淺埋綜放L工作面開采方法及其礦壓實(shí)測(cè)研究

1、第30卷 第2期 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) Vol.30 No.2 2011年2月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Feb.，2011淺埋綜放L工作面開采方法及其礦壓實(shí)測(cè)研究楊永康，康天合，蘭 毅2，李義寶1 11(1. 太原理工大學(xué) 采礦工藝研究所，山西 太原 030024；2. 神華烏海能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏海 016000)摘要：根據(jù)路天煤礦16#煤層的具體條件，提出并成功實(shí)踐L形巷道布置的開采方法。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析，研究L工作面淺埋綜放開采時(shí)頂煤和頂板的垮落特征、支架的工作阻力、地表塌陷規(guī)律及填埋碾壓技術(shù)等，分析L工作

2、面頂板破裂擴(kuò)展及分塊垮落順序，建立淺埋綜放開采的拱臺(tái)階巖梁組合力學(xué)模型，揭示淺埋綜放的覆巖移動(dòng)規(guī)律及破煤機(jī)制，并給出維護(hù)頂板穩(wěn)定的支架阻力計(jì)算公式。研究結(jié)果表明：(1) L工作面開采方法是一種高效、安全、高回收率的采煤方法，采露頭煤或者露天轉(zhuǎn)井工開采時(shí)可以借鑒；(2) 在合適的煤層條件下，淺埋深放頂煤開采在技術(shù)上是可行的；(3) 周期來壓步距隨覆蓋層厚度的增加呈增大的趨勢(shì)；(4) 工作面中部周期來壓顯現(xiàn)明顯；(5) 地表變形垮落可分為4個(gè)階段，填埋碾壓應(yīng)分2個(gè)階段進(jìn)行；(6) 為提高端面頂板和煤壁的穩(wěn)定性，應(yīng)提高支架初撐力。研究結(jié)果對(duì)類似條件下的開采方法及礦壓規(guī)律研究具有積極的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞

3、：采礦工程；淺埋深厚煤層；L形巷道布置；開采方法；綜放開采；礦壓特征中圖分類號(hào)：TD 32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：10006915(2011)02024410STUDY OF MINING METHOD OF L-SHAPED WORKING FACE BYFULLY-MECHANIZED SUBLEVEL CAVING MINING IN SHALLOW-BURIED THICK COAL SEAM AND ITS UNDERGROUND PRESSUREFIELD OBSERVATIONYANG Yongkang1，KANG Tianhe1，LAN Yi2，LI Yibao1(1. I

4、nstitute of Mining Technology，Taiyuan University of Technology，Taiyuan，Shanxi 030024，China；2. Shenhua Wuhai Energy Co.，Ltd.，Wuhai，Inner Mongolia，016000，China)Abstract：Based on the conditions of #16 coal seam of Lutian coal mine，a new mining method adopting the roadway layout with L-shape is proposed

5、 and carried out successfully. The caving characteristics of the top coal and roof，the working resistances of the powered support，the subsidence and collapse rules of the ground surface，the backfill and the roller compaction technology and the other aspects of the fully-mechanized top coal caving fo

6、r the shallow-buried thick coal seam are studied by field observation. The evolution of the roof rupture and collapse is analyzed. The mechanical model of arch and step voussoir beam combination is established. The movement law of overlying strata and the crushing mechanism of the top coal are revea

7、led；and the powered support resistance formula for controlling roof stability is put forward. The study results show as follows：(1) The mining method of L-shaped working face is a kind of method with high efficiency，safety and high recovery；it is a meaningful reference to outcrop mining or transitio

8、n from open-pit to underground mining. (2) It is feasible in technology to use fully-mechanized sublevel caving mining for the shallow-buried thick coal seam under the appropriate mining conditions. (3) The periodic weighting step distance increases with the increasing thickness of overlying strata.

9、 (4) The periodic weighting is obvious in the middle of working face. (5) The subsidence and collapse of the ground surface can be divided into 4 stages；the backfills and the roller compaction should be divided into 2 stages. (6) In 收稿日期：20100719；修回日期：20101117基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50974093，51004075，5047

10、4057)作者簡介：楊永康(1981)，男，2006年畢業(yè)于太原理工大學(xué)采礦工程專業(yè)，現(xiàn)為博士研究生，主要從事巖石力學(xué)、采礦工程等方面的研究工作。E-mail：yongkang8396。通訊作者：康天合(1959)，男，現(xiàn)任教授、博士生導(dǎo)師。E-mail：kangtianhe第30卷 第2期 楊永康，等. 淺埋綜放L工作面開采方法及其礦壓實(shí)測(cè)研究 245 order to enhance the stabilities of the roof and the coal wall，it is essential to increase the initial supporting force o

11、f powered support. The results can be referred for further studies in similar conditions. Key words：mining engineering；shallow-buried thick coal seam；roadway layout with L-shape；mining method；fully-mechanized sublevel caving mining；underground pressure characteristics1 引 言我國西北地區(qū)賦存大量的淺埋煤層，其儲(chǔ)量約占全國已探明煤

12、炭總儲(chǔ)量的1/3，大部分淺埋煤田煤層上方基巖較薄，地表為松散覆蓋層。實(shí)踐表明，該類淺埋深工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈，松散覆蓋層隨基巖層移動(dòng)、垮落至地表，易發(fā)生壓架、涌水潰沙事故1。為探索淺埋深回采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作。黃慶享等14提出短砌體梁結(jié)構(gòu)和臺(tái)階巖梁結(jié)構(gòu)模型，揭示了頂板強(qiáng)烈來壓和臺(tái)階下沉是由結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)造成的。侯忠杰5，6用關(guān)鍵層判據(jù)系統(tǒng)地研究了淺埋煤層頂板控制理論。方新秋等7根據(jù)巖層控制理論對(duì)合理強(qiáng)制放頂距進(jìn)行研究。王金安等8通過數(shù)值模擬分析了淺埋堅(jiān)硬覆巖下開采地表塌陷機(jī)制。李新元和陳培華9根據(jù)實(shí)測(cè)分析了淺埋深松軟覆巖條件下的壓力拱平衡與失穩(wěn)破壞規(guī)律。宋選民等10通

13、過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析了工作面長度對(duì)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的影響。但這些研究成果都是基于普通綜采或大采高綜采方面的研究，對(duì)淺埋深厚煤層綜放開采方面的理論和實(shí)踐研究較少。綜放開采對(duì)煤層厚度適應(yīng)性強(qiáng)、礦壓顯現(xiàn)相對(duì)緩和11。隨著國家開發(fā)西部能源步伐的加大，在淺埋深厚煤層中，綜放開采必將成為其主要采煤方法之一。因此，很有必要對(duì)淺埋深厚煤層條件下綜放開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行研究。本文根據(jù)路天礦煤層露頭的實(shí)際情況，基于防水、防火、高產(chǎn)、高效的理念，創(chuàng)造性地提出L工作面開采方法；以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)為基礎(chǔ)，在地面真實(shí)觀測(cè)了頂煤的冒放規(guī)律；研究了薄基巖松散覆蓋層淺埋深綜放工作面的礦壓特征；證明在合適的煤層條件下，淺埋深厚煤層綜放開采也可以獲

14、得成功。2 工作面開采條件2.1 地質(zhì)概況神華集團(tuán)海勃灣礦業(yè)有限責(zé)任公司路天煤礦現(xiàn)開采16#煤層，埋深2200 m，厚度7.68.0 m，平均7.8 m，單軸抗壓強(qiáng)度1013 MPa，傾角825，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，節(jié)理裂隙發(fā)育，含硫量高，由于礦區(qū)多風(fēng)少雨等原因，地表堆放46個(gè)月就可能自燃；底板為35 m的灰白色細(xì)粒砂巖；直接頂為深灰色層狀泥巖或者砂質(zhì)泥巖，煤層至地表基巖屬第四紀(jì)沉積。 2.2 開采方法選擇路天煤礦于1970年12月建成投產(chǎn)，原設(shè)計(jì)為露天開采，1998年12月由于剝離層厚，剝采比達(dá)101，成本高，加之煤炭市場(chǎng)不景氣，露天煤礦被迫關(guān)井壓產(chǎn)。1999年4月開始小井生產(chǎn)，采用短壁工作面炮采

15、和機(jī)動(dòng)三輪車運(yùn)輸?shù)南镏讲擅?，后續(xù)在南翼的工作面又采用高檔普采和綜采(棄采底煤)，回收率低、效率不高，現(xiàn)代化采煤工藝成為必然選擇。若采用大采高支架(H = 5 m)，可采4.74.8 m厚的煤層，這樣將會(huì)使3 m的煤層丟失，回采率僅為60%，顯然資源浪費(fèi)太大；若采用分層開采，不僅成本高，產(chǎn)量低，而且下分層巷道難維護(hù)，上分層采空區(qū)的殘煤、積水和自燃火等對(duì)下分層開采造成威脅12，13。因此，采用綜放開采是最佳的選擇。2004年3月2005年4月在南翼進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，工作面回采率達(dá)到80%85%，效果非常好。 2.3 L工作面概況北翼采區(qū)在露天開采后，沿剝離煤壁的淺部布置過部分小井進(jìn)行回采，并有巷柱式

16、開采的煤柱。露天轉(zhuǎn)井工開采的傳統(tǒng)方法是在露頭處留設(shè)保安煤柱，然后布置正規(guī)的回采工作面，同時(shí)要考慮井工開采對(duì)露天邊坡及地表的影響1417。淺埋綜放采空區(qū)易與地表貫通，透風(fēng)漏氣嚴(yán)重，露頭與采空區(qū)均有水火隱患，保安煤柱防水作用不明顯，密實(shí)封閉露頭與采空區(qū)是安全生產(chǎn)的保障。為了提高資源回收率，防止煤層露頭自燃發(fā)火18，19，路天礦提出L工作面開采方法，巷道布置如圖1所示。沿原露天開采剝離掌子面開采，工作面僅一條順槽擔(dān)負(fù)通風(fēng)與運(yùn)輸，通風(fēng)方式采用壓入式，工作面機(jī)尾和設(shè)備列車布置在地面，如圖2所示。工作面走向推進(jìn)長度640 m，傾斜長度160222 m，即工作面在開切眼處長160 m，停采線處長 246 巖

17、石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2011年圖1 L工作面巷道布置圖Fig.1 Roadway layout of L-shaped working face (a) 機(jī)尾(b) 設(shè)備列車 圖2 機(jī)尾和設(shè)備列車置于地面Fig.2 Tail of belt conveyor and the equipment train on ground222 m，隨工作面的推進(jìn)，在工作面東部煤層露頭側(cè)增加支架，如圖3所示。圖3 工作面變長時(shí)增加的液壓支架Fig.3 Powered support added when working face islengthenedL工作面16#煤層埋深為275 m，平均45 m，是目前

18、全世界埋深最淺的放頂煤工作面。底層機(jī)采高度2.5 m，放煤高度5.3 m，采用多輪順序分段放煤，兩采一放，放煤步距1.2 m。選用舊綜采支架改裝的ZF5600/17/33型支撐掩護(hù)式綜放液壓支架，設(shè)計(jì)工作阻力5 600 kN，初撐力5 232 kN，選用MG475型采煤機(jī)，SZZ730/160型轉(zhuǎn)載機(jī)，SG764/400型刮板機(jī)。3 礦壓監(jiān)測(cè)儀器及測(cè)站布置3.1 監(jiān)測(cè)目的淺埋深厚煤層綜放開采沒有成熟的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，在L工作面進(jìn)行液壓支架工作載荷監(jiān)測(cè)的目的是為埋深在100 m以內(nèi)淺埋深工作面放頂煤開采的可行性研究、合理工藝參數(shù)選擇和支架選型提供依據(jù)，揭示淺埋深條件下放頂煤開采的礦壓規(guī)律。 3.2

19、 監(jiān)測(cè)儀器選用KBJ60III1礦用數(shù)字壓力計(jì)和KBJ60III2礦用壓力數(shù)據(jù)采集器。該產(chǎn)品是用于監(jiān)測(cè)支架壓力參數(shù)的智能化儀表，采用紅外無線數(shù)據(jù)通訊和改進(jìn)的電池供電系統(tǒng)，可長期在井下使用，無需維護(hù)。設(shè)置壓力分機(jī)記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為20 min，連續(xù)記錄并自動(dòng)存儲(chǔ)，工作人員每2 d下井采集一次數(shù)據(jù)。 3.3 測(cè)站布置開始進(jìn)行礦壓觀測(cè)時(shí)L工作面已推進(jìn)248 m，工作面傾斜長度為222 m，布置液壓支架148架。由機(jī)頭至機(jī)尾依次為支架1，2，148，壓力分機(jī)分別布置在支架10，37，69，101和133上，即沿工作面傾斜方向布置5個(gè)測(cè)站，分別距機(jī)頭15.0，55.5，103.5，151.5和199.

20、5 m，對(duì)應(yīng)埋深分別為70，57，42，27和11 m。4 煤層開采引起的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律4.1 頂煤的斷裂與垮落特征(1) 頂煤的初次垮落當(dāng)工作面推進(jìn)6.2 m時(shí)，頂煤全厚初次垮落(見圖4(a)。(2) 頂煤的垮落角頂煤垮落角的最大值為90，最小值為73.6，平均值為82。頂板斷裂或來壓影響期間，垮落角第30卷 第2期 楊永康，等. 淺埋綜放L工作面開采方法及其礦壓實(shí)測(cè)研究 247 (a) 頂煤初次垮落(b) 頂煤在煤壁上方斷裂(c) 頂煤在頂梁前端斷裂(d) 頂煤在支架頂梁前部斷裂，在后部垮落(e) 頂煤在支架頂梁中部斷裂(f) 頂煤在支架上方多處斷裂圖4 頂煤頂板垮落情況Fig.4 Coll

21、apse of top coal and roof的平均值為86.8。(3) 頂煤的超前垮落基本頂周期來壓時(shí)，基本頂結(jié)構(gòu)前支撐點(diǎn)失穩(wěn)，結(jié)構(gòu)超前斷裂、下落旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致頂煤在煤壁上或頂梁前端斷裂(見圖4(b)，(c)；當(dāng)支架向上頂推時(shí)，導(dǎo)致頂煤在支架上方不同位置斷裂(見圖4(d)(f)。 4.2 頂板活動(dòng)特點(diǎn)(1) 頂板初次來壓在L工作面上部，由于埋深淺，僅有直接頂而無基本頂。在L工作面下部，有直接頂和基本頂，直接頂厚10.2 m，放頂煤開采煤厚7.8 m，則基本頂分級(jí)指標(biāo)N = 1.31。由于礦壓監(jiān)測(cè)開始較晚，沒能獲得初次來壓前后的礦壓特征。預(yù)測(cè)直接頂初次垮落步距l(xiāng) = 13 m，基本頂初次來壓步

22、距L0= 21.56 m。根據(jù)原煤炭部頂板分類方案，確定L工作面直接頂為2類中等穩(wěn)定頂板，老頂為來壓明顯的II級(jí)頂板20。(2) 周期來壓步距各測(cè)站頂板周期來壓步距如表1所示，其中，支架37數(shù)據(jù)丟失?？梢钥闯?，在礦壓監(jiān)測(cè)期間，工作面長度方向周期來壓出現(xiàn)不同步現(xiàn)象。第10支架處(埋深70 m)共經(jīng)歷7次周期來壓，其中最小步距6.60 m，最大步距18.60 m，平均14.10 m，變化范表1 各測(cè)站頂板周期來壓步距Table 1 Periodic weighting step distances of roof in different observational stations來壓來壓步距/

23、m 步次支架10 支架69 支架101 支架133 1 2 18.60 7.20 12.60 6.60 3 15.60 8.40 9.00 6.00 418.60 7.20 5.40 4.20 5 6.60 7.80 6.00 9.00 6 12.00 8.40 7.20 8.40 7 13.20 10.80 6.00 3.00 8 7.20 3.60 3.00 9 3.60 8.40 3.60 10 6.007.804.8011 11.40 6.60 13.20 12 7.80 10.206.0013 2.40 14 6.60 15 6.00 平均14.107.807.535.91 248

24、巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2011年圍比較大；支架69處(埋深42 m)共經(jīng)歷12次周期來壓，其中最小步距3.60 m，最大步距11.40 m，平均7.80 m；支架101處(埋深27 m)共經(jīng)歷12次周期來壓，其中最小步距3.60 m，最大步距12.60 m，平均 7.52 m；支架133處(埋深11 m)共經(jīng)歷16次周期來壓，其中最小步距2.40 m，最大步距13.20 m，平均5.91 m。整個(gè)工作面周期來壓步距最大18.60 m，最小2.40 m，平均8.80 m。在試驗(yàn)工作面埋深275 m條件下，隨著埋深增加，頂板巖層厚度增大，周期來壓步距有增大趨勢(shì)。 4.3 頂板周期來壓強(qiáng)度表2為各測(cè)站

25、部位周期來壓支架載荷特征。由表2可知，工作面中部周期來壓顯現(xiàn)明顯，工作面下部隨著覆巖厚度的增加，支架載荷有增大趨勢(shì)。表2 各測(cè)站部位周期來壓支架載荷特征Table 2 Load characteristics of powered support in differentobservational stations支架 來壓峰值載荷/MPa 動(dòng)載系數(shù) 編號(hào) 實(shí)測(cè)值 平均值 實(shí)測(cè)值平均值10 2 4924 901 3 690 1.201.63 1.48 692 6583 2393 086 1.152.98 1.76 101 3 2394 984 4 305 1.242.99 1.81 133 2

26、 0773 9042 6751.172.03 1.614.4 支架的支護(hù)阻力圖5為液壓支架平均初撐力分布直方圖?？梢?，4個(gè)支架整架平均初撐力在5003 000 kN/架主要分布區(qū)間內(nèi)呈偏正態(tài)分布。在01 500 kN/架區(qū)間內(nèi)，頻率與液壓支架平均初撐力呈y=14.115x9.013 3(R2=0.984 6)的線性規(guī)律上升；在1 000 5 000 kN/架區(qū)間內(nèi)，頻率與液壓支架平均初撐力呈y=17.236lnx+32.382(R2=0.963 6)的對(duì)數(shù)規(guī)律下降。支架的初撐力最小為83 kN，最大為4 651 kN，40%/ 率頻20平均初撐力/(kN架1)圖5 液壓支架平均初撐力分布直方圖

27、Fig.5 Histogram of average initial supporting force distribution of powered support平均為1 535 kN，初撐力在5002 500 kN之間的循環(huán)占84%以上，實(shí)測(cè)支架初撐力僅為設(shè)計(jì)額定初撐力(5 232 kN)的1.59%88.90%，平均為29.34%，因此支架的實(shí)際初撐力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)初撐力。一方面頂板覆巖厚度小，導(dǎo)致初撐力損失；另一方面是由泵站壓力低和操作不到位所致。圖6為液壓支架平均工作阻力分布直方圖。可見，4個(gè)支架循環(huán)末整架工作阻力在5003 500 kN/架主要分布區(qū)間內(nèi)呈近似正態(tài)分布。在02 50

28、0 kN/架區(qū)間內(nèi)，頻率與液壓支架工作阻力呈y=14.004lnx+1.319 2(R2=0.958 6)的對(duì)數(shù)規(guī)律上升；在 2 0005 000 kN/架區(qū)間內(nèi)，頻率與液壓支架工作阻力呈y=13.527lnx+23.308(R2=0.944 2)的對(duì)數(shù)規(guī)律下降，在4 5005 000 kN/架區(qū)間存在的來壓動(dòng)載頻率為2.55%。液壓支架各循環(huán)末最小工作阻力為0，為系統(tǒng)漏液所致，最大為4 984 kN/架，平均為2 088 kN/架，工作阻力為5003 500 kN的循環(huán)占91.67%，實(shí)測(cè)循環(huán)末支架工作阻力為支架設(shè)計(jì)額定工作阻力(5 600 kN)的0%89%，平均37.29%，說明支架的實(shí)

29、際工作阻力低于設(shè)計(jì)工作阻力。按照來壓期間統(tǒng)計(jì)的支架最大阻力確定的工作面的合理工作阻力為5 0945 345 kN，因此選用ZF5600/17/33型支架的額定工作阻力為5 600 kN是合理的。25 20%15 /率頻 10 2 000平均工作阻力/(kN架1)圖6 液壓支架平均工作阻力分布直方圖Fig.6 Histogram of average working resistance distribution ofpowered support在所監(jiān)測(cè)的147個(gè)循環(huán)中，4個(gè)支架前、后柱循環(huán)末工作阻力的平均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3，前柱平均值為623 kN，后柱平均值為415 kN，表現(xiàn)為循環(huán)末工作阻

30、力前柱大于后柱的特征。這是由于循環(huán)中頂煤不斷放出，出現(xiàn)超前冒落，冒落角達(dá)到90110，致使后柱上方頂煤傳力不佳。另外，L工作面的監(jiān)測(cè)結(jié)果也表明，支架循環(huán)末工作阻力Pm與初撐力P0之間表現(xiàn)為線性關(guān)系(見圖7)。第30卷 第2期 楊永康，等. 淺埋綜放L工作面開采方法及其礦壓實(shí)測(cè)研究 249 表3 支架循環(huán)末工作阻力Table 3 Values of working resistance of powered support支架編號(hào)前柱10 69 101 133 平均循環(huán)末工作阻力/(kN架1)表4 地表觀測(cè)點(diǎn)距煤層的垂直深度Table 4 Vertical depths from surface

31、 measuring point to coalseam整架測(cè)點(diǎn)編號(hào)垂直深度/m測(cè)點(diǎn)編號(hào)垂直深度/m后柱908 192 2 200 860 70 1 917 312 928 2 480 410 468 1 756 623 415 2 0881# 7# 57.2 2# 8# 59.5 3# 9# 62.9 4#10# 65.6 5#11# 69.4)1架 Nk(/ 力阻 作工末1 900 環(huán) 循1 3001 5001 7001 900初撐力/(kN架1)圖7 實(shí)測(cè)支架初撐力與循環(huán)末工作阻力關(guān)系 Fig.7 Relationship between initial supporting force

32、 andworking resistance4.5 地表塌陷規(guī)律及填埋碾壓技術(shù)淺埋綜放工作面采空區(qū)地面塌陷嚴(yán)重，采空區(qū)寬大裂縫直通地表。在淺埋綜放工作面采空區(qū)地面實(shí)施填埋碾壓或澆水封閉采空區(qū)時(shí)，需要了解采空區(qū)上方地表的變形、斷裂、垮落和沉陷。2005年9月24日10月22日，使用尼康DTM531E型全站儀在L工作面對(duì)此進(jìn)行了系統(tǒng)的觀測(cè)。(1) 觀測(cè)點(diǎn)布置在地面超前回采工作面煤壁一定距離設(shè)觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)點(diǎn)的布置如圖8所示，地表觀測(cè)點(diǎn)距煤層的垂直深度見表4。界邊部上圖8 測(cè)點(diǎn)布置(單位：m)Fig.8 Layout of measuring points(unit：m)(2) 地表塌陷規(guī)律6#12#

33、 73.9各測(cè)點(diǎn)測(cè)得的回采工作面煤壁前后地表塌陷測(cè)定結(jié)果如圖9所示(圖中，橫坐標(biāo)正值表示煤壁前方，負(fù)值表示煤壁后方)?？梢?，距工作面越近，越早進(jìn)入位移變化區(qū)；工作面中部垂直下沉量較大且速率較快，位于下端頭的12#測(cè)點(diǎn)垂直下沉量最小且變化速率也最慢。工作面煤壁前后地表塌陷垮落可分為4個(gè)階段： 在工作面煤壁前方，地表略有隆起； 在支架控頂區(qū)范圍內(nèi)，地表有微小的下沉； 在煤壁后方525 m，甚至30 m內(nèi)為地表急劇塌陷范圍，該數(shù)值隨覆巖厚度的增加而增加； 在煤壁后方2530 m以外為緩慢沉降、塌實(shí)階段，該階段或范圍隨覆巖厚度的增加而增加，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)一般在100 m以上。1 000mm /量沉 下直

34、垂# 4030201010至煤壁距離/m圖9 測(cè)點(diǎn)垂直下沉量與至煤壁距離的關(guān)系曲線 Fig.9 Relation curves of measuring point subsidence anddistance from measuring point to coal wall距煤壁后方20 m時(shí)，工作面長度方向各點(diǎn)的垂直下沉量分布如圖10所示?？梢?，距上部邊界0142 m范圍內(nèi)，垂直下沉量隨埋深增加而增大；距上部邊界142190 m范圍內(nèi)，垂直下沉量隨埋深增加而減小。說明L工作面存在塌陷盆地，長度方向的盆地中心距上部邊界約142 m。工作面長度方向深淺部裂隙存在明顯的差異。淺部頂板隨采隨垮，

35、松散覆蓋層整體下沉，積砂區(qū)呈現(xiàn)臺(tái)階狀地表崩塌(見圖11(a)；11#測(cè)點(diǎn)附近出現(xiàn) 250 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2011年距上部邊界距離 /mmm/量沉下直垂圖10 工作面長度方向各點(diǎn)的垂直下沉量分布 Fig.10 Distribution of subsidence of measuring points alonglength direction of working face(a) 2#測(cè)點(diǎn)附近(b) 11#測(cè)點(diǎn)附近圖11 地表塌陷Fig.11 Collapse of ground surface一條張開度達(dá)250 mm的張拉裂縫，主裂縫周圍衍生部分裂隙(見圖11(b)；3#，6#測(cè)點(diǎn)附近

36、均出現(xiàn)類似于11#測(cè)點(diǎn)的張拉裂縫，最大張開度分別為114和183 mm；其他位置變形、垮落后出現(xiàn)裂縫，隨著時(shí)間延長，裂縫迅速擴(kuò)大后又緩慢閉合，同時(shí)衍生出更多的裂隙，裂隙持續(xù)發(fā)育，縱橫交錯(cuò)。工作面長度方向距煤壁20 m、距上部邊界0158 m范圍內(nèi)，工作面長度方向的裂隙數(shù)目隨埋深增加而增多；距上部邊界158190 m范圍內(nèi)，11#測(cè)點(diǎn)附近裂隙最多。(3) 填埋碾壓位置及階段劃分根據(jù)地表塌陷規(guī)律，確定填埋碾壓分2次、2個(gè)階段進(jìn)行：滯后工作面煤壁3050 m進(jìn)行第1次填埋碾壓(見圖12)，填平由于塌陷產(chǎn)生的溝槽、裂縫和孔洞。(a) 推土機(jī)填埋碾壓(b) 采后露頭填埋圖12 填埋碾壓情況Fig.12

37、Backfill and roller compaction滯后工作面煤壁100120 m進(jìn)行第2次填埋碾壓，填平由于緩慢沉陷形成的二次裂縫和由于雨水澆灌形成的塌陷坑，以及由于塌陷產(chǎn)生的溝槽、裂縫和孔洞(見圖13)。(a) 二次沉陷裂縫(9#測(cè)點(diǎn)附近)(b) 二次塌陷坑(6#測(cè)點(diǎn)附近)圖13 填埋碾壓后二次塌陷情況Fig.13 Secondary collapse after first backfill and rollercompaction5 L工作面頂板結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性分析淺埋綜放L工作面在開采過程中，頂板結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與深埋條件下基本頂懸露后的離層運(yùn)動(dòng)不同，但頂板結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生周期性破斷，破斷后的

38、巖塊也相互鉸接呈現(xiàn)新的形態(tài)。 5.1 L工作面頂板破裂發(fā)展根據(jù)觀測(cè)，推測(cè)L工作面頂板破裂擴(kuò)展及分塊垮落順序如圖14所示。分析認(rèn)為：(1) 在埋深很淺的條件下，上覆嚴(yán)重風(fēng)化的軟弱破碎巖層很難自穩(wěn)，第30卷 第2期 楊永康，等. 淺埋綜放L工作面開采方法及其礦壓實(shí)測(cè)研究 251 運(yùn)輸順槽上部邊界圖14 頂板破裂發(fā)展的形狀和垮落順序示意圖 Fig.14 Sketch of shape of evolution of roof rupture andcollapse sequence隨著埋深的增加，上覆巖層受風(fēng)化影響減小，巖體質(zhì)量有所改善，巖體的穩(wěn)定性增強(qiáng)，周期來壓步距會(huì)有所增加；(2) 工作面上部直

39、接與地表貫通，沒有煤柱對(duì)頂板產(chǎn)生支撐作用，頂板會(huì)隨工作面的推進(jìn)隨采隨垮，有利于頂煤的冒放，下順槽煤柱對(duì)頂板的支撐形成三角區(qū)域，有利于增大周期來壓步距。這也是工作面長度方向上的塌陷盆地中心偏離工作面中部的原因。5.2 拱臺(tái)階巖梁組合力學(xué)模型根據(jù)L工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和相似模擬試驗(yàn)，開采過程中頂煤為半拱式冒落，滑移體放出，直接頂分層分次垮落，基本頂為臺(tái)階巖梁結(jié)構(gòu)。沒有基本頂時(shí)，頂煤上方的風(fēng)化層、松散層在支架控頂區(qū)作較重的載荷層運(yùn)動(dòng)，表現(xiàn)為重載荷作用下的整體下沉運(yùn)動(dòng)，支架一直處于給定載荷狀態(tài)。有基本頂時(shí)，淺埋煤層由于覆蓋層作用也很難形成穩(wěn)定的砌體結(jié)構(gòu)，只能形成暫時(shí)的平衡結(jié)構(gòu)，各層基本頂變形破壞不能協(xié)調(diào)同步

40、，工作面來壓強(qiáng)度較沒有基本頂時(shí)小，但失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為架后基巖整體臺(tái)階切落。架后切落前基本頂關(guān)鍵塊的前鉸點(diǎn)位于架后，上位基本頂受上覆載荷作用整體下沉，下位基本頂可能產(chǎn)生離層，其組合模型如圖15所示?；卷敿芎笄新浜笮纬傻慕Y(jié)構(gòu)如圖16所示。巖塊E隨工作面推進(jìn)回轉(zhuǎn)受到巖塊F在點(diǎn)C的支撐，此時(shí)巖塊F基本處于壓實(shí)狀態(tài)，則巖塊F的下沉量S為S=MMd(1K2)KP(KP1)h (1)圖15 拱臺(tái)階巖梁組合力學(xué)模型Fig.15 Mechanical model of arch and step voussoir beamcombination圖16 架后切落結(jié)構(gòu)形態(tài)Fig.16 Structure form

41、of roof rupture behind powered support巖塊E回轉(zhuǎn)角1滿足：sin1=S/L (2)控制臺(tái)階巖梁結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)的支護(hù)力R1t為Rsin1max+sin10.5tii2isinP1 (3)1max+sin1式(1)(3)中：M為煤層厚度，Md為頂煤厚度，K2為頂煤放出率，KP為頂煤碎漲系數(shù)，KP為直接頂碎漲系數(shù)，h為直接頂厚度，i=H/h為基本頂巖塊塊度，P1為載荷層自重，1max為巖塊E最大回轉(zhuǎn)角。5.3 合理支護(hù)阻力的確定(1) 沒有基本頂時(shí)，支架支撐頂煤及覆巖自重，周期來壓時(shí)的合理支護(hù)阻力P為PMdd+h+P1 (4)式中：d為頂煤的容重，為直接頂?shù)娜葜亍?/p>

42、 252 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2011年(2) 有基本頂時(shí)，支架除支撐頂煤和直接頂板的巖重外，還應(yīng)滿足臺(tái)階巖梁的平衡條件，由此估算周期來壓時(shí)支架的合理支護(hù)阻力P為PMisin1max+sin10.5dd+h+i2isinP1 (5)1max+sin15.4 淺埋綜放破煤機(jī)制研究傳統(tǒng)的放頂煤理論認(rèn)為，放頂煤開采是利用工作面前方支承壓力對(duì)頂煤的壓裂作用，使之在冒放區(qū)能破碎成理想的塊度，即在工作面前方就已經(jīng)出現(xiàn)變形區(qū)和壓裂區(qū)11。拱臺(tái)階巖梁的支撐點(diǎn)位于控頂區(qū)上方或后方，結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)后的力只能傳遞給控頂區(qū)上方的直接頂和頂煤，因此淺埋深放頂煤工作面前方?jīng)]有明顯支承壓力，頂煤也不會(huì)超前破裂。由煤體向采空區(qū)

43、方向，頂煤只存在松動(dòng)破碎區(qū)和冒放區(qū)2個(gè)區(qū)域。松動(dòng)區(qū)位于支架控頂區(qū)上方，支架反復(fù)支撐卸載前移作用下，頂煤逐漸破碎松動(dòng)，由下而上位移減小；冒放區(qū)位于支架頂梁尾部和放煤口上方，打開放煤口下位松散頂煤首先放出，上位頂煤往往擠壓成拱，擺動(dòng)尾梁或破碎桿等破壞拱腳，可使頂煤進(jìn)一步松動(dòng)而放出。結(jié)合圖4及相似模擬試驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)：當(dāng)工作面來壓時(shí)，頂煤在上覆重載荷作用下以剪切破斷為主；當(dāng)無主動(dòng)支護(hù)或主動(dòng)支護(hù)較小時(shí)，在煤壁線附近發(fā)生切落；當(dāng)主動(dòng)支護(hù)達(dá)到一定值時(shí)，在支架上方產(chǎn)生拉斷裂隙，在自重載荷作用下從架后二次切落。因此，增加支架對(duì)頂煤的反復(fù)支撐，可對(duì)頂煤冒放性產(chǎn)生明顯影響。在礦壓觀測(cè)期間，當(dāng)周期來壓時(shí)，在工作面下部發(fā)生

44、過較為明顯的漏頂現(xiàn)象，冒落高度達(dá)0.31.0 m，長度達(dá)512 m。分析認(rèn)為，進(jìn)行帶壓移架，移架到位后應(yīng)打足支架的初撐力以減少端面處頂煤所受的剪應(yīng)力作用，從而保證端面的穩(wěn)定。6 討論與結(jié)論采用L工作面布置，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。主要表現(xiàn)為：(1) 提高資源回收率。露頭部分已被小井巷柱式回采，留有大量煤柱，布置L工作面后，對(duì)原小井煤柱全部回收，回采率達(dá)到90%以上。(2) 有利于安全生產(chǎn)。露頭部分煤炭資源全部回收，防止煤炭自燃現(xiàn)象發(fā)生；解決了小井空巷積水對(duì)大井開采的危害。(3) 采區(qū)布置更加簡單。不掘回風(fēng)順槽，簡化了作業(yè)程序，設(shè)備可直接從上出口撤上地面，材料可直接進(jìn)入工作面，省時(shí)、省工、省

45、電；通風(fēng)線路短，工作面污風(fēng)直接排出地面，不存在瓦斯集聚。但現(xiàn)場(chǎng)施工要注意以下3點(diǎn)：(1) 工作面機(jī)尾設(shè)備防凍問題，部分設(shè)備列車在地面，需解決防曬、防雨問題。(2) 只適用于靠近露頭的第一個(gè)工作面，可適當(dāng)加大工作面的長度。(3) 回采過空巷時(shí)，必須對(duì)原空巷進(jìn)行支護(hù)。本文針對(duì)路天煤礦16#煤層的具體條件，提出并成功實(shí)踐了L形巷道布置的淺埋綜放開采方法，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，分析了L工作面頂板破裂擴(kuò)展及分塊垮落順序，建立了淺埋綜放開采的拱臺(tái)階巖梁組合力學(xué)模型，揭示了淺埋深放頂煤回采時(shí)不同覆巖移動(dòng)規(guī)律及淺埋綜放破煤機(jī)制，給出了維護(hù)頂板穩(wěn)定的支架阻力確定方法，并得出以下結(jié)論：(1) L工作面能把原小井巷柱式開采

46、留下的煤柱全部回收，大大地提高了煤炭資源回收率，而且防止了煤炭自燃現(xiàn)象的發(fā)生?；夭蓽\埋深、易自燃的露頭煤及露天煤礦轉(zhuǎn)井工開采時(shí)可以借鑒。(2) 在合適的煤層條件下，100 m以內(nèi)淺埋深工作面放頂煤開采在技術(shù)上是可行的。(3) 隨頂板巖層厚度增大，工作面下部周期來壓步距有增大的趨勢(shì)。(4) 工作面中部周期來壓顯現(xiàn)明顯，隨著覆巖厚度的增加，工作面下部支架載荷有增大趨勢(shì)。(5) 淺埋深綜放工作面煤壁前后地表塌陷垮落可分為4個(gè)階段；為了密實(shí)封閉采空區(qū)，填埋碾壓分2個(gè)階段進(jìn)行。參考文獻(xiàn)(References)：1 黃慶享. 淺埋煤層長壁開采頂板結(jié)構(gòu)及巖層控制研究M. 徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2000.

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49、c weighting in longwall faceJ. Journal of China Coal Society，1999，24(6)：581585.(in Chinese)4 余學(xué)義，黃森林. 淺埋煤層覆巖切落裂縫破壞及控制方法分析J.煤田地質(zhì)與勘探，2006，34(6)：1821.(YU Xueyi，HUANG Senlin. Analyzing falling crack failure of overburden strata of shallow coal seam and its control methodJ. Coal Geology and Exploration，2

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