压力的影响下,可能造成下部煤层老采空区保留煤柱的失稳,引起上覆岩层的垮落破坏和长壁工作面底板岩层失稳,威胁上部煤层采煤工作面的生产安全。目前我国煤矿多煤层开采时, 主要开采顺序为下行式。但在特定的地质和开采条件下, 不宜采用下行式开采

10、。贵州某矿上覆的M8煤层为突出煤层, 尝试先采下部的M14煤层作为M8突出煤层的解放层, 因此该矿煤层群采用上行式开采有一定的现实意义和应用价值。1.1遗弃资源回收的必要性和意义遗弃资源回收法作为一种特殊的开采方法，在特殊的条件下将具有极强的优越性和适用性，主要有:1、适用于上煤层顶板坚硬、煤质坚硬不易采出的条件我国有许多矿井采空区顶板岩石长时间不冒落，造成悬顶。有的矿井工作面悬空面积达1万m2以上，当采空区面积达到顶板稳定的极限时，一定厚度的岩层会发生整体性折断或突发性冒落，这种压力对工作面正常生产构成严重威胁，综采工作面将发生液压支架损坏、弯曲折断、缸体爆炸，以及其它构件的变形破坏。在如此

11、地质条件下，如采用遗弃资源回收法，则可以造成上部煤层整体性破坏，使上部煤层顶板呈松动裂纹，产生位置移动，并进而清除或减轻上煤层开采时发生的冲击地压和周期来压强度，同时减轻地质构造应力的影响。2、适用于上煤层含水量大、顶板淋水的条件在下行开采法中，一些矿井煤层含水量大、顶板出现淋水，造成工作面生产环境恶劣，影响工人的身体健康，采区上(下)山胶带输送机所输煤流下滑，大巷运输矿车粘底，减小了矿车的有效容量。更为严重的是有些矿井因为顶板淋水较大而被迫停产。如枣庄矿务局甘霖矿黄贝井1702工作面，煤层顶板为1.5m厚的灰岩，含裂隙容洞水，正常涌水量为6-18m3/h。由于淋水较大，1975年经批准注销了

12、工作面剩余产量。该井由于采用了遗弃资源回收法，1983年重新开采1702工作面时，发现工作面无滴水现象，多采出煤炭2.63万t。这充分说明，采用遗弃资源回收方法能通过松动上覆煤岩的原始状态，改变原有煤岩的分布结构，使溶洞水通过裂缝渗透到下部煤层的采空区，起到疏干上煤层含水的作用。3、适用于上煤层瓦斯含量高的条件煤矿井下地质条件千变万化，煤层赋存情况千差万别，在同一个井田内，有时候会出现上煤层瓦斯含量高、下煤层瓦斯含量低的现象.如四川松藻矿区的藻渡矿，k2层瓦斯低，而上部k煤层和下部k3煤层不但瓦斯含量高，而且有突出的危险。如按常规下行开采顺序，必须先采k3煤层，然后向下依次采k2, k煤层。如

13、这样做，就必须考虑巷道布置的位置、瓦斯抽放设备、安全防范技术措施等等，势必要增加井巷工程量和初期设备投资，影响建井速度和经济效益。该矿在改扩建设计中，采用上行法采煤，把主要巷道布置在k3煤层，在开采k2煤层的同时建立完整的通风系统和瓦斯抽放室，而后向上、下煤层进行瓦斯抽放，为矿井的安全生产创造了良好的预备条件。4、适应于煤层赋存不稳定的条件随着我国能源结构的变化，对煤炭的需求量也越来越大，一些大型、特大型矿井正在崛起。由于煤层赋存不稳定的原因，一些井田虽然储量丰富，适合建设大型矿井，但含煤地层属于煤层群性，上薄下厚，上、下层之间存在着压荐关系，如果采用下行开采法，为了保证矿井的产量，就得多布置

14、工作面，如果采用超前工作面布置方法，会带来巷道布置和生产管理方面的困难，也会给供水、供电、运输等辅助设施布置带来复杂化。类似于上薄下厚的煤层或上、下层煤质不一样的煤层，设计中可以在矿井一翼用下行开采法，另一翼采用遗弃资源回收法。此种布置方法可以解决矿井均衡生产及煤质不同的问题。5、适用于复采采空区上部遗留的煤炭资源在现有生产矿区或矿井中，有很多采空区上方都遗弃了一些可采煤层，丢弃的煤炭储量相当多。原因多种多样:有地质勘探不详，在已采煤层上部又发现了可采煤层;或者是把薄及不稳定煤层划为不可采煤层，而在生产中又发现可采，但己经来不及布置采煤工作面，只好丢弃了上部煤层而采下部煤层;有的矿井因生产任务

15、及经济效益问题，必须先开采主要煤层，而主采煤层与上部次要煤层的开采间距尚未拉开，只好注销次要煤层的部分储量，先采下部煤质好、生产能力大的主采煤层:有的矿井在设计时，因下行开采程序与采区布置和生产能力之间发生了矛盾，而丢弃了上部次要煤层剖分储量;过去，帝国主义掠夺式开采了下部好煤层，丢弃了上部煤层。对上述种种原因丢弃的煤炭资源，只需增加少量巷道工程量就可以回收被丢弃的煤炭资源。特别是对一些储量不足的老矿区或矿井.利用现有井巷和设备开采这些遗弃的煤炭资源，以延长矿区或矿井的寿命，更具有重要的现实意义。因此，在某些条件下，采用遗弃资源回收，对安全生产、解放呆滞煤量、加快能源建设都具有重大意义。6、适

16、用于建筑物、水体及铁路下的“三下”采煤，有时需要先采下煤层，后采上煤层，以减轻对地表的影响。7、开采火区或积水区下压煤，有时需要采用遗弃资源回收。8、上部煤层开采困难或投资很多，或下部煤质优良，从国民经济需要出发，有时采用遗弃资源回收，可迅速提高经济效益。9、在某些地质和技术条件下，新建矿井采用下行与遗弃资源回收相结合的方式，可以减少初期巷道工程量、投资及建井工期，获得显著经济效益。1.2 问题的提出开采煤层群时，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，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遗弃资源回收，因此目前国内外尚缺乏针对蹬空条件下的开采进行

17、系统的理论研究。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矿井近或缓倾斜煤层开采条件下的6#煤层采用遗弃资源回收方法进行研究。白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130万吨左右。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，造成白家庄矿资源逐步萎缩。白家庄矿由松树坑、二号井、小南坑三个坑口组成，松树坑己于1998年开采完报废，全矿减少了45万吨的设计能力;二号井已开采到+600米标高，突破了安全开采突水系数范围，突水隐患也越来

18、越大，而且二号井“三下”压煤占全部可采储量的80%，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20万吨/年左右。由于该矿的生产经营状况不断恶化，于2004 年破产重组。白家庄煤矿6#煤层厚1.302.10m，煤层结构复杂，内含一层夹煤层。在二十世纪九十年代开采该煤层由于其含煤量较高，煤价低，开采成本高，经济上不划算。但是，白家庄矿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。鉴于目前白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原来弃采的6#煤层实行回采。总而言

19、之，研究采空区上方进行遗弃资源回收的理论可用于指导解决白家庄矿6#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遗弃资源回收经验，具有重要的理论价值。1.3 国外遗弃资源回收的主要研究现状1、波兰是在世界上较早采用遗弃资源回收方法采煤的国家之一。因为煤炭是波兰国民经济的主要支柱之一，而其国建筑物下压煤达110亿吨以上(埋深1000m以上)，为了采出建筑物下的压煤，早在19201930年，就有计划地试采西里西亚煤田建筑物下的保护煤柱，1945年以后，开始大规模开采城市建筑物及铁路下的保护煤柱，取得了特殊开采的丰富实验经验，即:研究遗弃资源回收时，常把上、下煤层之间

20、的层间距(H)与下煤层采高(M)之比(K)称为采动影响倍数，而利用采动影响倍数来判别能否进行遗弃资源回收，具体为:(1)当下部开采一个煤层时，采动影响倍数K>6，可成功进行遗弃资源回收:当K<6时，上煤层受到不同程度的严重破坏，不能遗弃资源回收。(2)当下部开采多个煤层时，综合采动影响倍数K2=6. 3，可成功进行遗弃资源回收:当K3<5时，上煤层受到不同程度的破坏，采取一定技术措施，可以遗弃资源回收。(3)采用充填法遗弃资源回收时，采动影响倍数K2=2.3-2.9，上煤层未受破坏，生产正常。(4)上、下煤层开采的间隔时间为1年以上。2、 前苏联也是应用遗弃资源回收方法较早且

21、较成功的国家之一。其国内的库兹巴斯矿区是生产优质焦煤的基地，过去采用下行式开采程序开采煤层群，限制了矿井生产能力和新井建设的发展;于是采用遗弃资源回收，并获得了丰富的遗弃资源回收的实践经验及科学研究成果。具体为:(1)开采缓倾斜和倾斜煤层时，在受下部煤层采动影响下，采动影响倍数k>-10，遗弃资源回收成功:k<10，上煤层受到不同程度的破坏，采取一定技术措施，可以遗弃资源回收。(2)开采急倾斜煤层群，当下部开采一个煤层时，采动影响倍数k>8，上煤层正常开采。(3)开采缓倾斜和倾斜煤层时，在层间距为18-85m的情况下，上、下煤层开采的间隔时间为312个月。开采急倾斜煤层时，在

22、层间距为8-70m的条件下，上、下煤层开采的间隔时间的310个月。另外，前苏联学者研究认为，足够的层间距是遗弃资源回收的基本条件。1.4 国内煤层(群)遗弃资源回收的主要研究现状 遗弃资源回收在我国被广泛关注和研究的原因(1)历史原因解放前，一些矿井在建井初期将开采水平放在下部较厚的煤层，下部厚煤层采完后，为了延长矿井的寿命，不得不开采上部较薄的煤层，如淄博矿务局洪山煤矿就是如此。该矿是1937年建设的矿井，由于日本侵略者大面积的掠夺式开采，开采水平放在下部的厚煤层，解放以后，为了国民经济发展的需要，只好在采空区上部采煤。(2)主观原因一些矿井为了保证矿井设计产量，违反常规开采程序，把生产巷道

23、布置在厚煤层中，一旦矿井出现储量衰竭、采掘失调，不得不采用遗弃资源回收。如枣庄矿务局甘霖矿黄贝井就是如此。该井采区原设计为17, 18号煤层联合开采，因上部17#煤层较薄，下部18#煤层较厚，在特定条件下，先采18#煤，而后来为了完成煤炭产量任务，才被迫开采上部的17#煤层。(3)客观原因有些矿井由于客观原因而采用遗弃资源回收法。如峰峰矿务局三矿，该矿为了薄、厚煤层配采，疏放上部煤层的瓦斯及巷道淋水。故造就了遗弃资源回收法。 我国煤层(群)遗弃资源回收的现状在国内5，鸡西城子河煤矿是较早采用遗弃资源回收方法的矿区之一。该矿建于1938年，当时采用片盘斜井开拓方式，轨道上山一般布置在底部层组或中

24、部层组中，由于开采技术条件等因素限制，先采了中部层组的25#煤，后采上部层组的29#煤、36#煤和42#煤层，形成了上行或开采顺序，沿用至今，现仍然采用遗弃资源回收。70年代，煤层(群)遗弃资源回收引起了采矿界广泛的关注与研究，并有计划地进行了试采。80年代，遗弃资源回收技术己用于煤矿设计、矿井技术改造及老矿区(矿井)的复采工作中，特别是地方煤矿复采老矿井采空区上方丢弃的煤炭资源，并获得了丰富的实践经验。具体为:(1)当下部开采一个煤层时，采动影响倍数k>7. 5，上煤层可正常进行掘进和采煤。如果下煤层采出时留有煤柱，则在下部煤柱对应的上煤层工作面内可能出现局部顶板岩层和煤层的开裂现象，

25、采取一定措施后，可正常进行遗弃资源回收。(2)当下部开采多个煤层时，综合采动影响倍数k2>6. 3，可在上煤层正常进行掘进和采煤工作。(3)上煤层位于下煤层开采后的冒落带之上时，一般可正常进行遗弃资源回收。(4)上、下煤层的开采必须间隔足够的时间.1.5 影响遗弃资源回收的主要因素 层间距煤层(群)遗弃资源回收的生产实践及科学研究证明，足够的空间距是遗弃资源回收的基本条件。上、下煤层的层间距(或H/M)越大，上覆煤层移动越平缓，倾斜、曲率等各种变形值越小，越有利于遗弃资源回收。反之，层间距(或H/M)越小，上覆煤层变形愈剧烈，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遗弃

26、资源回收的最大障碍。当上、下煤层的层间距大于下煤层的冒落带最大高度时，上煤层发生台阶错动的机率就小，采取一定技术措施，一般可以遗弃资源回收。据统计,垮落带高度根据覆岩岩性的不同一般为采高的35倍;断裂带与垮落带的总高度,根据覆岩岩性的不同,一般为采高的935倍6 。（1） 当层间距小于或等于下煤层冒落高度时，上煤层结构将遭到严重破坏，无法进行遗弃资源回收。（2）当层间距小于或等于下煤层裂隙带高度时，上煤层结构只发生一定程度的裂隙扩展，采取一定措施后可正常进行遗弃资源回收。（3） 层间距大于下煤层裂隙带高度时，上煤层只发生整体移动，结构不受破坏可正常进行遗弃资源回收。（4） 当层间有中硬或坚硬岩

27、层时，上煤层应位于下煤层最近的平衡岩层之上。当层间均为软岩时，上煤层应位于下煤层裂隙带内。 采高有资料显示,断裂拱高度约为工作面长度的1 /2,而且随工作面推进呈现跳跃式周期性发展7。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，采出的空间越高，采场上覆岩层结构可能获得平衡的机率就越小，势必导致采场上覆岩层的严重破坏。一般采高越大，上煤层的下沉越大，各种变形值也增大。开采单一煤层及厚煤层第一分层时，冒落带及裂隙带高度与采高基本上成正比关系。在分层开采厚煤层时，冒落带及裂隙带高度与累计采高成分式函数关系。当分层数增加时，冒落带及裂隙带高度趋于稳定并略有下降。采煤方法采煤方法对垮落带和断

28、裂带的高度有着重要的影响。长壁式全部垮落采煤法所造成的上覆岩层破坏就较为严重,垮落带和断裂带高度也增大很多;而房柱式采煤方法就对减小遗弃资源回收上煤层下沉与变形量有着很好的效果;充填式采煤法对上覆岩层的破坏程度就更小了,充填式采煤法只会造成上覆岩层断裂,而不会有垮落带的形成。对于厚煤层的开采,采用分层开采时,对上覆岩层的扰动就比较小,这是由于重复采动时,已被破坏的上覆岩层的力学性质进一步软化的缘故,由于煤层一次采出厚度的增大,直接顶的垮落高度成倍增加,可达煤层采出厚度的2.02.5倍6 。 岩性及层间结构岩石力学性质及层间结构影响覆岩破坏的高度。当顶板岩石硬度较高时，冒落带和裂隙带的发育较高。

29、在冒落过程中，岩层主要以断块充填采空区。当顶板岩石强度较低时，在冒落过程中发展不充分，主要以岩层弯曲充填采空区。因此，冒落带和裂隙带发育较低。当直接顶的厚度大于倍采高时，冒矸充满采空区，其上覆岩层在断裂下沉中易于形成平衡岩层结构，位于平衡岩层之上的煤层将缓慢下沉，有利于遗弃资源回收。当顶板赋存有借力裂隙发育的石灰或坚硬砂岩时，这些岩层在下层过程中易于形成缓慢下沉。显然，上覆岩(煤)层将均匀下沉，有利于遗弃资源回收。 煤层倾角煤层倾角主要影响采场上覆岩层破坏的空间形态。随着煤层倾角增大,顶板下沉量是逐渐减小的8 。(1)缓倾斜煤层，采场顶板岩层冒落后就地堆积。在采空区边界，由于煤柱支撑，剪切应力

30、大，因此，冒落带及裂隙带发育较中部高。(2)倾斜煤层，采场顶板岩层冒落后会沿煤层底板向下滚动。煤层倾斜下方的顶板受矸石充填，冒落不充分，而倾斜上方的岩层失去冒落矸的支承，岩层冒落充分。因此，冒落带和裂隙带不对称，倾斜上方高，倾斜下方低。(3) 急倾斜煤层，采空区冒落下滑，上部岩层冒落更充分，冒落带及裂隙带的分布形态明显更向上部边界发展。同时，煤层底板亦可发生滑脱来充填采空区。 时间煤层采出之后，覆岩冒落、移动至移动稳定，有个时间发展过程。据实测资料，当覆岩为坚硬岩层时，裂隙带发展到最高后，达到稳定，一般历时2-4个月;顶板为中硬岩层时，裂隙带发育到最高后稳定，一般历时为1-3个月;当顶板为软岩

31、层时，裂隙带发展到最高而后稳定的时间一般为1-2个月。总之，遗弃资源回收时，上、下煤层的开采应间隔足够的时间。否则，即是有足够层间距，开采上煤层也会遇到困难。2 井下勘探与围岩力学性质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20公里，处在杜儿坪矿和官地矿之间。北部以鸦崖底断层和虎峪南断层为界与杜儿坪井田接壤；西部以三家庄断层为界与官地井田相邻；东邻西峪矿；南邻金胜煤矿和晋源煤矿。井田走向长4.5公里，倾斜宽约3.2公里，面积16.2平方公里。西山煤田处于“祁吕贺兰”山字型构造东翼带内，白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碳二叠

32、系含煤盆地。地表出露地层由老到新有：奥陶系中统马家沟组及峰峰组，石碳系中统本溪组，上统太原组，二叠系下统山西组，下石盒子组，上统上石盒子组及石千峰组，三叠系下统刘家沟组，第四系红、黄土及近代冲积层。第四系地层不整合于基岩上，石碳系中统本溪组与下伏地层整合。其余地层均为整合接触。白家庄矿主要含煤地层为石碳二叠系太原组和山西组，共含煤层及煤线13层，自上而下有02#，03#，1#，2#，3#，5#，6#，7#，8#上，8#，9#，10#，11#煤，其中2#，3#，8#，9#为全区稳定可采煤层，6#煤层为较稳定局部可采煤层，7#为不稳定煤层局部可采，8#上煤仅局部可采，有时同8#煤合并，其余均为不可

33、采煤层，含煤地层总厚165.61米，煤层总厚度平均为14.69米，含煤系数达8.9%，可采煤层总厚度为11.71米，含煤系数7.1%。2.1 井下勘探为了得知8#煤采空区上方和6#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#煤顶底板钻孔取芯。钻孔个数为5个，其中6#煤顶板钻孔2个，2个钻孔长度均为10m；其余3个分别在6#煤层底板8#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#实体煤上方钻孔取芯，钻孔深度为到采空区或到8#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，钻孔点记录如

34、表2-1所示。图2-1 钻眼取芯位置图（）本次钻孔取芯采用液压高速钻机、钻孔直径为75mm。测得6#煤层与8#煤层的层间距为24.2830.78m，平均层间距为27.5m，其中36703运输巷2点3点之间范围最薄，36703运输巷4点5点之间范围最厚。根据现场取芯编号绘出6#煤层顶底板岩层综合柱状图，如图2-2所示。表2-1 钻孔记录表6#煤层顶板1#孔6#煤层顶板2#孔岩性厚度(m)RQD值岩性厚度(m)RQD值页岩219.5页岩1.811.1石灰岩1.644.38石灰岩2.634.6页岩4.49.1页岩3.622.86#煤1.76#煤1.76#煤层底板1#孔6#煤层底板2#孔泥岩1.77.

35、06页岩0.7钙质页岩1.035.0石灰岩3.56.3石灰岩1.316.97#煤0.8钙质页岩0.290石灰岩0.8碳质页岩0.442.5砂岩4.036.07#煤0.8钙质页岩9.282.60碳质页岩0.4524.4石灰岩9.42.13砂岩2.3533.2钙质泥岩5.627.5钙质页岩5.02.0石灰岩8.01.56#煤层底板3#孔(实体煤上)6#煤1.7页岩(接上)2.060.0石灰岩0.3砂岩3.148.4页岩0.437.5石灰岩5.3石灰岩0.5砂岩2.540.4页岩3.645.6钙质页岩3.510.67#煤0.8石灰岩4.86.25砂岩(接下)2.644.2注：图2-2 6#煤层顶底板

36、综合柱状图2.2 围岩物理力学性质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。在此，针对白家庄矿6#煤层顶底板岩层的物理力学性质参数进行了常规物理力学性质试验，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了多组试验，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。岩体试样力学试验研究内容包括白家庄矿6#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。 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

37、条件都作了严格规定，试样作了标定。 1# 6#煤层距顶板010m范围内的页岩；2# 6#煤层距顶板68.1m范围内的石灰岩；3# 6#煤层距底板02.3m范围内的钙质页岩；4# 6#煤层底板5.77.35m范围内的碳质页岩；5# 6#煤层底板7.359.7m范围内的砂岩；6# 6#煤层；7# 8#煤层；6#煤层、8#煤层的煤样，煤块裂隙发育，制样时，易沿裂隙断开；采用掏撬法选取，钻孔岩样节理发育，易沿层理断开。实验室采用WI100型万能材料试验机、JD20022型天平等主要设备。试件规格约为30cm×30cm×30cm左右的煤块及50mm左右的钻孔岩样。实验室加工试件，测定

38、出岩芯所对应的各煤层及顶底板各岩层的物理力学参数，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。2.2.2 6#煤层顶底板岩层试验结果 （1）岩石的应变曲线图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。一是因为对于采场的稳定性来说，其稳定状态并不孤立，因为从采场的结构来看，采场的顶底板组成了一个体系；二是从刚性试验机上获得的应力应变曲线图可以得出，岩石在峰值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

39、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，对采场的稳定性也是大有好处的。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为了消除试验的随机性与偶然性，将同一编号的岩（煤）样制成五个同样的试件，采用实验的方法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#煤层顶底板岩层物理力学参数，如表2-2。表2-2 6#煤层顶底板岩层物理力学参数表序号岩石名称密度(g/cm3)抗拉强度(Mpa)单轴抗压强度(Mpa)天然变形模量泊松比天然抗剪断试验C(Mpa)(。)6#煤层顶板1石灰岩2.714.0102.45.950.22

40、6.4435.02页岩2.160.915.90.720.222.1233.236#煤1.340.45.80.210.320.6730.86#煤层底板4 页岩2.160.915.90.720.222.1233.25石灰岩2.714.0102.45.950.226.4435.06碳质页岩2.521.164.21.540.132.7739.87砂岩2.612.670.41.950.145.5440.98钙质页岩2.722.1107.14.860.186.6141.598煤1.310.54.40.320.310.6334.6 实验结论（1）通过现场观测取样及煤样加工和室内实验可以明显看出，6#煤节理裂

41、隙发育，易沿裂隙断开，煤层松软且强度较小。6#煤层平均抗压强度为5.8 MPa,平均抗拉强度为0.4 MPa，平均弹性模量为2.1 GPa，平均抗压强度与抗拉强度的比值为14.5，明显脆性。（2）8#煤层节理裂隙发育，8#煤层平均抗压强度为4.4 MPa, 平均抗拉强度为0.5 MPa，平均弹性模量为3.2 GPa，平均抗压强度与抗拉强度的比值为8.8，脆性比6#煤层小。（3）根据现场取芯和实验数据分析，得出白家庄矿6#煤层顶底板岩石强度如表2-3所示。表2-3 6#煤层围岩分类表序号岩石名称单向抗压强度(Mpa)岩石分类1页岩15.9软弱2石灰岩102.4坚硬3钙质页岩107.1坚硬4炭质页

42、岩64.2中硬5砂岩70.4中硬（4）RQD值是用长10cm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RQD与岩石工程质量间有如表2-4所示的关系。表2-4 RQD值判别标准RQD25%2550%5075%7590%90100%岩石质量很差差一般好很好从以上的三个钻孔资料对比分析，每层的指标变化比较大，相应的顺序总体来说是3（3号钻孔的指标）12，说明刀柱采空区上方和长壁采空区上方有不同程度的垮落和开裂，并且长壁采空区上方的垮落和开裂远比刀柱采空区上方的剧烈。3遗弃资源回收机理3.1遗弃资源回收机理通过孔庄矿遗弃资源回收观测及研究，可将遗弃资源回收机理归纳如下。5 采场上覆岩层裂

43、隙的变化规律 孔庄矿先采8111工作面，上部的7111回风巷出现采动裂隙。采动裂隙随工作面位置不同而变化。工作面前方2030m出现裂隙，工作面后方-5-30m间裂隙变化最大，形成了离层区；-31m之后，裂隙逐渐变小，直至闭合，无台阶错动。采场上覆岩层中，冒落带的岩石初始碎胀系数为1.34，压实后为1.03。裂隙带岩层的离层率随垂直高度增加而减小；沿走向-5.8-31.4m间离层率最大，形成了离层区；-31.4m之后，离层率逐渐减小。由此可知，遗弃资源回收破坏了采场上覆岩(煤)层的原始应力平衡状态，引起岩体应力重新分布。当重新分布后的应力超过煤(岩)极限强度时，必然引起上覆岩(煤)层的横向及纵向

44、变形与破坏。上覆岩(煤)层的横向及纵向离层变形主要产生大量采动裂隙，破坏煤层，但随时间延长，采动影响逐渐消失，采动裂隙会重新闭合压实；而纵向剪切变形则表现为煤(岩)层发生台阶错动，破坏煤层结构。后者是影响遗弃资源回收的最大障碍。控制煤(岩)层纵向台阶错动，就是采场围岩力系平衡问题。因此，研究层间岩性及其形成平衡岩层结构的条件，乃是研究遗弃资源回收机理的基本方法之一。 遗弃资源回收与围岩平衡由采场上覆岩层破坏及移动规律可知，采场上覆岩体在垂直方向上可分为冒落带、裂隙带及弯曲下沉带。从围岩平衡的观点可分为非平衡带(即冒落带)、部分平衡带(相当于裂隙的下位岩层)、平衡带(相当于裂隙带下位岩层之上的岩

45、层)。沿走向可分为原始应力区、煤壁支撑区、离层区、重新压实区及稳定区。在煤壁支撑区内，下有采面煤壁及其上方岩体所支撑，故上部水平拉伸及下部压缩变形剧增；在离层区，铅垂方向受拉伸，故上下离层变形最充分；而在重新压实区内，顶板下沉被采空区矸石所支撑，故采动裂隙重新闭合压实。从而说明裂隙带岩层在下沉过程中岩块间相互咬合可形成“采面煤壁及其上方岩体一采空区垮落矸石”为支撑体系的平衡岩层结构。裂隙带的下位岩层可形成以“煤壁一支架一矸石”为支撑体系的岩层结构。这种岩层结构在支架参与下亦可形成平衡岩层结构。平衡岩层结构能阻止上覆岩(煤)层纵向台阶错动。因此，当上煤层位于距煤层最近的平衡岩层之上时，即可遗弃资

46、源回收。 遗弃资源回收的基本原则 (1)当采场上覆岩中有较坚硬岩层时，上煤层应位于距下煤层最近的平衡岩层之上。 (2)当上覆岩层均为软岩时，上煤层应位于裂隙带内。 (3)上煤层的开采应在下煤层开采引起的岩层移动稳定之后进行。(4)遗弃资源回收有必要的层间距。 遗弃资源回收应采取如下技术措施(1)当煤层间距较小时，上煤层移动曲线应达到充分采动。要求下煤层工作面尺寸足够大，应采用长壁采煤法，使上煤层达到该地质技术条件下的最大面积均匀下沉。同时，要合理布置上煤层的开采边界。 (2)下煤层应采干净，不留残柱，故下煤层最好采用无煤柱护巷。(3)加快采煤工作面推进速度。受下部采动影响的上煤层总要经历拉伸、

47、倾斜和压缩变形作用而后趋于稳定。提高采面推进速度，连续采煤，可缩短变形过程，减少变形程度。(4)上煤层巷道应在下煤层升采引起的岩层移动稳定之后开掘。煤层采出之后，覆岩冒落、移动至移动稳定，有一个时间发展过程。据实测资料，当覆岩为坚硬岩层时，裂隙带发展到最高后，达到稳定，一般历时24个月；顶板为中硬岩层时，裂隙带发育到最高后，稳定，一般历时为13个月；当顶板为软岩层时，裂隙带发展到最高而后稳定的时间一般为12个月。总之，遗弃资源回收时，上、下煤层的开采应间隔足够的时间。否则，即是有足够的层间距，开采上煤层也会遇到困难。4 遗弃资源回收实测数据分析4.1 顶底位移和两帮位移实测数据分析表4-1 3

48、点顶底位移和两帮位移点号日期顶底位移(mm)两帮位移(mm)备注3点5006-32117-21483-149-1-310-10112312-1113-5-3144-115-15162-5170318-1419-1-82003213522-2-223-1-2240-12523260-327-1328-1-22902图4-1 3点顶底位移和两帮位移在3号监测点，顶底位移和两帮位移的变化有点像正弦函数在围绕着横坐标上下来回摆动。一开始监测时位移变化比较大，随着时间的推移，位移越来越小，且改变也越来越小。29号，顶底位移为0，两帮位移为2，接近横轴。表4-2 4点顶底位移和两帮位移点号日期顶底位移(m

49、m)两帮位移(mm)备注4点5006011671-10081-89-667106431110120-413-1-814091501160-1170018-14192-620-24211-222-12231-5240105253-10226-47271-628-1029-12图4-2 4点顶底位移和两帮位移在4号监测点，两帮位移有四次较大的位移，而顶底位移出现了两次，除此之外，其余时间都在横轴附近，而从图上可以看出两帮距离比顶底距离更加稳定，遗弃资源回收对此点造成的影响相对较小。表4-3 5点顶底位移和两帮位移点号日期顶底位移(mm)两帮位移(mm)备注5点5006-5-167318-4-30951410-381110-412-7213-4-11453152-216-4-11724180019-3-1120042103223223-2-524-3-6252926-1-3273-5728-16129-4-2图4-3 5点顶底位移和两帮位移在5号监测点，一开始顶底位移和两帮位移都是负值，在以后的时间里，都开始像正余弦函数一样进行变化，最终在横轴附近。表4-4 6点顶底位移和两帮位移点号日期顶底位移(m