低山丘陵地帶特厚煤層分層綜放開(kāi)采地表巖移規(guī)律及特點(diǎn)

丁小敏,霍宗保,汪占領(lǐng),李 宏

(1.甘肅華亭煤電股份有限公司硯北煤礦,甘肅華亭 744100;2.天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013)

低山丘陵地帶特厚煤層分層綜放開(kāi)采地表巖移規(guī)律及特點(diǎn)

丁小敏1,霍宗保1,汪占領(lǐng)2,李 宏1

(1.甘肅華亭煤電股份有限公司硯北煤礦,甘肅華亭 744100;2.天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013)

通過(guò)對(duì)硯北煤礦地表移動(dòng)觀測(cè)資料的計(jì)算、分析與研究,初步揭示了該礦地表移動(dòng)與變形規(guī)律和特點(diǎn)。為塌陷區(qū)治理、居民搬遷、保護(hù)煤柱的留設(shè)提供基礎(chǔ)參數(shù)。

特厚煤層;巖移規(guī)律;分層綜放開(kāi)采

Surface and Strata M ovement Rules of Full-mechan ized CavingM in ing Extremely Thick Coal Seam in Slices in Low-mounta in Hilly Terra in

硯北煤礦是一個(gè)年生產(chǎn)能力 5.0Mt的特大型機(jī)械化礦井?，F(xiàn)主采中下侏羅系延安組 5號(hào)煤層,具有開(kāi)采煤層厚度大、表土層較厚的特點(diǎn)。隨著近水平特厚煤層開(kāi)采,地表沉陷變形有一定的特殊性,開(kāi)展地表移動(dòng)規(guī)律研究,為塌陷區(qū)治理、居民搬遷、保護(hù)煤柱的留設(shè)提供基礎(chǔ)參數(shù)。

1 地質(zhì)采礦條件

試驗(yàn)工作面為初采面,該區(qū)域煤層上覆巖層主要有砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖和第四系表土層組成,5號(hào)煤層為主要可采煤層,厚為 22.08～40.96m,平均厚度為 31.0m,地貌形態(tài)是梁峁相間的剝蝕堆積的黃土低山丘陵,地表最高點(diǎn)在楊家山一帶,海拔高度 1630m,最低點(diǎn)在易家坪一帶,海拔高度 1509m,相對(duì)高差 61m。

5號(hào)煤層直接頂板為灰、灰黑色砂質(zhì)泥巖、泥巖,厚 3.2～6.5m,基本頂為灰、灰白色厚層、巨厚層狀粉砂巖夾薄層泥巖,厚 8.0～18.2m。硬度系數(shù) 3.8～4.9,平均 4.4,為中等堅(jiān)固巖石。

底板巖性主要為泥質(zhì)膠結(jié)的含礫粗砂巖、中細(xì)砂巖及粉砂巖和砂質(zhì)泥巖,局部直接底板有薄層泥巖及炭質(zhì)泥巖,硬度系數(shù)隨粒度的增大而減小,粉砂巖 3.4,中砂巖 2.6,粗砂巖 2.1,砂礫巖 1.3,粉砂巖屬不堅(jiān)固至中等堅(jiān)固巖石,中砂巖以上屬不堅(jiān)固巖石。

試驗(yàn)工作面布置在采區(qū)中部,開(kāi)采上分層。走向長(zhǎng) 2100m,傾斜寬 206m,煤層傾角 6～16°,平均采深 450m,采煤方法為走向長(zhǎng)壁傾斜分層綜采放頂煤,其分層厚度為 10.0～25.3m,平均厚16.8m。

2 觀測(cè)站的設(shè)置與觀測(cè)情況

由于本采區(qū)上部地表為低山丘陵的地貌形態(tài),植被茂密,地形復(fù)雜,所以采用主斷面觀測(cè)線,即沿傾向主斷面和走向主斷面設(shè)置觀測(cè)線。2502-05工作面沿傾向主斷面布置 2條觀測(cè)線,由于工作面走向較長(zhǎng),且地形復(fù)雜,所以走向觀測(cè)線僅在開(kāi)切眼一側(cè)布置半條。

整個(gè)觀測(cè)站測(cè)線總長(zhǎng)度 4743m,共布置測(cè)點(diǎn)89個(gè),其中控制點(diǎn) 15個(gè),其間距 40m左右,觀測(cè)點(diǎn) 74個(gè),其間距 50m左右。圖 1為試驗(yàn)工作面地表巖移觀測(cè)站平面位置。

圖1 試驗(yàn)工作面地表觀測(cè)站平面布置

觀測(cè)站于 2006年建立,用鋼筋混凝土灌注制成測(cè)樁。按照《煤礦測(cè)量規(guī)程》進(jìn)行了系統(tǒng)觀測(cè),截止 2008年 11月,進(jìn)行了近 3年時(shí)間的連續(xù)觀測(cè)工作,取得了大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

3 地表移動(dòng)變形參數(shù)

根據(jù)地表移動(dòng)觀測(cè)站的實(shí)測(cè)資料和繪制的各類(lèi)圖紙,采用曲線擬合法和插值法,進(jìn)行求參計(jì)算,得出移動(dòng)過(guò)程和移動(dòng)穩(wěn)定后的各種地表移動(dòng)參數(shù),同時(shí),利用實(shí)測(cè)資料求出下山、上山方向和走向的邊界角、移動(dòng)角、充分采動(dòng)角和裂縫角等,見(jiàn)表1,表 2和表 3。

表1 地表移動(dòng)過(guò)程中變形參數(shù)

表2 地表移動(dòng)穩(wěn)定后變形參數(shù)

表3 地表移動(dòng)穩(wěn)定后角度參數(shù)

根據(jù)所確定的地表移動(dòng)參數(shù),對(duì)傾向觀測(cè)線和走向觀測(cè)線進(jìn)行地表移動(dòng)變形計(jì)算,繪制走向和傾向觀測(cè)線的下沉、變形曲線及下沉速度曲線,見(jiàn)圖2,圖 3。

圖2 傾向主斷面剖面下沉曲線

在地表移動(dòng)變形觀測(cè)工作中,地表測(cè)點(diǎn)在工作面推進(jìn) 190.5m時(shí)開(kāi)始下沉,即工作面的起動(dòng)距為190.5m(0.41H)。

4 地表移動(dòng)變形規(guī)律和特點(diǎn)

(1)由走向觀測(cè)線下沉曲線 (圖 3)分析可知,當(dāng)工作面由開(kāi)切眼開(kāi)始推進(jìn)到 488m時(shí),地表出現(xiàn)了移動(dòng)盆地,這時(shí)地表基本達(dá)到充分采動(dòng)。而當(dāng)工作面由開(kāi)切眼開(kāi)始推進(jìn)到 595m時(shí),地表達(dá)到超充分采動(dòng),地表出現(xiàn)了盤(pán)形盆地,達(dá)到了該地質(zhì)采礦條件下的最大下沉值。

圖3 走向觀測(cè)線下沉曲線及下沉速度曲線

(2)由圖 2可以看出,移動(dòng)盆地偏向傾斜方向,下山移動(dòng)范圍較大,由此確定的上山移動(dòng)角60°,下山移動(dòng)角 55°。移動(dòng)盆地之最大下沉點(diǎn)不是位于采空區(qū)中央之正上方,而是向下山方向偏移,最大下沉點(diǎn)距運(yùn)輸巷 51m,約在工作面 (距運(yùn)輸巷)1/4處。

(3)煤層開(kāi)采后,由直接頂板巖層開(kāi)始,從下而上移動(dòng)和變形,隨開(kāi)采范圍的增大,上覆巖層的移動(dòng)逐步擴(kuò)大并向地表延伸,當(dāng)工作面推進(jìn)190m后地表開(kāi)始移動(dòng),移動(dòng)盆地隨工作面的推進(jìn)逐步擴(kuò)大,地表下沉量也逐漸增大,地表最大下沉值為 3541mm。在地表達(dá)到充分采動(dòng)后,地表移動(dòng)波及到工作面前方 150m處。

(4)觀測(cè)區(qū)域內(nèi)分布有 0～10m厚的第四紀(jì)黃土和亞砂土松散層,在地表移動(dòng)初期,松散層的移動(dòng)形式和基巖的移動(dòng)形式基本相同。但由于觀測(cè)區(qū)域內(nèi)地形復(fù)雜,溝谷縱橫,隨地表下沉值的增大,分布于陡坡上和與移動(dòng)盆地傾斜方向一致的山梁上的松散層順山坡產(chǎn)生滑動(dòng),造成地表各點(diǎn)下沉值不均一,個(gè)別點(diǎn)下沉值較大。

(5)在開(kāi)采過(guò)程中,觀測(cè)線上各觀測(cè)點(diǎn)下沉速度都不相等,由下沉速度曲線圖 (圖 3)上可以看出,隨著工作面向前推進(jìn),地表各點(diǎn)的下沉速度逐漸增大,達(dá)到最大后又逐漸減小并趨于穩(wěn)定。地表點(diǎn)最大下沉速度為 58.9mm/d,在地表達(dá)到充分采動(dòng)后,各點(diǎn)最大下沉速度滯后于工作面 160m。

(6)由于觀測(cè)區(qū)域內(nèi)無(wú)地勢(shì)較平坦地區(qū),造成水平移動(dòng)和變形較為復(fù)雜,與平坦地區(qū)觀測(cè)結(jié)果有較大的區(qū)別。地表未出現(xiàn)水平移動(dòng)和變形為零的區(qū)域,而表現(xiàn)為拉伸與壓縮交替出現(xiàn),在陡坡地段表現(xiàn)為壓縮,而在陡坡上部平緩處又表現(xiàn)為拉伸。在移動(dòng)盆地內(nèi)部,陡坡和移動(dòng)盆地傾斜方向相反的區(qū)域,地表水平移動(dòng)不是指向采空區(qū),而是指向相反的方向 (未開(kāi)采區(qū)),這與地表平坦地區(qū)水平移動(dòng)的方向都是大致指向采空區(qū)中央的有較大的區(qū)別,也表明了在陡坡地區(qū)地表存在滑動(dòng)和滑坡的情況。觀測(cè)區(qū)域內(nèi)地表最大水平移動(dòng)值為 901mm,最大水平變形拉伸值為 17.4mm/m,最大水平變形壓縮值為 19.25mm/m。

在工作面推進(jìn)過(guò)程中,地表傾斜變形的變化規(guī)律與水平移動(dòng)變化規(guī)律基本相同。

[1]伍永平,解盤(pán)石,楊永剛,等.大傾角煤層群開(kāi)采巖移規(guī)律數(shù)值模擬及復(fù)雜性分析 [J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2007(4)：391-395.

[2]尹光志,鮮學(xué)福,代高飛,等 .大傾角煤層開(kāi)采巖移基本規(guī)律的研究 [J].巖土工程學(xué)報(bào),2001(4)：450-453.

[3]王其芳.礦區(qū)巖移參數(shù)規(guī)律研究 [J].有色金屬,2007(5)：31-51.

[4]高明專,鐘吉華,杜 剛,等 .山腳樹(shù)礦采動(dòng)地表巖移規(guī)律總結(jié)及意義 [J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2005(S)：85-86.

TD325.4

B

1006-6225(2010)04-0038-02

2010-01-15

丁小敏 (1975-),男,甘肅甘谷人,工程師,硯北煤礦總工程師。

徐乃忠]